JP2011180355A - Optical modulation element and spatial light modulator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、表示装置やホログラフィー表示装置に用いられる光変調素子および空間光変調器に係り、特に、磁化の変化を用いた光変調素子および空間光変調器に関する。 The present invention relates to a light modulation element and a spatial light modulator used in a display device and a holographic display device, and more particularly to a light modulation element and a spatial light modulator using a change in magnetization.
光の位相や振幅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露光装置に応用され、ディスプレイ技術や記録技術のなど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。 Optical elements that spatially modulate the phase and amplitude of light are applied to image exposure apparatuses such as holography, and are widely used in fields such as display technology and recording technology. In addition, since such an optical element can process optical information in two dimensions in parallel, its application to optical information processing technology and the like has been studied.
代表的な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、像の再生は限定的なものに限られていた(非特許文献1参照)。 A typical SLM (Spatial Light Modulator) is a spatial light modulator using a liquid crystal panel. The liquid crystal panel has a structure in which an oily and transparent liquid crystal material is sandwiched between two transparent substrates. As the transparent substrate, glass is often used, but plastic is sometimes used. A transparent electrode is provided on the inner surface of the transparent substrate as an electrode for applying a voltage to the liquid crystal. As a material for the transparent electrode, indium tin oxide (ITO) having a low resistance value and easy to form a shape is widely used. Attempts have been made to reproduce holography using these, but due to the slow response speed and lack of high-definition of pixels, the reproduction of images has been limited (non-patent literature). 1).
画素の高精細化と応答速度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た高速応答の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。
In order to solve the problem of high definition of pixels and response speed, a high-speed magneto-optical spatial light modulator (hereinafter referred to as MOSLM) using the Faraday effect of magnetic garnet as shown in
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に記載の技術は、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、磁性ガーネットがシングルドメイン構造(単磁区構造)を形成されていれば、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を反転させることができる。
特許文献2に記載されたMOSLM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となっている。
The MOSLM described in
ところで、スピン注入磁化反転技術(STS:Spin Transfer Switching)は、サブミクロン以下の小さな磁性体の磁化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。 By the way, a spin transfer magnetization reversal technique (STS: Spin Transfer Switching) attracts attention as a technique for reversing the magnetization of a small magnetic material of submicron or less (see Non-Patent Document 2). Use of STS is expected to be applied to a Gbit-class ultra-high density magnetic random memory (MRAM). In recent years, not only the application to memory, but also a light modulation element that modulates light by combining the magneto-optic effect and STS has been proposed.
本願発明者らは、これまでに、磁化方向の変化を用いて画素選択を行う撮像装置において、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、偏光手段とを用いて、画素選択を行うことを提案している(特許文献3参照)。この特許文献3に記載されたように、スピン注入により磁化反転を行う光変調器は、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・高精細が可能である。
The present inventors have heretofore performed pixel selection using a spin injection type magnetization reversal element that is reversed by spin injection and polarization means in an imaging device that performs pixel selection using a change in magnetization direction. This is proposed (see Patent Document 3). As described in
また、本願発明者らは、磁気光学効果を用いた空間光変調器において、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ることを提案している(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可能となり、かつ低消費電力にすることができる。
In addition, the inventors of the present application have proposed using a magnetic film made of a magnetic material having perpendicular magnetic anisotropy perpendicular to the film surface in a spatial light modulator using the magneto-optic effect ( (See Patent Document 4). In the spatial light modulator described in
SLMにおいては、画素サイズ(画素ピッチ)を微細化すると共に、応答を高速化するこ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共に、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。 In the SLM, it is desired to reduce the pixel size (pixel pitch) and increase the response speed. However, in the SLM using a liquid crystal panel, there is a problem that it is difficult to reduce the pixel size to several μm or less and that the response time to the applied voltage is relatively slow, about several tens μs.
また、特許文献1に記載されたMOSLMは、XY駆動ラインを、画素の内側に収まり且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。
In addition, the MOSLM described in
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程度であり、画素サイズもサブミクロンが可能であるので高性能である。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の技術には、光変調度を大きくする技術にさらなる改良の余地があり、光変調度を改善することが望まれていた。
On the other hand, the spin injection type optical modulation elements described in
光変調度は磁気光学効果と密接に関係しており、カー(Kerr)効果やファラデー効果による旋光の角度(カー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)素子やTMR(Tunneling Magneto Resistance)素子のようなスピン注入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(磁化反転層)の材料等の条件が着目されてきた。一方で、ピンド層とフリー層とに挟まれた中間層であって、非磁性膜からなるスペーサ層については、磁気光学効果の改善という観点では着目されてこなかった。そのため、光変調素子を構成するスピン注入磁化反転素子のスペーサ層については、光変調度を大きくするために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。 The degree of light modulation is closely related to the magneto-optic effect, and the degree of light modulation increases as the angle of optical rotation (Kerr rotation angle or Faraday rotation angle) by the Kerr effect or Faraday effect increases. Therefore, in the field of research on conventional light modulation elements using the magneto-optic effect, for example, light modulation elements using spin-injection magnetization reversal elements such as GMR (Giant Magneto Resistance) elements and TMR (Tunneling Magneto Resistance) elements are constructed. Improvements in the magneto-optical effect have been achieved by devising the conditions of materials and the like in the magnetic film portion. That is, conditions such as the material of the pinned layer (magnetization fixed layer) and the free layer (magnetization inversion layer) have attracted attention as the magnetic film portion constituting the light modulation element. On the other hand, a spacer layer made of a nonmagnetic film, which is an intermediate layer sandwiched between a pinned layer and a free layer, has not attracted attention from the viewpoint of improving the magneto-optical effect. Therefore, the spacer layer of the spin injection magnetization reversal element that constitutes the light modulation element has a problem that the optimum material conditions for increasing the degree of light modulation have not been known so far.
そこで、本発明では、従来のスピン注入磁化反転素子のスペーサ層については、光変調度を大きくするために最適な材料等の条件が不明であったという問題を解決し、光変調素子による磁気光学効果を改善することを課題とする。 Therefore, the present invention solves the problem that the conditions such as the optimum material for increasing the degree of light modulation are unknown for the spacer layer of the conventional spin-injection magnetization reversal element. The task is to improve the effect.
前記課題を解決するために、本発明の請求項1に記載の光変調素子は、1層以上の磁性膜を含む磁化固定層と、非磁性膜からなる中間層と、光の入射側に配置された1層以上の磁性膜を含む磁化反転層とがこの順番に積層された磁性多層膜と、前記磁性多層膜に電流を流すための前記磁化反転層側の透明電極および前記磁化固定層側の金属電極とを備え、前記透明電極を介して前記磁性多層膜に入射する光を変調する光変調素子において、前記磁性多層膜は、前記非磁性膜が、膜厚6nm以上20nm以下のAgからなることとした。
In order to solve the above-mentioned problem, the light modulation element according to
かかる構成によれば、光変調素子は、磁化固定層と磁化反転層との間の中間層を、従来のCuスペーサに代えてAgスペーサとして、Agスペーサの膜厚を6〜20nmとすることで、磁気光学効果としてカー回転角を増大させることができる。このことは実験で確かめることができた。そのため、かかる構成によれば、光変調素子は、光変調度が向上する。また、かかる構成の光変調素子は、MR比(magneto resistance ratio)が従来のCuスペーサの光変調素子と比べて約2倍に増加することが実験で確かめることができた。したがって、磁化反転層が磁化反転し易くなる。 According to such a configuration, the light modulation element uses the intermediate layer between the magnetization fixed layer and the magnetization switching layer as an Ag spacer instead of the conventional Cu spacer, and the thickness of the Ag spacer is set to 6 to 20 nm. As a magneto-optical effect, the Kerr rotation angle can be increased. This was confirmed by experiments. Therefore, according to such a configuration, the light modulation element improves the degree of light modulation. In addition, it has been confirmed through experiments that the light modulation element having such a configuration has an MR ratio (magneto resistance ratio) that is approximately twice that of a conventional Cu spacer light modulation element. Accordingly, the magnetization reversal layer is likely to be reversed in magnetization.
また、本発明の請求項2に記載の光変調素子は、請求項1に記載の光変調素子において、前記非磁性膜が、膜厚6nm以上15nm以下のAgからなることとした。
The light modulation element according to
かかる構成によれば、光変調素子は、磁化固定層と磁化反転層との間のAgスペーサの膜厚を15nm以下とすることで、磁化反転層の保磁力の上昇を抑制し、磁気特性の劣化を防ぐことが可能となる。したがって、Agスペーサの膜厚を15nm以下とした範囲では、磁化反転層の保磁力の上昇を抑制するので、光変調素子では、磁化反転層の磁化方向が容易に反転(回転)する。そのため、所要磁化反転電流を下げることができ、スピン注入磁化反転を利用する場合に、スピン注入効率を高めることができる。 According to such a configuration, the light modulation element suppresses an increase in the coercive force of the magnetization switching layer by setting the film thickness of the Ag spacer between the magnetization fixed layer and the magnetization switching layer to 15 nm or less. It becomes possible to prevent deterioration. Therefore, since the increase in the coercive force of the magnetization switching layer is suppressed in the range where the thickness of the Ag spacer is set to 15 nm or less, in the light modulation element, the magnetization direction of the magnetization switching layer is easily reversed (rotated). Therefore, the required magnetization reversal current can be reduced, and the spin injection efficiency can be increased when utilizing spin injection magnetization reversal.
また、本発明の請求項3に記載の光変調素子は、請求項1または請求項2に記載の光変調素子において、前記磁性多層膜は、前記磁化反転層および前記磁化固定層に含まれる磁性膜が、垂直磁気異方性を有する磁性材料からなることとした。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the optical modulation device according to the first or second aspect, wherein the magnetic multilayer film includes magnetic elements included in the magnetization switching layer and the magnetization fixed layer. The film is made of a magnetic material having perpendicular magnetic anisotropy.
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形成されてい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、磁気光学効果が大きく、光変調度が高くなる。 According to such a configuration, the light modulation element includes the magnetic film formed of a magnetic material having perpendicular magnetic anisotropy in which the magnetization direction is perpendicular to the film surface. Therefore, the in-plane magnetism in which the magnetization direction is parallel to the film surface Compared to the case of being formed from an anisotropic magnetic material, the magneto-optical effect is large and the light modulation degree is high.
