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JP2012230143A - Spin injection type magnetization inversion element, optical modulation element and spatial light modulator - Google Patents

Spin injection type magnetization inversion element, optical modulation element and spatial light modulator Download PDF

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JP2012230143A
JP2012230143A JP2011096612A JP2011096612A JP2012230143A JP 2012230143 A JP2012230143 A JP 2012230143A JP 2011096612 A JP2011096612 A JP 2011096612A JP 2011096612 A JP2011096612 A JP 2011096612A JP 2012230143 A JP2012230143 A JP 2012230143A
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magnetization
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light modulation
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JP2011096612A
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Kenji Machida
賢司 町田
Kenichi Aoshima
賢一 青島
Nobuhiko Funabashi
信彦 船橋
Atsushi Kuga
淳 久我
Hiroshi Kikuchi
宏 菊池
Naoki Shimizu
直樹 清水
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Japan Broadcasting Corp
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Nippon Hoso Kyokai NHK
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve an orientation of an MgO (001) surface in an intermediate layer of a spin injection type magnetization inversion element.SOLUTION: An optical modulation element (spin injection type magnetism inversion element) 5 includes a tunnel magnetic resistance type spin injection type magnetization inversion element structure in which a magnetization fixing layer 51 indicating vertical magnetic anisotropy, an intermediate layer 52 composed of MgO and a magnetism free layer 53 indicating vertical magnetic anisotropy are laminated in the order. The magnetization direction of the magnetization free layer 53 is changed by supplying a current through a pair of electrodes 2, 3 arranged on the upper and lower portions of the spin injection type magnetization inversion element structure, and incident light is exited by changing the polarization direction of the incident light. The magnetization free layer 53 is configured by laminating an interface layer 53b composed of a transition metal or alloy containing the transition metal, a buffer layer 53c composed of a Ta film or a Ru film and a main layer 53a to be a magnetic layer whose magnetization direction is inverted in the order.

Description

本発明は、スピン注入により磁化方向を反転するスピン注入型磁化反転素子、そのスピン注入型磁化反転素子に入射した光を磁気光学効果により光の位相や振幅などを空間的に変調して出射する空間光変調器に用いる光変調素子、およびこれを用いた空間光変調器に関する。   The present invention relates to a spin-injection magnetization reversal element that reverses the magnetization direction by spin injection, and emits light incident on the spin-injection magnetization reversal element by spatially modulating the phase and amplitude of the light by the magneto-optic effect. The present invention relates to a light modulation element used in a spatial light modulator and a spatial light modulator using the same.

空間光変調器は、画素として光変調素子を用い、これを2次元アレイ状に配列して光の位相や振幅などを空間的に変調するものであって、ホログラフィ装置などの露光装置、ディスプレイ技術、記録技術など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、従来から液晶が用いられ、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。このため、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。   A spatial light modulator uses a light modulation element as a pixel and arranges it in a two-dimensional array to spatially modulate the phase and amplitude of the light. Widely used in fields such as recording technology. In addition, since optical information can be processed in two dimensions in parallel, its application to optical information processing technology is also being studied. Conventionally, liquid crystal has been used as a spatial light modulator, and has been widely used as a display device. However, for holography and optical information processing, response speed and pixel high definition are insufficient. For this reason, in recent years, development of a magneto-optical spatial light modulator using a magneto-optical material that is expected to be capable of high-speed processing and pixel miniaturization is in progress.

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(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。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方法の他に、近年では光変調素子にスピンを注入する方法がある。   In a magneto-optical spatial light modulator (hereinafter referred to as a spatial light modulator), when light incident on a magneto-optical material, that is, a magnetic material is transmitted, reflected, or diffracted, the direction of polarization is changed (rotation) and emitted. The Faraday effect (the Kerr effect in the case of reflection) is used. That is, assuming that the magnetization direction of the light modulation element in the selected pixel (selected pixel) is different from the magnetization direction of the light modulation element in the other pixel (non-selected pixel), the light emitted from the selected pixel and the non-selected pixel The emitted light causes a difference in the rotation angle (rotation angle) of the polarized light. As a method of changing the magnetization direction of the light modulation element, there is a method of injecting spin into the light modulation element in recent years in addition to a method of applying a magnetic field to the light modulation element.