また、本発明の請求項4に記載の光変調素子は、請求項3に記載の光変調素子において、前記磁性多層膜は、前記磁化反転層に含まれる磁性膜が、GdFeから形成され、前記磁化固定層が、TbFeCo膜と、このTbFeCo膜に積層されて前記非磁性膜に接触したCoFe膜とを含むこととした。
The light modulation element according to
かかる構成によれば、光変調素子は、磁化反転層に含まれる磁性膜がGdFeから形成されてGdを含むためその磁気異方性が小さく、磁化反転層の保磁力を小さくすることができる。そのため、磁化反転層は、スピン分極された電子の注入によって磁化が容易に反転し易い。また、光変調素子は、磁化固定層に含まれる磁性膜がTbFeCo膜を含むため、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。そのため、磁化固定層は、磁化方向が外部磁界によって容易に変わらないように形成することができる。さらに、光変調素子は、磁化固定層がCoFe膜とTbFeCo膜とからなる2層構造を有しており、CoFe膜およびTbFeCo膜は交換結合によって磁気的に結合しているために、面内に向きやすい性質をもったCoFe膜の磁化は垂直方向に保たれる。そして、スピン分極の高いCoFe層を通過することによってスピン分極した電子が磁化固定層から磁化反転層へ移動することができる。このことによってスピン注入磁化反転を利用する場合に、スピン注入効率を高めることができる。 According to this configuration, in the light modulation element, since the magnetic film included in the magnetization switching layer is formed of GdFe and includes Gd, the magnetic anisotropy is small, and the coercivity of the magnetization switching layer can be reduced. For this reason, the magnetization reversal layer is easily reversed in magnetization by injection of spin-polarized electrons. In the light modulation element, since the magnetic film included in the magnetization fixed layer includes the TbFeCo film, the coercive force of the magnetization fixed layer can be increased by Tb. Therefore, the magnetization fixed layer can be formed such that the magnetization direction is not easily changed by an external magnetic field. Further, in the light modulation element, the magnetization fixed layer has a two-layer structure including a CoFe film and a TbFeCo film, and the CoFe film and the TbFeCo film are magnetically coupled by exchange coupling. The magnetization of the CoFe film having the property of being easily oriented is maintained in the vertical direction. Then, by passing through the CoFe layer having high spin polarization, spin-polarized electrons can move from the magnetization fixed layer to the magnetization switching layer. This can increase the spin injection efficiency when utilizing spin injection magnetization reversal.
また、前記課題を解決するために、本発明の請求項5に記載の空間光変調器は、請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の光変調素子をマトリクス状に並べて構成された空間光変調器であって、前記マトリクスの行方向および列方向のうちの一方向に並べられた各光変調素子に共通となるように延設された複数の下部電極と、前記マトリクスの行方向および列方向のうちの他方向に並べられた各光変調素子に共通となるように延設されると共に前記下部電極の配設間隔と同じ間隔で複数の貫通孔が設けられた複数の上部金属電極とを備え、前記光変調素子の前記基板側の金属電極は、前記下部電極を構成し、前記光変調素子の前記入射光側の透明電極は、前記上部金属電極に設けられた貫通孔に充填されて形成されていることとした。
In order to solve the above problem, a spatial light modulator according to
かかる構成によれば、空間光変調器は、Agスペーサの光変調素子を用いているので、磁気光学効果が増大し、光変調度が向上する。また、かかる構成によれば、空間光変調器は、複数の光変調素子に共通となるように延設された上部金属電極に設けた複数の貫通孔に充填された透明電極を介して、光変調素子に効率よく光を入射することができる。また、かかる構成によれば、空間光変調器は、上部電極をすべて透明電極とする場合に比べて抵抗を下げ、電流密度を高めることができる。したがって、スピン注入磁化反転を利用する場合に、スピン注入効率を高めることができる。 According to such a configuration, since the spatial light modulator uses the light modulation element of the Ag spacer, the magneto-optical effect is increased and the light modulation degree is improved. Further, according to such a configuration, the spatial light modulator is configured to transmit the light via the transparent electrode filled in the plurality of through holes provided in the upper metal electrode extended so as to be common to the plurality of light modulation elements. Light can be efficiently incident on the modulation element. In addition, according to such a configuration, the spatial light modulator can reduce the resistance and increase the current density as compared with the case where all the upper electrodes are transparent electrodes. Therefore, when spin injection magnetization reversal is used, spin injection efficiency can be increased.
また、請求項6に記載の空間光変調器は、請求項5に記載の空間光変調器において、前記下部電極と前記上部電極との交差点のそれぞれにおいて、水平方向に複数の前記光変調素子を設けたこととした。
A spatial light modulator according to
かかる構成によれば、空間光変調器では、下部電極と上部電極との交差点のそれぞれにおいて、隣り合う光変調素子同士で磁気的な影響を与え合うことができる。ホログラフィー表示に必要な高精細性確保には、下部電極と上部電極との幅や間隔は1μm以下であることが好ましい。同一画素内に1μm以下の間隔で配置した複数の光変調素子は、磁気的な影響を強く与え合うことができる。そして、この場合に、予め定められた大きさの電流を供給することで、隣り合う光変調素子それぞれの磁化反転層の磁化方向が異なる方向を安定的に示すことができる。つまり、空間光変調器では、電流の大きさを変化させて供給することで、画素内のすべての光変調素子を磁化反転させたり、一部の光変調素子のみ磁化反転させたりすることができる。そのため、上部電極の貫通孔に充填された透明電極の部分を単位とした1画素において、階調表示が可能となる。 According to this configuration, in the spatial light modulator, adjacent light modulation elements can exert a magnetic influence at each of the intersections of the lower electrode and the upper electrode. In order to ensure high definition necessary for holographic display, the width and interval between the lower electrode and the upper electrode are preferably 1 μm or less. A plurality of light modulation elements arranged at intervals of 1 μm or less in the same pixel can strongly exert a magnetic influence. In this case, by supplying a current having a predetermined magnitude, it is possible to stably indicate directions in which the magnetization reversal layers of the adjacent light modulation elements have different magnetization directions. That is, in the spatial light modulator, it is possible to reverse the magnetization of all the light modulation elements in the pixel or to reverse the magnetization of only a part of the light modulation elements by supplying the current with changing the magnitude of the current. . Therefore, gradation display is possible in one pixel with the transparent electrode portion filled in the through hole of the upper electrode as a unit.
また、請求項7に記載の空間光変調器は、請求項5または請求項6に記載の空間光変調器において、前記光変調素子の磁化反転層の磁化方向を変化させるために電流を注入する電流源と、前記マトリクス状に並べられた光変調素子を画素として選択する画素選択手段とをさらに備えることとした。
The spatial light modulator according to
かかる構成によれば、空間光変調器において、画素選択手段と電流源とによって、選択された光変調素子に対して、スピン分極された電子を注入することができる。空間光変調器は、このようにスピン注入磁化反転を用いることで、光変調素子の状態変化に要する時間を短縮することができる。 According to this configuration, in the spatial light modulator, spin-polarized electrons can be injected into the selected light modulation element by the pixel selection unit and the current source. The spatial light modulator can shorten the time required for the state change of the light modulation element by using the spin injection magnetization reversal in this way.
請求項1に記載の発明によれば、光変調素子は、磁気光学効果としてカー回転角を増大させることができるため、光変調度が向上する。また、光変調素子は、MR比が従来に比べて約2倍に増加するので、磁化反転層が磁化反転し易くなる。 According to the first aspect of the present invention, the light modulation element can increase the Kerr rotation angle as a magneto-optical effect, so that the degree of light modulation is improved. Moreover, since the MR ratio of the light modulation element is increased about twice as compared with the conventional one, the magnetization reversal layer is likely to be reversed.
請求項2に記載の発明によれば、光変調素子は、磁化反転層の保磁力の上昇を抑制し、軟磁気特性の劣化を防ぐことが可能となる。また、光変調素子は、磁化反転層の磁化方向が容易に反転(回転)するため、所要磁化反転電流を下げることができる。 According to the second aspect of the present invention, the light modulation element can suppress the increase of the coercive force of the magnetization switching layer and prevent the deterioration of the soft magnetic characteristics. Further, since the light modulation element easily reverses (rotates) the magnetization direction of the magnetization switching layer, the required magnetization switching current can be lowered.
請求項3に記載の発明によれば、光変調素子は、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、磁気光学効果が大きく、光変調度が高くなる。 According to the third aspect of the present invention, the light modulation element has a greater magneto-optic effect and a higher degree of light modulation than a case where the light modulation element is formed from a magnetic material having in-plane magnetic anisotropy.
請求項4に記載の発明によれば、光変調素子は、磁化反転層および磁化固定層をなす磁性膜が好適な材料で形成されているため、磁化反転層は磁化が容易に反転し易く、磁化固定層は磁化方向が外部磁界の影響を受けにくい。また、光変調素子は、スピン分極された電子が垂直方向のスピン分極を保ったまま移動することができるので、スピン注入効率を高めることができる。 According to the fourth aspect of the present invention, since the magnetic film that forms the magnetization switching layer and the magnetization fixed layer is formed of a suitable material, the magnetization switching layer easily reverses magnetization. The magnetization fixed layer is less susceptible to the influence of an external magnetic field in the magnetization direction. In addition, since the light-modulated element can move spin-polarized electrons while maintaining the spin polarization in the vertical direction, the spin injection efficiency can be increased.
請求項5に記載の発明によれば、空間光変調器は、下部電極と上部電極との交差点に透明電極を配し、その他の部分に、透明電極よりも比抵抗の小さい金属電極を配することによって、光変調素子に効率よくスピン注入できる。その結果、画素サイズを微細化すると共に、光変調の高速応答が可能となる。
According to the invention described in
請求項6に記載の発明によれば、空間光変調器は、下部電極と上部電極との交差点のそれぞれに配された、隣り合う光変調素子同士で磁気的な影響を与え合うことができる。したがって、上部電極の貫通孔に充填された透明電極の部分を単位とした1画素において、階調表示が可能となる。 According to the sixth aspect of the present invention, the spatial light modulator can exert a magnetic influence between the adjacent light modulation elements arranged at each of the intersections of the lower electrode and the upper electrode. Therefore, gradation display is possible in one pixel with the transparent electrode portion filled in the through hole of the upper electrode as a unit.