画素毎の光変調素子にスピンを注入する場合は、CPP−GMR(Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance:垂直通電型巨大磁気抵抗効果)素子などのスピン注入型磁化反転素子(非特許文献1)を光変調素子として、この光変調素子の上下に一対の電極を接続して膜面に垂直に電流を供給する。なお、このような光変調素子(スピン注入型磁化反転素子)は、一旦、所定の大きさおよび向きの電流を供給されれば、逆向きの電流が供給されるまで磁化方向は保持されるため、上側と下側にそれぞれ縦、横に帯状の電極を格子状に配置することで、画素毎の光変調素子に個別に磁化方向を変化させる電流を供給することができる。また、このように、スピン注入による磁気光学式の空間光変調器においては、光変調素子の上および下に電極を配置するため、インジウム亜鉛酸化物(Indium Zinc Oxide:IZO)などの透明電極材料を使用して、光が電極を透過して光変調素子に入射するように構成される。   When injecting spin into the light modulation element for each pixel, a spin injection type magnetization reversal element (Non-Patent Document 1) such as a CPP-GMR (Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance) element is used. As a light modulation element, a pair of electrodes are connected to the top and bottom of the light modulation element to supply a current perpendicular to the film surface. Such a light modulation element (spin-injection type magnetization reversal element), once supplied with a current having a predetermined magnitude and direction, maintains the magnetization direction until a reverse current is supplied. By arranging strip-like electrodes vertically and horizontally on the upper side and the lower side, respectively, a current for changing the magnetization direction can be supplied to the light modulation element for each pixel. Further, in this way, in the magneto-optical spatial light modulator by spin injection, since electrodes are arranged above and below the light modulation element, a transparent electrode material such as indium zinc oxide (IZO) is used. The light is transmitted through the electrode and is incident on the light modulation element.

このようなスピン注入型光変調素子では、光変調層における磁気光学効果の性能(ファラデー回転角、カー回転角)を向上させるため、薄い膜でも大きな磁気光学効果が得られる遷移金属および貴金属からなる多層膜を光変調層に用いた素子が提案されている(例えば、特許文献1、2)。特許文献1では、Co/Pt多層膜、特許文献2では、Co/Pd多層膜を用いたスピン注入型光変調素子がそれぞれ開示されている。また、特許文献1、2には、スピン注入型光変調素子の駆動電流を低減するために、非磁性中間層としてMgOなどの絶縁性材料からなるトンネル障壁層を用いたTMR(Tunnel MagnetoResistance:トンネル磁気抵抗)型構造が開示されている。   In such a spin-injection type light modulation device, in order to improve the performance (Faraday rotation angle, Kerr rotation angle) of the magneto-optical effect in the light modulation layer, it is made of a transition metal and a noble metal that can provide a large magneto-optical effect even with a thin film. An element using a multilayer film as a light modulation layer has been proposed (for example, Patent Documents 1 and 2). Patent Document 1 discloses a Co / Pt multilayer film, and Patent Document 2 discloses a spin injection light modulation element using a Co / Pd multilayer film. Patent Documents 1 and 2 describe a TMR (Tunnel MagnetoResistance) using a tunnel barrier layer made of an insulating material such as MgO as a nonmagnetic intermediate layer in order to reduce the drive current of a spin injection type optical modulation element. A magnetoresistive type structure is disclosed.

ここで、図7を参照して、特許文献1、2に記載された従来技術におけるTMR型構造のスピン注入型磁化反転素子である光変調素子の構造について説明する。図7は、従来技術における光変調素子の構成を模式的に示す断面図である。   Here, with reference to FIG. 7, the structure of the light modulation element which is a spin injection type magnetization reversal element of the TMR type structure in the prior art described in Patent Documents 1 and 2 will be described. FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a light modulation element in the prior art.

従来技術における光変調素子105は、図7に示すように、磁化固定層151、中間層152、磁化自由層153、保護層154の順に積層された構成であり、一対の電極である上部電極102と下部電極103とに上下で接続されて、膜面に垂直に電流が供給される。光変調素子105は、磁化方向が一方向に固定された磁化固定層151および磁化方向が反転可能な磁化自由層153を、トンネル障壁層である絶縁材料からなる中間層152を挟んで備えたTMR型のスピン注入型磁化反転素子である。また、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154が設けられている。さらに、上部電極102と下部電極103とに挟まれた光変調素子105の外周には、絶縁部材106が充填されている。   As shown in FIG. 7, the light modulation element 105 in the prior art has a configuration in which a magnetization fixed layer 151, an intermediate layer 152, a magnetization free layer 153, and a protective layer 154 are stacked in this order, and the upper electrode 102 that is a pair of electrodes. And the lower electrode 103 are connected in the vertical direction, and a current is supplied perpendicular to the film surface. The light modulation element 105 includes a magnetization fixed layer 151 whose magnetization direction is fixed in one direction and a magnetization free layer 153 whose magnetization direction can be reversed, with an intermediate layer 152 made of an insulating material as a tunnel barrier layer interposed therebetween. Type spin injection type magnetization reversal element. Further, in order to protect these layers from damage in the manufacturing process, a protective layer 154 is provided as the uppermost layer. Further, the outer periphery of the light modulation element 105 sandwiched between the upper electrode 102 and the lower electrode 103 is filled with an insulating member 106.

磁化固定層151は、Coなどの磁性金属の単層膜またはCoなどの磁性金属とPd、Ptなどの非磁性金属とを交互に積層した多層膜からなる主層151aと、中間層に接するFe、Co、Niなどの遷移金属を含む第1界面層151bと、から構成される。   The magnetization fixed layer 151 includes a main layer 151a composed of a single layer film of a magnetic metal such as Co or a multilayer film in which a magnetic metal such as Co and a nonmagnetic metal such as Pd and Pt are alternately stacked, and an Fe layer in contact with the intermediate layer. , A first interface layer 151b containing a transition metal such as Co or Ni.

磁化自由層153は、磁性金属であるCoからなる磁性金属膜153a1と非磁性金属であるPdまたはPtなどからなる非磁性金属膜153a2とを交互に積層してなる多層膜からなる主層153aと、中間層152に接するFe、Co、Niなどの遷移金属を含む第2界面層153bと、から構成される。   The magnetization free layer 153 includes a main layer 153a made of a multilayer film in which magnetic metal films 153a1 made of Co, which is a magnetic metal, and nonmagnetic metal films 153a2, made of a nonmagnetic metal, such as Pd or Pt, are alternately stacked. , And a second interface layer 153b containing a transition metal such as Fe, Co, or Ni in contact with the intermediate layer 152.

中間層152は、MgO(マグネシア)などの絶縁性材料からなるトンネル障壁層であり、磁化固定層151および磁化自由層153とともに、TMR型素子を構成する。
ここで、前記した遷移金属を含む第1界面層151bおよび第2界面層153bと、中間層152を構成するMgOの(001)面配向した結晶とを組み合わせて、光変調素子105にコヒーレントなトンネル電流を流すことで、光変調素子105の駆動電流を低減することができる。
The intermediate layer 152 is a tunnel barrier layer made of an insulating material such as MgO (magnesia), and constitutes a TMR element together with the magnetization fixed layer 151 and the magnetization free layer 153.
Here, the first interfacial layer 151b and the second interfacial layer 153b containing the transition metal described above and the (001) -oriented crystal of MgO constituting the intermediate layer 152 are combined to form a coherent tunnel in the light modulation element 105. By flowing the current, the drive current of the light modulation element 105 can be reduced.