請求項7に記載の発明によれば、空間光変調器は、選択された光変調素子に対して、スピン分極された電子を注入することができる。したがって、空間光変調器は、光変調素子の状態変化に要する時間を短縮することができる。 According to the seventh aspect of the present invention, the spatial light modulator can inject spin-polarized electrons into the selected light modulation element. Therefore, the spatial light modulator can shorten the time required for the state change of the light modulation element.
図面を参照して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詳細に説明する。以下では、説明の都合上、1.空間光変調器の構成、2.光変調素子の構成、3.空間光変調器の製造方法、4.光変調素子の具体例、5.磁性多層膜の磁気光学効果の特性、6.空間光変調器の動作例の各章について順次説明することとする。
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Embodiments for implementing a light modulation element and a spatial light modulator of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Below, for convenience of explanation, 1. 1. Configuration of spatial
[1.空間光変調器の構成]
本発明の実施形態に係る空間光変調器の概要について図1〜図4を参照して説明する。図1および図4は、主として空間光変調器を示し、この空間光変調器を構成する光変調素子を図2および図3に示す。図2は、図1のA−A線断面(xz平面の断面)を示し、図4は、図1のB−B線断面(yz平面の断面)を示す。
[1. Configuration of spatial light modulator]
An overview of a spatial light modulator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIGS. 1 and 4 mainly show a spatial light modulator, and the light modulation elements constituting the spatial light modulator are shown in FIGS. 2 shows a cross section taken along line AA in FIG. 1 (cross section in the xz plane), and FIG. 4 shows a cross section taken along line BB in FIG. 1 (cross section taken in the yz plane).
空間光変調器1は、図1(a)に示すように、平面視で、複数の上部電極5と複数の下部電極3とが互いに直交して、磁性多層膜4を挟んで上下に配設された構成を有している。上部電極5と下部電極3との交差点が画素を形成し、この画素には、2つの磁性多層膜4を備える。磁性多層膜4は、図2に示すように、その上下の電極と共に光変調素子10を構成している。このように磁性多層膜4を所望の素子サイズに加工して電極を含めたときには光変調素子と呼称し、電極を含めないときには磁性多層膜と呼称する。
As shown in FIG. 1A, the spatial
図1の空間光変調器1は、図2の光変調素子10を1画素に例えば2素子ずつの組をマトリクス状に並べて構成されている。本実施形態の空間光変調器1において、1つの画素は、2つの光変調素子10を備えるものに限定されるものではない。また、ここでは、一例として縦2×横4のマトリクス状に2次元配列した。
The spatial
図1に示す例では、金属電極である下部電極3(3a,3b)は、マトリクスの行方向に並べられた各光変調素子10に共通となるように延設されている。また、金属電極である上部電極5(5a〜5d)は、マトリクスの列方向に並べられた各光変調素子10に共通となるように延設されている。
In the example shown in FIG. 1, the lower electrode 3 (3a, 3b), which is a metal electrode, is extended so as to be common to the
上部電極5には、貫通孔である複数の孔部6が設けられている。孔部6は、下部電極3の上に位置しており、孔部6の間隔は、下部電極3の配設間隔と同じ間隔である。上部電極5の各孔部6には、透明電極7が充填されており、入射光用の窓となっている。このような構成によれば、仮に、上部電極の全体が透明電極で形成された場合と比較すると、電気抵抗を非常に小さくすることができ、非常に大きな電流密度の電流を流すことができるので、光変調素子10にスピン注入することが可能となる。
The
また、光変調素子10は、図1(b)に示すように、正面視で、基板2上に形成された下部電極3と、下部電極3の上に形成された磁性多層膜4と、磁性多層膜4の上に形成された上部電極5とを備えている。
As shown in FIG. 1B, the
基板2は、例えば、シリコン(Si)、酸化シリコン(SiO2)、酸化マグネシウム(MgO)、ガラス等から成る。
下部電極3および上部電極5は、例えば、Cu、Al、Ta、Cr等の金属や合金等からなる一般的な電極用金属材料で形成される。
The
The
透明電極7は、図4に示すように磁性多層膜4を覆うように配設されており、入射光が磁性多層膜4に効率よく到達できるように、インジウムスズ酸化物(ITO)等の一般的な透明電極材料を用いて構成されている。なお、図1(b)に示す透明電極7は、その上端が上部電極5の上端から突出しているが、面一となるように形成することもできる。
As shown in FIG. 4, the
図1(b)に示すように、磁性多層膜4と、磁性多層膜4との間の空間は、絶縁部材8で充填されている。また、絶縁部材8は、図4に示すように、下部電極3と上部電極5との隙間や、互いに隣り合った下部電極3と下部電極3との隙間にも堆積されている。また、絶縁部材8は、図示は省略するが、互いに隣り合った上部電極5と上部電極5との隙間にも配設されている。これにより、空間光変調器1において、マトリクス状に配置された画素の部分(画素アレイ)、すなわち上部電極5と下部電極3とが交差する地点にしか電流が流れないようになっている。この絶縁部材8は、例えば、SiO2やAl2O3等から成る。
As shown in FIG. 1B, the space between the
本実施形態では、空間光変調器1は、図1(b)に示すように、さらに、画素選択機構9と電流源9aとを備える構成とした。画素選択機構9は、マトリクス状に並べられた光変調素子10を画素として選択するものであり、図示を省略するが、行ドライバ、列ドライバ、各ドライバに信号を供給する信号処理回路等から構成されている。
In the present embodiment, the spatial
ここでは、画素選択機構9は、電流源9aを包含することとした。電流源9aは、上部電極5および下部電極3に接続され、光変調素子10にスピン注入するものである。電流源9aは、パルス電流または直流電流を光変調素子10に供給する。以上が、空間光変調器1の全体の概要である。
Here, the
[2.光変調素子の構成]
ここでは、光変調素子の構成を、2−1.光変調素子の概要、および、2−2.磁性多層膜の概要の各節に分けて説明する。
[2. Configuration of light modulation element]
Here, the configuration of the light modulation element is described in 2-1. Outline of light modulation element, and 2-2. This will be described in each section of the outline of the magnetic multilayer film.
<2−1.光変調素子の概要>
光変調素子10は、図2に断面を示すように、下部電極3と、磁性多層膜4と、透明電極7とを備えている。なお、図2では、1画素の領域を示しているが空間光変調器1は、2次元マトリクス状に配列された複数の画素を有している。
磁性多層膜4は、例えば、CPP(Current Perpendicular to the Plane)−GMR素子から構成され、図2に示すように、下地層11と、磁化固定層としての磁性膜12と、中間層としての非磁性膜13と、磁化反転層としての磁性膜14と、保護層15とをこの順に積層されて形成されている。
<2-1. Overview of Light Modulator>
The
The
磁性膜12は、基板2(図1参照)側に配置され、磁化方向が所定の方向に固定された磁化固定層(以下、ピンド層とよぶ)をなす磁性膜である。ピンド層は、1層以上の磁性膜12を備える。また、磁性膜12においては、例えば、図4に上向き矢印で示す方向に磁化方向が固定されている。
The
非磁性膜13は、磁性膜12と磁性膜14とに挟まれた中間層(以下、スペーサ層とよぶ)をなす。この非磁性膜13のスペーサ材料を従来のCuからAgに変え、非磁性膜13を予め定められた膜厚で形成したことが本発明の特徴である。非磁性膜13の詳細は後記する。
The
磁性膜14は、光の入射側に配置され、磁化方向が予めピンド層の磁化方向と同一または反対方向に磁化された磁化反転層(以下、フリー層とよぶ)をなす磁性膜である。このフリー層の磁化方向は、固定されておらず、スピン分極された電子が注入されることによって容易に回転(反転)することができる。磁性膜14は、磁気光学的カー効果が生じ、偏極率が比較的高い強磁性体から構成されることが好ましい。ここで、偏極率が低いほど磁化反転に必要な電流の値が大きくなる。
The
下地層11は、必要に応じて設けられ、例えば、Cu、Al、Au、Ru等で形成することができる。また、保護層(キャッピング層)15は、微細加工プロセス中に磁性膜14が受けるダメージを保護する層であり、例えば、Cu、Al、Au、Ru等で形成することができる。
The
<2−2.磁性多層膜の概要>
光変調素子10を構成する磁性多層膜4において、フリー層をなす磁性膜12は、垂直磁気異方性を有する磁性材料で形成されている。
磁性多層膜4において、ピンド層をなす磁性膜14は、垂直磁気異方性を有する磁性材料で形成されている磁性膜を含んでいる。
<2-2. Overview of magnetic multilayer film>
In the
In the
このようにピンド層およびフリー層を構成する磁性膜が、垂直磁気異方性を有する材料で構成されていることによって、スピン注入磁化反転によって、磁化方向が、磁性膜に垂直な方向に反転する。この磁性多層膜4における大きな磁気光学効果によって、大きな光変調度で出射光を変調して制御することが可能となると共に、飽和磁化の低減によって磁性膜における磁化反転に要する電流を低減して消費電力を低減できる。
Since the magnetic films constituting the pinned layer and the free layer are made of a material having perpendicular magnetic anisotropy, the magnetization direction is reversed in a direction perpendicular to the magnetic film by spin injection magnetization reversal. . The large magneto-optic effect in the
垂直磁気異方性を有する磁性材料としては、例えば、Fe、Co、Niおよびその合金、ならびにSm、Eu、Gd、Tb等の希土類金属を含む合金からなる群から選ばれる少なくとも1種が用いられる。
また、磁性膜を構成する磁性材料の磁化補償温度の前後では、磁化のスイッチング特性が逆転することから、そのスイッチング特性の逆転を防止するため、空間光変調器1の動作温度以下であることが好ましい。
As the magnetic material having perpendicular magnetic anisotropy, for example, at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni and alloys thereof, and alloys containing rare earth metals such as Sm, Eu, Gd, and Tb is used. .
In addition, before and after the magnetization compensation temperature of the magnetic material constituting the magnetic film, the magnetization switching characteristics are reversed. Therefore, in order to prevent the switching characteristics from being reversed, the temperature may be equal to or lower than the operating temperature of the spatial
また、ピンド層をなす磁性膜12は、外部磁界によって磁化方向が変わらないように保磁力を大きくする観点から、Tbを含むことが好ましく、例えば、Tbと、Fe、Co等の遷移金属とを含む合金で形成されていることが好ましい。
The
特に、ピンド層をなす磁性膜12として、TbFeCo膜とCoFe膜とからなる2層構造を有するピンド層は、CoFe膜を含むことによって、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ことから、好ましい。この場合、TbFeCo膜とCoFe膜とは、通常、膜厚比がTbFeCo膜/CoFe膜が20/1で形成される。ここで、TbFeCo膜は、垂直磁化膜であって下地層11側に積層され、CoFe膜は、面内磁化膜であって非磁性膜13側に積層されるが、厚いTbFeCo膜との交換結合により、薄いCoFe膜の磁化は垂直方向に向く。
In particular, as the
フリー層をなす磁性膜14は、スピン分極された電子の注入によって磁化が容易に反転し易い観点から、保磁力を小さくするために、Gdを含むことが好ましく、例えば、Gdと、Feおよび/またはCoとを含む合金で形成されていることが好ましい。また、磁性膜を構成する磁化補償温度を、空間光変調器の動作温度以下にするために、GdとFeの含有割合は、Gdが25at%以下であることが好ましい。
The
また、フリー層をなす磁性膜14は、大きい磁気光学効果が得られることから、MnおよびBiを含むことが好ましい。
The
[3.空間光変調器の製造方法]
ここでは、空間光変調器の製造方法を、3−1.光変調素子の製造方法の概要、3−2.空間光変調器の製造方法の概要、3−3.空間光変調器の製造方法の具体例の各節に分けて説明する。
[3. Manufacturing method of spatial light modulator]
Here, the manufacturing method of the spatial light modulator is described in 3-1. Outline of manufacturing method of light modulation element, 3-2. Outline of manufacturing method of spatial light modulator, 3-3. A description will be given in each section of a specific example of a method for manufacturing a spatial light modulator.
<3−1.光変調素子の製造方法の概要>
光変調素子10を製造する方法は、以下の通りである。光変調素子10は、磁性多層膜4を形成する各層や電極を、例えば、スパッタリング法や蒸着法などで成膜することによって形成することができる。例えば、基板2上に、スパッタリング法や蒸着法によって、下部電極3を構成する金属膜を成膜した後、電子ビームやフォトリソグラフィを用いて下部電極3を形成する。次に、磁性多層膜4として、下地層11、ピンド層となる磁性膜12、スペーサ層となる非磁性膜13、フリー層となる磁性膜14および保護層15となる材料を、この順で積層した後、その上に、電子ビームやフォトリソグラフィを用いて井桁状にレジストからなるパターンを形成し、イオンミリングやドライエッチングを用いてピンド層となる磁性膜12がなくなるまでエッチングを行う。また、磁性膜12をエッチングせず、スペーサ層までエッチングを行ってもよい。その後、上部電極5を形成し、透明電極7を形成することによって、光変調素子10を形成することができる。
<3-1. Overview of Manufacturing Method of Light Modulating Element>
A method of manufacturing the
<3−2.空間光変調器の製造方法の概要>
空間光変調器1の各光変調素子10を製造する方法は、以下の通りである。なお、空間光変調器1では、各画素の領域が一度に製造される。まず、光変調素子10と隣接する光変調素子10との間の空間を、例えば、SiO2等の絶縁部材8で封止して、DCスパッタ法により金属電極である上部電極5を積層した後に、フォトリソグラフィ法等によって、積層した金属電極を所望の形状にパターニングして、金属電極に所定数(図1では4個)の孔部6を形成する。そして、RFスパッタ法により各孔部6に透明電極材料を積層して透明電極7とすることで各画素を形成する。
<3-2. Overview of Spatial Light Modulator Manufacturing Method>
A method of manufacturing each
<3−3.空間光変調器の製造方法の具体例>
図1に示す空間光変調器1は、Siなどの基板2の上に、幅WBが1.0[μm]、間隔が0.3[μm]となるようにCuで作製した下部電極3(3a,3b)を具備している。下部電極3がこのサイズの場合に、上部電極は、幅WTを例えば0.9[μm]にすることができる。この場合、孔部6の一辺の長さLHを例えば0.6[μm]にすることができる。この場合、磁性多層膜4を平面視で、例えば、0.15×0.4[μm]の大きさにすることで、2つの磁性多層膜4を1画素内に、例えば0.1[μm]程度の間隔を空けて配置することができる。
<3-3. Specific Example of Manufacturing Method of Spatial Light Modulator>
Figure spatial
下部電極3は、例えば、以下の手順で作製できる。まず、基板2の上にレジストのパターンを作製し、ドライエッチングなどの方法でエッチングを行い、Cuなどの低抵抗材料をメッキにて成膜する。この後、CMP(Chemical Mechanical Polishing;化学機械研磨)などの方法で平たん化することで電極パターンが形成される。
The
この下部電極3が作製された後、図1に示す下部電極3上には、2層の磁性膜12,14および非磁性膜13の3層を含む巨大磁気抵抗多層膜(GMR多層膜)である磁性多層膜4が積層される。そして、1画素領域において、磁性多層膜4を、例えば、0.15×0.4[μm]の大きさにそれぞれ加工することで、2つの光変調素子10を形成する。ここで、素子のサイズは、0.1−0.5×0.1−0.5[μm]程度が望ましい。その理由は、素子が単磁区を形成し易いからである。この場合、1画素領域において、2つの光変調素子10が所定間隔をあけて磁気的な影響を与え合うことができるように、細長い形状とする。このGMR膜は、例えば、スパッタなどの方法にて作製する。
After the
素子は、例えば、以下の手順で加工することができる。まず、電子ビーム描画装置などを用いて、例えば、0.15×0.4[μm]の大きさに加工したレジストパターンを形成し、イオンミリングなどの方法でピンド層までをエッチングし、エッチングした分とほぼ同じ厚さになるように、SiO2などの絶縁部材8を製膜する。この後、レジスト剥離液中で超音波洗浄を行うことでレジストをリフトオフする。続いて、例えばCuを金属材料として上部電極5を形成する。このとき、同様のフォトリソグラフィ、Cu製膜、およびリフトオフにより形成する。なお、パターニングにより孔部6を形成する。さらに、同様な方法で、孔部6を充填するように透明電極7を形成し、図1に示すような空間光変調器1の構造を得ることができる。
The element can be processed, for example, by the following procedure. First, using an electron beam lithography system or the like, for example, a resist pattern processed to a size of 0.15 × 0.4 [μm] is formed, and etching up to the pinned layer is performed by a method such as ion milling. An insulating
[4.光変調素子の具体例]
作製した光変調素子の具体例を図3に示す。なお、図3では、従来のCuスペーサに代えてAgスペーサとした光変調素子による磁気光学効果の増大を説明するため、透明電極7や上部電極5を省略した磁性多層膜を示した。磁性多層膜40は、図1に示す磁性多層膜4の1つの具体例のCPP−GMR膜である。
[4. Specific example of light modulation element]
A specific example of the manufactured light modulation element is shown in FIG. In FIG. 3, a magnetic multilayer film in which the
図3に示すように、磁性多層膜40は、下地層11にRuを用い、ピンド層としての磁性膜12をTbFeCoおよびCoFeの2層構造とし、スペーサ層としての非磁性膜13にAgを用い、フリー層としての磁性膜14にGdFeを用い、保護層15にRuを用いたものである。
As shown in FIG. 3, the magnetic multilayer film 40 uses Ru for the
ここで、各層の膜厚は、以下のように設定することが好ましい。GdFeの膜厚は、5〜20[nm]、TeFeCoの膜厚は、10〜30[nm]程度がよい。Agの膜厚は、6〜20[nm]、好ましくは、8〜15[nm]程度がよい。下地層11の膜厚は、通常、1〜10[nm]程度であり、保護層15の膜厚は、通常、1〜5[nm]程度である。以下では、このAgスペーサの磁性多層膜40を単に、Agスペーサの素子という。
Here, the film thickness of each layer is preferably set as follows. The film thickness of GdFe is preferably about 5 to 20 [nm], and the film thickness of TeFeCo is about 10 to 30 [nm]. The film thickness of Ag is 6 to 20 [nm], preferably about 8 to 15 [nm]. The film thickness of the
[5.磁性多層膜の磁気光学効果の特性]
ここでは、磁性多層膜の磁気光学効果の特性を、5−1.Agスペーサの素子のカー回転角、5−2.GdFe膜厚を変更したときのカー回転角、5−3.Ag膜厚を変更したときのカー回転角、5−4.Ag膜厚を変更したときの保磁力、5−5.Agスペーサの素子のMR特性、5−6.Agスペーサの素子のスピン注入磁化反転の各節に分けて説明する。
[5. Characteristics of magneto-optical effect of magnetic multilayer film]
Here, the characteristics of the magneto-optical effect of the magnetic multilayer film are shown in 5-1. Kerr rotation angle of Ag spacer element, 5-2. Kerr rotation angle when the GdFe film thickness is changed, 5-3. Kerr rotation angle when the Ag film thickness is changed 5-4. Coercive force when the Ag film thickness is changed, 5-5. MR characteristics of Ag spacer element, 5-6. The description will be made separately for each section of spin injection magnetization reversal of the Ag spacer element.
<5−1.Agスペーサの素子のカー回転角>
ここでは、作製した光変調素子の磁気光学効果として、図3の膜構造の磁性多層膜に、波長780[nm]のレーザ光を照射し、外部から、−1.0〜+1.0[kOe]の範囲で磁界をかけたときのカー回転角を測定した。このときの測定結果を図5(a)に示す。つまり、図5(a)は、スペーサ材料を従来のCuからAgに変えたAgスペーサのGMR多層膜の磁気光学特性としてカー回転角θkを示す。図5のグラフにおいて、横軸は、磁界[kOe]を示し、縦軸は角度θ[deg]を示す。なお、1[Oe]=79.577[A/m]で換算可能である。
<5-1. Kerr rotation angle of Ag spacer element>
Here, as a magneto-optical effect of the manufactured light modulation element, the magnetic multilayer film having the film structure of FIG. 3 is irradiated with laser light having a wavelength of 780 [nm], and −1.0 to +1.0 [kOe from the outside. ], The Kerr rotation angle was measured when a magnetic field was applied. The measurement result at this time is shown in FIG. That is, FIG. 5A shows the Kerr rotation angle θ k as the magneto-optical characteristic of the GMR multilayer film of the Ag spacer in which the spacer material is changed from conventional Cu to Ag. In the graph of FIG. 5, the horizontal axis indicates the magnetic field [kOe], and the vertical axis indicates the angle θ [deg]. In addition, it is convertible by 1 [Oe] = 79.577 [A / m].