特開2010−60586号公報JP 2010-60586 A 特開2011−2522号公報JP 2011-2522 A

K. Aoshima et. al, “Spin transfer switching in current-perpendicular-to-plane spin valve observed by magneto-optical Kerr effect using visible light”, Appl. Phys. Lett. 91, 052507 (2007)K. Aoshima et. Al, “Spin transfer switching in current-perpendicular-to-plane spin valve observed by magneto-optical Kerr effect using visible light”, Appl. Phys. Lett. 91, 052507 (2007)

スピン注入型磁化反転素子において磁化方向が変化する層である磁化自由層は、一般的に十数nm以下に制限されているため、スピン注入型磁化反転素子を光変調素子とすると偏光の向きの変化が極めて小さい(非特許文献1)。このため、この光変調素子を画素として用いた空間光変調器において、選択画素からの出射偏光の取り出し効率すなわち画素の選択性の向上が望まれていた。   A magnetization free layer, which is a layer whose magnetization direction changes in a spin injection type magnetization reversal element, is generally limited to a few tens of nanometers or less. Therefore, if the spin injection type magnetization reversal element is a light modulation element, the direction of polarization is changed. The change is extremely small (Non-Patent Document 1). For this reason, in a spatial light modulator using this light modulation element as a pixel, it has been desired to improve the extraction efficiency of polarized light emitted from the selected pixel, that is, the selectivity of the pixel.

そこで、特許文献1、2に記載された光変調素子は、磁化自由層の磁性膜として遷移金属と貴金属との多層膜を用いて光変調度を向上させ、画素の選択性を向上させるとともに、非磁性の中間層として絶縁性のMgOを用いたTMR型構造として駆動電流の低減をしたが、さらなる駆動電流の低減が望まれていた。   Therefore, the light modulation elements described in Patent Literatures 1 and 2 improve the degree of light modulation by using a multilayer film of transition metal and noble metal as the magnetic film of the magnetization free layer, and improve the selectivity of the pixel. Although the drive current is reduced as a TMR type structure using insulating MgO as the nonmagnetic intermediate layer, further reduction of the drive current has been desired.

ここで、図7に示したようなTMR型構造のスピン注入型磁化反転素子において、駆動電流を低減させるには、スピン分極率の大きなΔ1バンド電子によるコヒーレントなトンネル構造を形成する必要がある。そのためには、絶縁性のMgOからなるトンネル障壁層である中間層152の結晶配向を(001)面とし、中間層152に接した磁化固定層151の界面層である第1界面層151bおよび中間層152に接した磁化自由層153の界面である第2界面層153bの結晶構造を体心立方格子(bcc)の(001)面配向とする必要があることが知られている。これによって、第1界面層151b/中間層(トンネル障壁層)152/第2界面層153bからなる積層構造は、体心立方格子の(001)面配向したbcc(001)系の磁気トンネル接合となり、素子にコヒーレントな電流を流すことができるため、駆動電流を低減することができる。 Here, in the TMR type spin injection magnetization switching element as shown in FIG. 7, in order to reduce the drive current, it is necessary to form a coherent tunnel structure with Δ 1 band electrons having a large spin polarizability. . For this purpose, the intermediate layer 152 which is a tunnel barrier layer made of insulating MgO has a crystal orientation of (001) plane, and the first interface layer 151b which is an interface layer of the magnetization fixed layer 151 in contact with the intermediate layer 152 and the intermediate layer 152 It is known that the crystal structure of the second interface layer 153b, which is the interface of the magnetization free layer 153 in contact with the layer 152, needs to have a (001) plane orientation of a body-centered cubic lattice (bcc). As a result, the laminated structure composed of the first interface layer 151b / intermediate layer (tunnel barrier layer) 152 / second interface layer 153b becomes a (001) -oriented bcc (001) magnetic tunnel junction of a body-centered cubic lattice. Since a coherent current can flow through the element, the driving current can be reduced.