このような磁気光学特性を示す磁性多層膜41の膜構造を図6(a)に示す。図6(a)において、材料名の横のカッコ内の数字は、膜厚を示しており、その単位はnmである。例えば、非磁性膜13は、膜厚6[nm]のAgで構成され、磁性膜14は、膜厚10[nm]のGdFeで構成されている。
The film structure of the magnetic multilayer film 41 exhibiting such magneto-optical characteristics is shown in FIG. In FIG. 6A, the number in parentheses next to the material name indicates the film thickness, and its unit is nm. For example, the
また、このAgスペーサの磁性多層膜41の比較として、スペーサ材料を従来のCuに変えたCuスペーサの磁性多層膜140の構造を図6(b)に示す。また、このCuスペーサの磁性多層膜140の磁気光学特性としてカー回転角θkを図5(b)に示す。 Further, as a comparison with the magnetic multilayer film 41 of this Ag spacer, the structure of the magnetic multilayer film 140 of the Cu spacer in which the spacer material is changed to conventional Cu is shown in FIG. FIG. 5B shows the Kerr rotation angle θ k as the magneto-optical characteristic of the magnetic multilayer film 140 of the Cu spacer.
図5(a)に示すように、Agスペーサの磁性多層膜41に対して、−1.0〜+1.0[kOe]の範囲で磁界を変化させたとき、磁界が負の方向のときには角度θの最小値が−0.1393[deg]であり、磁界が正の方向のときには角度θの最大値が+0.1405[deg]であった。素子に磁界を印加したときの反射光の偏光の角度変化を示すカー回転角θkは、磁界印加時の角度の絶対値の平均として、これら最大値と最小値との差分の1/2から求められ、0.140[deg]であった。 As shown in FIG. 5A, when the magnetic field is changed in the range of −1.0 to +1.0 [kOe] with respect to the magnetic multilayer film 41 of the Ag spacer, the angle is obtained when the magnetic field is in the negative direction. The minimum value of θ was −0.1393 [deg], and the maximum value of the angle θ was +0.1405 [deg] when the magnetic field was in the positive direction. The Kerr rotation angle θ k indicating the change in the angle of polarization of reflected light when a magnetic field is applied to the element is an average of the absolute values of the angles when the magnetic field is applied, and is from 1/2 of the difference between these maximum and minimum values. It was calculated | required and was 0.140 [deg].
一方、Cuスペーサの磁性多層膜140に対して、−1.0〜+1.0[kOe]の範囲で磁界を変化させたとき、磁界が負の方向のときには角度θの最小値が−0.1113[deg]であり、磁界が正の方向のときには角度θの最大値が+0.1130[deg]であった。その結果、カー回転角θkは、0.112[deg]であった。 On the other hand, when the magnetic field is changed in the range of −1.0 to +1.0 [kOe] with respect to the magnetic multilayer film 140 of the Cu spacer, the minimum value of the angle θ is −0. 1113 [deg], and when the magnetic field was in the positive direction, the maximum value of the angle θ was +0.1130 [deg]. As a result, the Kerr rotation angle θ k was 0.112 [deg].
つまり、スペーサ材料を従来のCuからAgに変えた素子構造とすることで、カー回転角θkは27%増加することが分かった。光の変調度は、このカー回転角θkに大きく依存することが知られており、スペーサ材料を従来のCuからAgに変えた素子構造とすることで、変調度を改善できることが分かった。 That is, it has been found that the Kerr rotation angle θ k is increased by 27% by changing the spacer material from the conventional Cu to Ag. It is known that the degree of modulation of light largely depends on the Kerr rotation angle θ k , and it has been found that the degree of modulation can be improved by changing the spacer material from conventional Cu to Ag.
<5−2.GdFe膜厚を変更したときのカー回転角>
続いて、Agスペーサの上のGdFe膜の膜厚を変更した場合に、カー回転角が増加する現象が同様に観測されるか確かめる実験を行った。ここでは、Agスペーサの上のGdFe膜の膜厚を変更して素子サイズが120×120[nm2]〜120×300[nm2]の複数種類の素子を、DCマグネトロンスパッタにて製膜を行った。また、CPP−GMR作製プロセスは190℃以下で行われるが、このプロセスにおいて特性変化がないようにするために、製膜後190℃で1時間の熱処理(アニール)を行った。そして、作製した各素子に対して同様に磁界を印加したときのそれぞれのカー回転角を求めた。その結果を図7に示す。なお、Agスペーサの膜厚は6[nm]のままである。
<5-2. Kerr rotation angle when GdFe film thickness is changed>
Subsequently, an experiment was conducted to confirm whether or not the phenomenon of increasing the Kerr rotation angle is observed when the thickness of the GdFe film on the Ag spacer is changed. Here, the film thickness of the GdFe film on the Ag spacer is changed to form a plurality of types of elements having element sizes of 120 × 120 [nm 2 ] to 120 × 300 [nm 2 ] by DC magnetron sputtering. went. In addition, the CPP-GMR manufacturing process is performed at 190 ° C. or lower. In order to prevent the characteristic change in this process, a heat treatment (annealing) is performed at 190 ° C. for 1 hour after film formation. And each Kerr rotation angle when the magnetic field was similarly applied with respect to each produced element was calculated | required. The result is shown in FIG. Note that the film thickness of the Ag spacer remains 6 [nm].
Agスペーサの上に積層されるGdFe膜の膜厚を、それぞれ、7,10,12,15[nm]とした4種類の素子では、GdFe膜の膜厚を大きくしていくと、カー回転角も同様に大きくなった。また、比較例として、Cuスペーサの上に積層されるGdFe膜の膜厚を、それぞれ、7,10,13[nm]とした3種類の素子では、GdFe膜の膜厚を大きくしていくと、カー回転角も同様に大きくなった。これら測定したいずれのGdFe膜厚においても、Agスペーサの磁性多層膜が、Cuスペーサの磁性多層膜と比較して、およそ20%程度大きいカー回転角を示した。これにより、Agスペーサの上のGdFe膜の膜厚を変更した場合であっても、カー回転角が増加する現象が同様に観測されることが分かった。 In the four types of elements in which the film thickness of the GdFe film laminated on the Ag spacer is 7, 10, 12, and 15 [nm], respectively, the Kerr rotation angle increases as the film thickness of the GdFe film increases. Became larger as well. As a comparative example, in the case of three types of elements in which the thickness of the GdFe film stacked on the Cu spacer is 7, 10, and 13 [nm], the thickness of the GdFe film is increased. The car rotation angle has also increased. At any of these measured GdFe film thicknesses, the magnetic multilayer film of the Ag spacer showed a Kerr rotation angle that was about 20% larger than that of the magnetic multilayer film of the Cu spacer. Accordingly, it has been found that even when the thickness of the GdFe film on the Ag spacer is changed, a phenomenon in which the Kerr rotation angle increases is similarly observed.
スペーサ材料を従来のCuからAgに変えた素子構造とすることで、カー回転角が増加する原因はまだ解明されてはいない。実験で作製したGdFeのそれぞれの膜厚は、光の侵入長より小さいものであった。そのため、スペーサ層(AgまたはCu)に到達した光が反射される割合の違いが、カー回転角に影響したのではないかと考えることができる。つまり、Agの反射率がCuの反射率よりも大きいことが、カー回転角が増加した原因ではないかと考えることができる。 The reason why the Kerr rotation angle is increased by changing the spacer material from conventional Cu to Ag has not yet been elucidated. The thickness of each GdFe produced in the experiment was smaller than the light penetration length. Therefore, it can be considered that the difference in the proportion of the light that reaches the spacer layer (Ag or Cu) is influenced by the Kerr rotation angle. That is, it can be considered that the reason why the Kerr rotation angle is increased is that the reflectance of Ag is larger than that of Cu.
<5−3.Ag膜厚を変更したときのカー回転角>
Agの反射率がCuの反射率よりも大きいことが、カー回転角が増加した原因であることを確認するために次の実験を行った。この実験では、Agの膜厚を増加させれば、スペーサ層に到達した光が反射される割合が増加するので、カー回転角が増加するはずであるという仮説をたて、これを検証した。
<5-3. Kerr rotation angle when Ag film thickness is changed>
In order to confirm that the reflectance of Ag is larger than the reflectance of Cu is the cause of the increase in the Kerr rotation angle, the following experiment was performed. In this experiment, a hypothesis that the Kerr rotation angle should increase is verified because the proportion of reflected light that reaches the spacer layer increases as the Ag film thickness is increased.
Ag膜の膜厚を、それぞれ、8,10,15,20[nm]として同様に4種類の磁性多層膜を作製し、アニール前の各試料のカー回転角θkを同様に測定した後、アニール後の各試料のカー回転角θkを同様に測定した。Agの各膜厚に対してカー回転角θkをプロットした実験結果(図中、四角)を図8(a)に示す。なお、図8(a)において、ダイヤは、アニール前(as depo)の試料に対する測定結果を示し、三角は、Cuスペーサの場合の結果を示す。 Similarly, four types of magnetic multilayer films were prepared with the Ag film thickness set to 8, 10, 15, 20 [nm], respectively, and the Kerr rotation angle θ k of each sample before annealing was measured in the same manner. The Kerr rotation angle θ k of each sample after annealing was measured in the same manner. FIG. 8A shows experimental results (squares in the figure) in which the Kerr rotation angle θ k is plotted with respect to each film thickness of Ag. In FIG. 8A, the diamond indicates the measurement result for the sample before annealing (as depo), and the triangle indicates the result in the case of the Cu spacer.
図8(a)に示すように、Agの膜厚を増加させてスペーサ層に到達した光が反射される割合を増加させたとしても、測定されたカー回転角θkの値はほとんど変化しなかった。この実験では、仮説の予想に反した実験結果が得られたので、カー回転角が増加した原因が、Agの大きな反射率に起因したものであると断定することはできない。しかしながら、図8(a)に示す結果に基づいて、図3の構造の磁性多層膜40のAgの膜厚を6〜20[nm]とした光変調素子を作製すれば、従来のCuスペーサを用いた光変調素子よりもカー回転角を増大させることができる。 As shown in FIG. 8 (a), even the light reaching the spacer layer increases the thickness of the Ag increased the percentage to be reflected, the value of the measured Kerr rotation angle theta k is little change There wasn't. In this experiment, an experimental result contrary to the assumption of the hypothesis was obtained, so it cannot be determined that the cause of the increase in the Kerr rotation angle is due to the large reflectance of Ag. However, based on the result shown in FIG. 8 (a), if a light modulation element in which the Ag film thickness of the magnetic multilayer film 40 having the structure of FIG. The Kerr rotation angle can be increased as compared with the light modulation element used.
ところで、従来のGMR膜では、スペーサ層の膜厚は、例えば、偏極スピン電子がスピン偏極を保ったまま通過できる厚さ(2〜30[nm])が好ましいとされている。図8(a)に示すように、作製した4種類のAgスペーサの磁性多層膜では、その膜厚が6〜20[nm]の場合に、カー回転角θkの値がほとんど変化せずに、従来のCuスペーサの場合よりも良好であった。そのため、Agスペーサの磁性多層膜40は、その膜厚が6〜20[nm]の場合に、光変調度を従来よりも向上させることが可能である。 By the way, in the conventional GMR film, the thickness of the spacer layer is preferably a thickness (2 to 30 [nm]) through which polarized spin electrons can pass while maintaining the spin polarization. As shown in FIG. 8A, in the produced magnetic multilayer film of four types of Ag spacers, when the film thickness is 6 to 20 [nm], the value of the Kerr rotation angle θ k hardly changes. It was better than the conventional Cu spacer. Therefore, the magnetic multilayer film 40 of the Ag spacer can improve the degree of light modulation compared to the conventional case when the film thickness is 6 to 20 [nm].
<5−4.Ag膜厚を変更したときの保磁力>
次に、磁性多層膜40の磁気特性として、光変調度に密接に関係したカー回転角θk以外の特性に着眼して、Agの膜厚の好ましい範囲を探索する実験を行った。具体的には、Agの膜厚と、Agスペーサの上のGdFe膜の保磁力Hcとの相関を確かめる実験を行った。
<5-4. Coercive force when Ag film thickness is changed>
Next, as a magnetic characteristic of the magnetic multilayer film 40, an experiment was conducted to search for a preferable range of the Ag film thickness, focusing on characteristics other than the Kerr rotation angle θ k closely related to the degree of light modulation. Specifically, it was performed and the film thickness of Ag, an experiment to ascertain the correlation between the coercive force H c of GdFe film on the Ag spacers.
Ag膜の膜厚を、それぞれ、8,10,15,20[nm]とした4種類の磁性多層膜において、Agスペーサの上のGdFe膜の保磁力Hcをプロットした実験結果(図中、四角)を図8(b)に示す。なお、図8(b)において、ダイヤは、アニール前(as depo)の試料のGdFe膜の保磁力Hcを示し、三角は、Cuスペーサの場合の結果を示す。 The thickness of the Ag film, respectively, 8,10,15,20 in four magnetic multilayer film with [nm], in the experimental results (plotted the coercive force H c of GdFe film on the Ag spacers, Squares are shown in FIG. Incidentally, in FIG. 8 (b), the diamond represents the coercive force H c of GdFe film of the sample before annealing (the as depo), triangles, shows the results when the Cu spacer.
図8(b)に示すように、Agの膜厚が大きくなるにしたがって、GdFe膜の保磁力Hcの値が大きくなった。特に、Agの膜厚が15[nm]を超えると、保磁力Hcの値が著しく大きくなることが分かる。この原因は、Agを厚くすると、Agの表面粗さが増大するためであると考えられる。その検証として、原子間力顕微鏡(AFM:Atomic force microscopy)により、素子の保護層15を介して表面粗さを測定した。Agを厚くしたときに、AgとGdFeとの界面が荒れているために、Ag膜の上に成長したGFeの表面も粗くなり、保護層15の表面粗さが増大した。
As shown in FIG. 8 (b), as the film thickness of Ag is increased, the value of the coercive force H c of GdFe film is increased. In particular, it can be seen that when the Ag film thickness exceeds 15 [nm], the value of the coercive force H c is remarkably increased. This is considered to be because the surface roughness of Ag increases when Ag is thickened. As the verification, the surface roughness was measured through the
GdFe膜はフリー層として機能する磁性膜14であり、磁化反転が容易である必要がある。しかし、保磁力Hcの値が大きいほど、磁化反転が容易ではなくなってしまう。そこで、この磁性多層膜40のAgの膜厚を15[nm]以下とした光変調素子を作製することとする。これにより、GdFe膜の保磁力の上昇を抑制し、軟磁気特性の劣化を防ぐことができる。また、このように作製した光変調素子は、GdFe膜の磁化方向が容易に反転(回転)するため、所要磁化反転電流を下げることができる。
また、スピン注入によってフリー層の磁化反転を行うというスピン注入磁化反転では、スペーサ層が厚くなればなるほど、偏極スピン電子がそのままのスピンを維持したままフリー層に到達することが容易ではなくなるので、スピン注入効率が悪くなる。
このことから、Agの膜厚は、Agスペーサの下に位置するピンド層である磁性膜12との結合が切れる範囲でなるべく薄い方がよく、6[nm]以上15[nm]以下が望ましい。
The GdFe film is a
Also, in spin injection magnetization reversal, in which the magnetization of the free layer is reversed by spin injection, the thicker the spacer layer, the easier it is for polarized spin electrons to reach the free layer while maintaining the same spin. The spin injection efficiency is deteriorated.
For this reason, the Ag film thickness is preferably as thin as possible within a range where the bond with the
<5−5.Agスペーサの素子のMR特性>
次に、Agスペーサの素子において、スピン注入磁化反転に重要な要因であるMR特性(磁気抵抗変化)を調べた。具体的には、Agスペーサの素子において、Agの膜厚は6[nm]のままにして、素子サイズA(AAg)が約0.015〜0.048[μm2]の数十種類のCPP-GMR素子を同様に作製し、各素子のMR比を測定した。そして、各素子におよそ−3000[Oe]〜3000[Oe]の範囲で磁界を変化させて印加したときに、抵抗R(RAg)の変化を測定し、その抵抗変化からMR比を算出した。その結果を図9(a)に示す。
<5-5. MR characteristics of Ag spacer element>
Next, in the Ag spacer element, MR characteristics (magnetoresistive change), which is an important factor for spin injection magnetization reversal, were examined. Specifically, in the element of the Ag spacer, the film thickness of Ag is kept at 6 [nm], and the element size A (A Ag ) is several tens of kinds of about 0.015 to 0.048 [μm 2 ]. CPP-GMR elements were produced in the same manner, and the MR ratio of each element was measured. When a magnetic field was changed and applied to each element in a range of about −3000 [Oe] to 3000 [Oe], the change in resistance R (R Ag ) was measured, and the MR ratio was calculated from the change in resistance. . The result is shown in FIG.
比較として、Cuスペーサの磁性多層膜(以下、Cuスペーサの素子という)において、Cuの膜厚は6[nm]のままにして、素子サイズA(ACu)が約0.009〜0.0245[μm2]の数十種類のCPP-GMR素子を同様に作製し、抵抗R(RCu)の変化を測定し、各素子のMR比を測定した。その結果を図9(b)に示す。 As a comparison, in a magnetic multilayer film of Cu spacer (hereinafter referred to as an element of Cu spacer), the film thickness of Cu remains 6 [nm], and the element size A (A Cu ) is about 0.009 to 0.0245. Dozens of CPP-GMR elements of [μm 2 ] were similarly manufactured, the change in resistance R (R Cu ) was measured, and the MR ratio of each element was measured. The result is shown in FIG.
Agスペーサの素子とCuスペーサの素子についての図9(a)および図9(b)の全試料を比較する前に、全試料の中から一例として選択した、Agスペーサの素子とCuスペーサの素子の概ね同程度の面積のサンプルのMR特性について比較する。 Before comparing all the samples of FIG. 9 (a) and FIG. 9 (b) for the Ag spacer element and the Cu spacer element, the Ag spacer element and the Cu spacer element selected as an example from all the samples. The MR characteristics of samples having substantially the same area are compared.
選択したAgスペーサの素子の素子サイズAAgは、118[nm]×127[nm]=0.0150[μm2]である。Cuスペーサの素子の素子サイズACuは、94[nm]×152[nm]=0.0143[μm2]である。また、選択したAgスペーサの素子において抵抗RAgの最小値は4.5508[Ω]であり、Cuスペーサの素子において抵抗RCuの最小値は4.4937[Ω]であった。つまり、選択したAgスペーサの素子と、Cuスペーサの素子とは、面積抵抗RA[Ωμm2]が、ほぼ同程度である。 The element size A Ag of the element of the selected Ag spacer is 118 [nm] × 127 [nm] = 0.150 [μm 2 ]. The element size A Cu of the element of the Cu spacer is 94 [nm] × 152 [nm] = 0.0143 [μm 2 ]. In the selected Ag spacer element, the minimum resistance R Ag was 4.5508 [Ω], and in the Cu spacer element, the minimum resistance R Cu was 4.4937 [Ω]. That is, the selected Ag spacer element and the Cu spacer element have approximately the same area resistance RA [Ωμm 2 ].
このとき測定された抵抗変化を図10(a)および図10(b)にそれぞれ示す。図10(a)および図10(b)のグラフにおいて、横軸は磁界[Oe]を示し、縦軸は抵抗[Ω]を示す。なお、図10(a)および図10(b)のグラフを比較し易いように、グラフの縦軸のスケールを揃えたので、横軸のスケールは異なっている。両グラフから一目瞭然のように、Agスペーサの素子のMR比は、Cuスペーサの素子の場合の約2倍であった。 The resistance changes measured at this time are shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b), respectively. In the graphs of FIGS. 10A and 10B, the horizontal axis represents the magnetic field [Oe], and the vertical axis represents the resistance [Ω]. Since the scales of the vertical axes of the graphs are aligned so that the graphs of FIGS. 10A and 10B can be easily compared, the scales of the horizontal axes are different. As is obvious from both graphs, the MR ratio of the Ag spacer element was about twice that of the Cu spacer element.
詳細には、図10(a)に示すように、この選択したAgスペーサの素子の抵抗の最小値は、4.5508[Ω]であり、その抵抗の最大値は、4.5802[Ω]であった。Agスペーサの素子のMR比は、最小値に対する、これら最大値と最小値との差分の割合から求められ、0.1421[%]であった。 Specifically, as shown in FIG. 10A, the minimum resistance value of the selected Ag spacer element is 4.5508 [Ω], and the maximum resistance value is 4.5802 [Ω]. Met. The MR ratio of the Ag spacer element was determined from the ratio of the difference between the maximum value and the minimum value with respect to the minimum value, and was 0.1421 [%].