一方、磁化自由層153の主層153aに用いられる磁気光学効果の大きな、例えば、Co/Pt多層膜、Co/Pd多層膜などの磁性膜においては、Co、Pt、Pdは何れも面心立方格子(fcc)であり、垂直磁気異方性を示す結晶構造はfcc(111)面配向である。したがって、前記した磁気トンネル接合のトンネル障壁層である中間層152から第2界面層153bにかけて、結晶構造をbcc(001)面配向からfcc(111)面配向へ転移する領域を形成しなければならないものの、fcc(111)面配向の影響が大きいため、bcc(001)面配向を良好に形成するのが難しかった。言い換えれば、トンネル障壁層を構成するMgOの(001)面配向が不十分であるという問題があった。   On the other hand, in a magnetic film having a large magneto-optic effect used for the main layer 153a of the magnetization free layer 153, for example, a Co / Pt multilayer film or a Co / Pd multilayer film, Co, Pt, and Pd are all face-centered cubic. The crystal structure which is a lattice (fcc) and exhibits perpendicular magnetic anisotropy is fcc (111) plane orientation. Therefore, a region for transitioning the crystal structure from the bcc (001) plane orientation to the fcc (111) plane orientation must be formed from the intermediate layer 152 which is the tunnel barrier layer of the magnetic tunnel junction to the second interface layer 153b. However, since the influence of the fcc (111) plane orientation is large, it is difficult to form the bcc (001) plane orientation well. In other words, there is a problem that the (001) plane orientation of MgO constituting the tunnel barrier layer is insufficient.

本発明はこの問題に鑑み創案されたものであり、スピン注入型磁化反転素子の中間層におけるMgOの(001)面配向性を向上することを課題とする。   The present invention has been devised in view of this problem, and an object thereof is to improve the (001) plane orientation of MgO in an intermediate layer of a spin injection magnetization switching element.

前記した目的を達成するために、本発明のスピン注入型磁化反転素子は、垂直磁気異方性を示す磁化固定層と、MgOからなる中間層と、垂直磁気異方性を示す磁化自由層とをこの順で積層したトンネル磁気抵抗型(TMR型)のスピン注入型磁化反転素子構造を備え、スピン注入型磁化反転素子構造の上下に設けられた一対の電極を介して電流を供給されることにより磁化自由層の磁化方向を反転させるスピン注入型磁化反転素子であって、磁化自由層は、遷移金属または遷移金属を含む合金からなる界面層と、Ta膜またはRu膜からなる緩衝層と、磁性層である主層と、をこの順で積層して構成した。   In order to achieve the above object, a spin-injection type magnetization reversal element of the present invention comprises a magnetization fixed layer exhibiting perpendicular magnetic anisotropy, an intermediate layer made of MgO, a magnetization free layer exhibiting perpendicular magnetic anisotropy, Are provided in this order, and a current is supplied through a pair of electrodes provided above and below the spin injection type magnetization reversal element structure. A spin-injection type magnetization reversal element that reverses the magnetization direction of the magnetization free layer, wherein the magnetization free layer includes an interface layer made of a transition metal or an alloy containing a transition metal, a buffer layer made of a Ta film or a Ru film, The main layer, which is a magnetic layer, was laminated in this order.