また、図10(b)に示すように、この選択したCuスペーサの素子の抵抗の最小値は、4.4937[Ω]であり、その抵抗の最大値は、4.4972[Ω]であった。よって、Cuスペーサの素子のMR比は、0.0774[%]であった。 As shown in FIG. 10B, the minimum resistance value of the selected Cu spacer element is 4.4937 [Ω], and the maximum resistance value is 4.4972 [Ω]. It was. Therefore, the MR ratio of the Cu spacer element was 0.0774 [%].
前記したように、Agスペーサの素子とCuスペーサの素子とは、面積抵抗RA[Ωμm2]がほぼ同程度であるため、素子の抵抗として、形状に起因するような特性の変化は無いはずであり、このようにMR比が2倍に向上した理由は、材料に起因する。 As described above, the element of the Ag spacer and the element of the Cu spacer have almost the same area resistance RA [Ωμm 2 ], and therefore there should be no change in characteristics as the element resistance due to the shape. There is a reason why the MR ratio is improved by a factor of 2 in this way.
次に、図9(a)および図9(b)を参照して、Agスペーサの素子とCuスペーサの素子についての全試料を比較する。図9(a)に示すように、Agスペーサの数十種類の素子は、素子サイズA(AAg)が約0.015[μm2]のグループと、約0.03[μm2]のグループと、約0.034[μm2]のグループと、約0.048[μm2]のグループに大別される。すべてのグループは、MR比が0.1〜0.16[%]の範囲に含まれ、多くのAgスペーサの素子は、MR比が0.13〜0.14[%]の範囲に含まれている。 Next, referring to FIG. 9A and FIG. 9B, all samples of the Ag spacer element and the Cu spacer element are compared. As shown in FIG. 9 (a), several tens of types of Ag spacer elements include groups having an element size A (A Ag ) of about 0.015 [μm 2 ] and groups of about 0.03 [μm 2 ]. And a group of about 0.034 [μm 2 ] and a group of about 0.048 [μm 2 ]. All groups are included in the MR ratio range of 0.1 to 0.16 [%], and many Ag spacer elements are included in the MR ratio range of 0.13 to 0.14 [%]. ing.
一方、図9(b)に示すように、Cuスペーサの数十種類の素子は、素子サイズA(ACu)が約0.009[μm2]のグループと、約0.0143[μm2]のグループと、約0.022[μm2]のグループと、約0.0245[μm2]のグループに大別される。すべてのグループは、MR比が0.04〜0.1[%]の範囲に含まれ、多くのCuスペーサの素子は、MR比が0.07〜0.08[%]の範囲に含まれている。 On the other hand, as shown in FIG. 9B, the tens of kinds of elements of the Cu spacer include a group having an element size A (A Cu ) of about 0.009 [μm 2 ] and about 0.0143 [μm 2 ]. , A group of about 0.022 [μm 2 ], and a group of about 0.0245 [μm 2 ]. All groups are included in the MR ratio range of 0.04 to 0.1 [%], and many Cu spacer elements are included in the MR ratio range of 0.07 to 0.08 [%]. ing.
図9(a)および図9(b)に示す結果から、Agスペーサの素子の方が、MR比はおよそ2倍程度大きくなることが分かった。つまり、スペーサ材料を従来のCuからAgに変えた素子構造とすることで、カー回転角が増加するだけではなく、MR比が約2倍に増加することが分かった。 From the results shown in FIGS. 9A and 9B, it was found that the MR ratio of the element of the Ag spacer is about twice as large. In other words, it has been found that by using an element structure in which the spacer material is changed from conventional Cu to Ag, not only the Kerr rotation angle is increased, but also the MR ratio is increased about twice.
このうち、スペーサ材料をAgに変えることでMR比が約2倍に増加する現象が生じた原因は、AgとGdFeとの界面が急峻になったことが原因の1つであると考えられる。図10を参照して比較したように、Agスペーサの素子とCuスペーサの素子とが面積抵抗RAがほぼ同程度のときに、MR比が約2倍に増加していることから、スピン依存散乱が増加したことも原因の1つであると考えられる。 Among them, the cause of the phenomenon that the MR ratio is increased approximately twice by changing the spacer material to Ag is considered to be one of the causes that the interface between Ag and GdFe becomes steep. As compared with reference to FIG. 10, when the area resistance RA of the element of the Ag spacer and the element of the Cu spacer are approximately the same, the MR ratio is increased by a factor of about 2, so that the spin-dependent scattering. One of the causes is considered to be an increase in
<5−6.Agスペーサの素子のスピン注入磁化反転>
次に、スペーサ材料を従来のCuからAgに変えた素子構造としたとしても、従来のCuスペーサの素子のようにスピン注入磁化反転ができることを確かめる実験を行った。このとき選択したAgスペーサの素子は、Agの膜厚が6[nm]であり、素子サイズAAgが、118[nm]×127[nm]=0.0150[μm2]である。この素子に、外部から、およそ−2000[Oe]〜2000[Oe]の範囲で磁界を変化させて印加したときに、抵抗R(RAg)の変化を測定した。その結果を図11(a)に示す。図11(a)のグラフにおいて、横軸は磁界[Oe]を示し、縦軸は抵抗[Ω]を示す。
<5-6. Spin transfer magnetization reversal of Ag spacer element>
Next, an experiment was conducted to confirm that spin injection magnetization reversal was possible as in the conventional Cu spacer element even if the element structure was changed from conventional Cu to Ag. The element of the Ag spacer selected at this time has an Ag film thickness of 6 [nm] and an element size A Ag of 118 [nm] × 127 [nm] = 0.150 [μm 2 ]. The resistance R (R Ag ) was measured when an external magnetic field was applied to the device while changing the magnetic field in a range of about −2000 [Oe] to 2000 [Oe]. The result is shown in FIG. In the graph of FIG. 11A, the horizontal axis indicates the magnetic field [Oe], and the vertical axis indicates the resistance [Ω].
また、図11(b)は、この素子に、パルス幅10[μs]のパルス電流(スピン注入電流)を印加したときの、電流の大きさと、そのときの素子の抵抗値の関係を表したグラフである。図11(b)のグラフにおいて、横軸はスピン注入電流[mA]を示し、縦軸は抵抗[Ω]を示す。図11(a)および図11(b)のグラフを比較し易いように、グラフの縦軸のスケールを揃えた。両グラフから一目瞭然のように、外部磁界を印加したことによる磁気抵抗変化と、スピン電流を注入したことによる磁気抵抗変化とは、ほぼ同じ抵抗変化となっている。つまり、Agスペーサを用いたCPP-GMR素子において、スピン注入によってフリー層の磁化方向が反転していることが分かる。つまり、スペーサ材料を従来のCuからAgに変えた素子構造としたとしても、従来のCuスペーサの素子のようにスピン注入磁化反転ができることを確かめることができた。このことから、Agスペーサを用いた光変調素子にスピン注入することで、フリー層の磁化方向を反転させ、入射光を変調することができる。そして、この場合、Agスペーサの素子は、Cuスペーサの素子よりも、カー回転角が増大する。したがって、Agスペーサを用いた光変調素子は、従来よりも光変調度を向上させることが可能である。 FIG. 11B shows the relationship between the magnitude of current when a pulse current (spin injection current) having a pulse width of 10 [μs] is applied to this element and the resistance value of the element at that time. It is a graph. In the graph of FIG. 11B, the horizontal axis indicates the spin injection current [mA], and the vertical axis indicates the resistance [Ω]. In order to make it easy to compare the graphs of FIG. 11A and FIG. As is clear from both graphs, the magnetoresistance change caused by applying an external magnetic field and the magnetoresistance change caused by injecting a spin current are almost the same resistance change. That is, it can be seen that in the CPP-GMR element using the Ag spacer, the magnetization direction of the free layer is reversed by spin injection. That is, even if the element structure is changed from the conventional Cu to Ag, the spin injection magnetization reversal can be confirmed as in the conventional Cu spacer element. From this, spin injection into a light modulation element using an Ag spacer can invert the magnetization direction of the free layer and modulate incident light. In this case, the Kerr rotation angle of the Ag spacer element is larger than that of the Cu spacer element. Therefore, the light modulation element using the Ag spacer can improve the light modulation degree as compared with the prior art.
[6.空間光変調器の動作例]
ここでは、空間光変調器の動作例を、6−1.明暗状態の割当、6−2.明暗の中間状態の割当、6−3.スピン注入時間反転動作の各節に分けて説明する。
[6. Example of spatial light modulator operation]
Here, an example of the operation of the spatial light modulator is described in 6-1. Assignment of light / dark state, 6-2. Assignment of light and dark intermediate states, 6-3. This will be described in each section of the spin injection time reversal operation.