かかる構成によれば、スピン注入型磁化反転素子は、絶縁性材料であるMgOからなる中間層をトンネル障壁層とするTMR型のスピン注入型磁化反転素子を構成する。また、遷移金属または遷移金属を含む合金からなる金属層を、中間層と接する界面層として設けることにより、中間層のMgOと組み合わせてスピン注入型磁化反転素子にコヒーレントなトンネル電流を流し、磁化反転される層である磁化自由層の主層を磁化反転させるための駆動電流を低減する。ここで、中間層を構成するMgOは体心立方格子の(001)面配向の結晶構造をとる。一方、磁化反転される層である磁化自由層の主層は、遷移金属もしくは遷移金属を含む合金からなる磁性金属膜を含んで構成される磁性層であり、面心立方格子の(111)面配向の結晶構造をとる。TMR型のスピン注入型磁化反転素子の磁化反転のための駆動電流を低減するためには、MgOからなる中間層から界面層にかけて(001)面配向性を向上する必要がある。中間層に接する界面層と主層との間に挿入されたTa膜またはRu膜からなる緩衝層は、中間層から界面層にかけての(001)面配向と、主層の(111)面配向との間の緩衝層として機能し、中間層から界面層にかけての(001)面配向性を向上する。   According to such a configuration, the spin injection type magnetization reversal element constitutes a TMR type spin injection type magnetization reversal element in which the intermediate layer made of MgO which is an insulating material is used as a tunnel barrier layer. In addition, by providing a metal layer made of transition metal or an alloy containing a transition metal as an interface layer in contact with the intermediate layer, a coherent tunnel current is passed through the spin-injection type magnetization reversal element in combination with MgO in the intermediate layer, thereby switching the magnetization. The drive current for reversing the magnetization of the main layer of the magnetization free layer, which is a layer to be formed, is reduced. Here, MgO constituting the intermediate layer has a (001) -oriented crystal structure of a body-centered cubic lattice. On the other hand, the main layer of the magnetization free layer, which is a layer whose magnetization is reversed, is a magnetic layer including a magnetic metal film made of a transition metal or an alloy containing a transition metal, and has a (111) plane of a face-centered cubic lattice. Takes an oriented crystal structure. In order to reduce the drive current for the magnetization reversal of the TMR type spin injection magnetization reversal element, it is necessary to improve the (001) plane orientation from the intermediate layer made of MgO to the interface layer. The buffer layer made of Ta film or Ru film inserted between the interface layer in contact with the intermediate layer and the main layer has (001) plane orientation from the intermediate layer to the interface layer, and (111) plane orientation of the main layer. The (001) plane orientation from the intermediate layer to the interface layer is improved.

本発明のスピン注入型磁化反転素子は、磁化自由層の主層を、遷移金属もしくは遷移金属を含む合金からなる磁性金属膜と、非磁性金属としてAu、Ag、Ru、Rh、Pd、Os、IrおよびPtから選択される1種の貴金属、または2種以上の貴金属の合金からなる非磁性金属膜と、を交互に積層した多層膜で構成した。   The spin injection type magnetization reversal element of the present invention comprises a main layer of a magnetization free layer, a magnetic metal film made of a transition metal or an alloy containing a transition metal, and Au, Ag, Ru, Rh, Pd, Os, It was composed of a multilayer film in which one kind of noble metal selected from Ir and Pt or a nonmagnetic metal film made of an alloy of two or more kinds of noble metals were alternately laminated.

かかる構成によれば、磁化反転される層である磁化自由層の主層を構成する磁性金属膜と非磁性金属膜とを交互に積層した多層膜は、磁性体として一体的に動作し、大きな保磁力を得る。   According to such a configuration, the multilayer film in which the magnetic metal film and the nonmagnetic metal film constituting the main layer of the magnetization free layer that is the magnetization reversal layer are alternately stacked, operates integrally as a magnetic body, and is large. Get coercivity.

本発明のスピン注入型磁化反転素子は、磁化自由層の主層を、Co、FeおよびNiから選択される遷移金属またはCo、FeおよびNiから選択される遷移金属を含む合金からなる磁性金属膜と、非磁性金属としてPdおよびPtから選択される貴金属からなる非磁性金属膜と、を交互に積層した多層膜で構成した。   The spin injection type magnetization reversal element of the present invention is a magnetic metal film comprising a transition metal selected from Co, Fe and Ni or an alloy containing a transition metal selected from Co, Fe and Ni as a main layer of a magnetization free layer And a non-magnetic metal film made of a noble metal selected from Pd and Pt as the non-magnetic metal.

かかる構成によれば、磁性金属膜と非磁性金属膜とをこのような好ましい材料の組み合わせから選択した多層膜は、より大きな保磁力を得る。   According to such a configuration, the multilayer film in which the magnetic metal film and the nonmagnetic metal film are selected from such a preferable combination of materials can obtain a larger coercive force.

本発明のスピン注入型磁化反転素子は、磁化自由層の主層を、磁性金属膜と非磁性金属膜とを交互に積層した多層膜であって、当該多層膜の最下層に、磁性金属膜を構成する磁性金属と非磁性金属膜を構成する非磁性金属との合金からなる合金膜を設けて構成した。   The spin-injection type magnetization reversal element of the present invention is a multilayer film in which the main layer of the magnetization free layer is formed by alternately laminating a magnetic metal film and a nonmagnetic metal film, and the magnetic metal film is formed on the lowermost layer of the multilayer film. An alloy film made of an alloy of the magnetic metal constituting the nonmagnetic metal and the nonmagnetic metal constituting the nonmagnetic metal film is provided.