<6−1.明暗状態の割当>
次に、本実施形態の空間光変調器1の動作について、図12を参照して説明する。ここでは、説明を簡単にするために、空間光変調器1は、1つの画素に1つの光変調素子10を有し、また、1つの画素のみを備えているものとして説明する。図12は、図2に示した光変調素子10の動作を模式的に示す説明図であって、(a)は初期状態、(b)は反転状態をそれぞれ示している。ただし、図12では、空間光変調器1の動作の概念を分かり易く示すことを主眼としているため、光変調素子10の保護層や下地層を図示していない。
<6-1. Assignment of light and dark state>
Next, the operation of the spatial
前提として、光変調素子10の磁性膜12は、磁化方向が所定方向(図では模式的に上方向の矢印で示す)に固定されている。また、磁性膜14は、初期状態では、図12(a)に示すように、例えば、磁化方向が磁性膜12における向きと反対方向(図では模式的に下方向の矢印で示す)に予め揃えられている。
As a premise, the magnetization direction of the
レーザ光源21から照射された光は、様々な偏光成分を含んでいるが、偏光フィルタ22によって、ある方向の偏光成分だけを含むようにフィルタリングされる。このフィルタリングされた光は、上部電極5の孔部6に設けられた透明電極7を介して光変調素子10の内部に入射し、この光変調素子10によって所定方向に反射される。なお、この所定方向には、スクリーン24が配置される。
The light emitted from the
図12(a)に示す初期状態では、例えば、電流源9aは電流を流していない。あるいは、電流源9aは、電流を下部電極3から、磁性膜12,14および非磁性膜13を介して上部電極5(金属電極部および透明電極7)に向かう方向に流している。この初期状態では、反射光は、磁性膜14の磁化方向(図では模式的に下方向の矢印で示す)に従って偏光面を変えることがない。つまり、反射光は入射光と同じ偏光成分を有しており、偏光フィルタ23(偏光フィルタ22と同特性)を透過して、スクリーン24に到達して表示される。その結果、スクリーン24には、明るい映像が表示されることとなる。
In the initial state shown in FIG. 12A, for example, the
一方、図12(b)に示す反転状態では、例えば、電流源9aは電流を流している。あるいは、電流源9aは、電流を上部電極5(金属電極部および透明電極7)から、磁性膜12,14および非磁性膜13を介して下部電極3に向かう方向に流している。この電流によって、磁性膜12から非磁性膜13を介して磁性膜14へ電子がスピンを保ったまま注入されるため、磁性膜14の磁化方向は、磁性膜12と同じ向き(図では模式的に上方向の矢印で示す)となるように回転(反転)する。この反転状態では、反射光は、磁性膜14の磁化方向(図では模式的に上方向の矢印で示す)に従って磁気光学的カー効果により偏光面が回転する。つまり、反射光は入射光とは異なる偏光成分を有し、偏光フィルタ23を透過しないので、スクリーン24に到達できない。その結果、スクリーン24は暗くなることとなる。
On the other hand, in the inversion state shown in FIG. 12B, for example, the
<6−2.明暗の中間状態の割当>
以上の空間光変調器1の動作は、1つの光変調素子10の動作として説明したが、1つの画素に2つの光変調素子10を有する場合は、同様に明暗状態を割り当てることができると共に、隣り合う光変調素子同士で磁気的な影響を与え合うために、その中間状態(明るさが弱い状態)を実現することができる。これについて図4を参照して説明する。
<6-2. Assignment of light and dark intermediate state>
The above-described operation of the spatial
前提として、磁性多層膜4a,4b,4c,4dの各磁性膜12は、磁化方向が所定方向(図では模式的に上方向の矢印で示す)に固定されているとする。また、各磁性膜14は、初期状態では、例えば、磁化方向が磁性膜12における向きと反対方向に予め揃えられているものとする。つまり、初期状態では、1つの画素に対応した透明電極7aの下の磁性多層膜4a,4bのように、2素子とも反平行(AP:anti parallel)であるものとする。このとき、反転状態では、図示は省略するが、各磁性膜14は、例えば、磁化方向が磁性膜12における向きと同じ方向、つまり、2素子とも平行(P:parallel)となる。
As a premise, the magnetization directions of the
一方、中間状態では、1つの画素に対応した透明電極7bの下の磁性多層膜4c,4dのように、一方がAP、他方がPの状態で安定になることがある。電流の大きさを変化させて供給することで、画素内のすべての光変調素子を磁化反転させたり、一部の光変調素子のみ磁化反転させたりすることができる。
On the other hand, in the intermediate state, as in the
<6−3.スピン注入時間反転動作>
空間光変調器1の光変調素子10における磁性膜14の反転動作は、例えば、図1に示すように、上部電極5に孔部6を設けて当該孔部6に透明電極7を充填することにより実現できる。空間光変調器1では、上部電極全体を透明電極材料で形成した場合と比べて、光変調素子においてカー効果による磁化方向の反転(回転)が起こり易くなる。つまり、光変調の高速応答が可能となる。
<6-3. Spin injection time reversal operation>
The inversion operation of the
このように孔部6に透明電極7を配置するのは、電極の電気抵抗を下げることで、所要電圧を下げ、また高周波(短パルス)での駆動をやり易くする効果が顕著であるからである。また、上部電極5の孔部6以外の金属電極部は、透明電極7と比較して比抵抗が非常に小さいので、上部電極5と下部電極3とが対向する領域に配置された各画素に電流が行き渡り易くなる。このような構成によれば、仮に、上部電極5の全体が透明電極7で形成された場合と比較すると、例えば、9桁ほど大きな電流密度の電流を流すことができるので、光変調素子10に対してスピン注入することが可能となる。その結果、空間光変調器1は、スピン注入によって光変調素子を磁化反転させる構造とすることによって、画素サイズが微細化されると共に、光変調の高速応答が可能となる。
The reason why the
以上説明したように、本実施形態によれば、光変調素子10は、スペーサ材料を従来のCuからAgに変えた素子構造にしたことで、磁気光学効果としてカー回転角を増大させることができる。その結果、変調度を改善できる。さらに、光変調素子10は、MR比が従来に比べて約2倍に増加するので、磁化反転層が磁化反転し易くなる。
As described above, according to this embodiment, the
また、本実施形態によれば、空間光変調器1は、Agスペーサの素子をマトリクス状に配置したので、変調度を高めることができる。また、空間光変調器1は、上部電極5の一部に透明電極7を充填したので、画素サイズが微細化されると共に、光変調の高速応答が可能となる。また、空間光変調器1は、1画素内に、Agスペーサの素子を複数設けたので、Agスペーサの素子の磁化状態を、明暗およびその中間状態に割り当てることで、階調表示を実現できる。さらに、空間光変調器1は、選択された光変調素子に対して、スピン分極された電子を注入するので、光変調素子の状態変化に要する時間を短縮することができる。
Further, according to the present embodiment, the spatial
以上、本実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、光変調素子を構成する磁性多層膜の磁性膜12を2層構造としたが、1層でもよいし、3層以上でもよい。例えば、ピンド層が1層の場合には、TbFeCo膜だけを用いてもよい。また、ピンド層が2層の場合には、その組み合わせは、TbFeCo膜とCoFe膜とに限定されるものではない。
As mentioned above, although this invention was demonstrated based on this embodiment, this invention is not limited to this. For example, although the
また、光変調素子を構成する磁性多層膜の磁性膜14をGdFeとしたが、材料はこれに限定されず、例えば、MnBiでもよい。
また、例えば、磁性膜12,14は、それぞれ多層構造を有するものでもよい。例えば、Coからなる層と、Ptからなる層とを交互に5層ずつ積層した構成の多層構造、または、Coからなる層と、Pdからなる層とを交互に5層ずつ積層した構成の多層構造などでもよい。
また、図面に示した構成要素等の厚みや長さは、配置を明確に説明するために誇張して示してあるので、これに限定されるものではない。
Moreover, although the
For example, the
Further, the thickness and length of the constituent elements and the like shown in the drawings are exaggerated for clearly explaining the arrangement, and are not limited thereto.
本発明は、ホログラフィー等の画像露光装置、ディスプレイ技術や記録技術、光コンピューティングに関連した技術分野に好適に適用されうる。 The present invention can be suitably applied to technical fields related to image exposure apparatuses such as holography, display technology, recording technology, and optical computing.
1 空間光変調器
2 基板
3(3a,3b) 下部電極
4 磁性多層膜
40 磁性多層膜
41 磁性多層膜
140 磁性多層膜
5(5a〜5d) 上部電極
6(6a,6b) 孔部
7(7a,7b) 透明電極
8 絶縁部材
9 画素選択機構
9a 電流源
10 光変調素子
11 下地層
12 磁性膜(ピンド層)
13 非磁性膜(スペーサ層)
14 磁性膜(フリー層)
15 保護層(キャップ層)
WB 下部電極の幅
WT 上部電極の幅
LH 孔部の長さ
DESCRIPTION OF
13 Non-magnetic film (spacer layer)
14 Magnetic film (free layer)
15 Protective layer (cap layer)
W B Lower electrode width W T Upper electrode width L H Hole length
Claims (7)
前記磁性多層膜は、
前記非磁性膜が、膜厚6nm以上20nm以下のAgからなることを特徴とする光変調素子。 A magnetic layer in which a magnetization fixed layer including one or more magnetic films, an intermediate layer made of a nonmagnetic film, and a magnetization switching layer including one or more magnetic films arranged on the light incident side are laminated in this order. A multilayer film, and a transparent electrode on the magnetization reversal layer side and a metal electrode on the magnetization pinned layer side for allowing a current to flow through the magnetic multilayer film, and the light incident on the magnetic multilayer film via the transparent electrode In the light modulation element to modulate,
The magnetic multilayer film is
The light modulation element, wherein the nonmagnetic film is made of Ag having a thickness of 6 nm to 20 nm.
前記磁化反転層および前記磁化固定層に含まれる磁性膜が、垂直磁気異方性を有する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。 The magnetic multilayer film is
3. The light modulation element according to claim 1, wherein the magnetic films included in the magnetization switching layer and the magnetization fixed layer are made of a magnetic material having perpendicular magnetic anisotropy.
前記磁化反転層に含まれる磁性膜が、GdFeから形成され、
前記磁化固定層が、TbFeCo膜と、このTbFeCo膜に積層されて前記非磁性膜に接触したCoFe膜とを含むことを特徴とする請求項3に記載の光変調素子。 The magnetic multilayer film is
A magnetic film included in the magnetization switching layer is formed of GdFe;
The light modulation element according to claim 3, wherein the magnetization fixed layer includes a TbFeCo film and a CoFe film stacked on the TbFeCo film and in contact with the nonmagnetic film.
前記マトリクスの行方向および列方向のうちの一方向に並べられた各光変調素子に共通となるように延設された複数の下部電極と、
前記マトリクスの行方向および列方向のうちの他方向に並べられた各光変調素子に共通となるように延設されると共に前記下部電極の配設間隔と同じ間隔で複数の貫通孔が設けられた複数の上部金属電極とを備え、
前記光変調素子の前記基板側の金属電極は、前記下部電極を構成し、
前記光変調素子の前記入射光側の透明電極は、前記上部金属電極に設けられた貫通孔に充填されて形成されている、
ことを特徴とする空間光変調器。 A spatial light modulator configured by arranging the light modulation elements according to any one of claims 1 to 4 in a matrix,
A plurality of lower electrodes extended so as to be common to the light modulation elements arranged in one of the row direction and the column direction of the matrix;
A plurality of through-holes are provided so as to be common to the light modulation elements arranged in the other direction of the matrix in the row direction and the column direction, and at the same intervals as the lower electrodes. A plurality of upper metal electrodes,
The metal electrode on the substrate side of the light modulation element constitutes the lower electrode,
The transparent electrode on the incident light side of the light modulation element is formed by being filled in a through hole provided in the upper metal electrode.
A spatial light modulator characterized by that.
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