かかる構成によれば、磁化反転される層である磁化自由層の主層を構成する磁性金属膜と非磁性金属膜とを交互に積層した多層膜は、磁性体として一体的に動作し、大きな保磁力を得る。   According to such a configuration, the multilayer film in which the magnetic metal film and the nonmagnetic metal film constituting the main layer of the magnetization free layer that is the magnetization reversal layer are alternately stacked, operates integrally as a magnetic body, and is large. Get coercivity.

本発明の光変調素子は、本発明にかかるスピン注入型磁化反転素子を光変調のために備えるように構成した。   The light modulation element of the present invention is configured to include the spin injection type magnetization reversal element according to the present invention for light modulation.

かかる構成によれば、光変調素子は、磁化自由層の磁化方向を反転させることで、スピン注入型磁化反転素子である光変調素子に入射した光を、磁気光学効果によりその偏光方向を変化させて出射する。   According to such a configuration, the light modulation element reverses the magnetization direction of the magnetization free layer, thereby changing the polarization direction of the light incident on the light modulation element, which is a spin injection type magnetization reversal element, by the magneto-optic effect. And exit.

本発明の空間光変調器は、基板と、この基板上に2次元配列された複数の画素と、画素選択手段と、電流供給手段とを備える空間変調器であって、画素として、本発明にかかる光変調素子を備えるように構成した。   A spatial light modulator according to the present invention is a spatial modulator including a substrate, a plurality of pixels two-dimensionally arranged on the substrate, a pixel selection unit, and a current supply unit. Such a light modulation element is provided.

かかる構成によれば、空間光変調器は、画素として、光変調度の高いスピン注入型磁化反転素子を備える。この空間光変調器は、画素選択手段によって、複数の画素から1つ以上の画素を選択する。そして、空間変調器は、電流供給手段によって、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する。これによって、空間光変調器は、画素選択手段が選択した画素に入射した光の偏光方向を特定の方向に変化させて出射する。   According to this configuration, the spatial light modulator includes the spin injection type magnetization reversal element having a high degree of light modulation as a pixel. In this spatial light modulator, one or more pixels are selected from a plurality of pixels by a pixel selection means. Then, the spatial modulator supplies a predetermined current to the pixel selected by the pixel selection unit by the current supply unit. As a result, the spatial light modulator changes the polarization direction of the light incident on the pixel selected by the pixel selection unit to a specific direction and emits it.

本発明によれば、緩衝層の挿入によって中間層のMgOの(001)面配向を向上するため、磁化反転の駆動電流を低減することができる。
本発明によれば、磁化反転される磁化自由層の保磁力が大きなスピン注入型磁化反転素子とすることができる。
本発明によれば、磁化反転される磁化自由層の保磁力がより大きなスピン注入型磁化反転素子とすることができる。
本発明によれば、磁化反転される磁化自由層の保磁力が大きなスピン注入型磁化反転素子とすることができる。
本発明によれば、光変調のための磁化反転の駆動電流を低減した光変調素子とすることができる。
本発明によれば、磁化反転の駆動電流を低減した光変調素子を画素として用いるため、安定した画素選択動作をする空間光変調器とすることができる。
According to the present invention, since the (001) plane orientation of the MgO in the intermediate layer is improved by inserting the buffer layer, the drive current for magnetization reversal can be reduced.
According to the present invention, a spin-injection type magnetization reversal element having a large coercivity of a magnetization free layer to be magnetized can be provided.
According to the present invention, a spin-injection magnetization reversal element having a larger coercive force of a magnetization free layer that is reversed in magnetization can be obtained.
According to the present invention, a spin-injection type magnetization reversal element having a large coercivity of a magnetization free layer to be magnetized can be provided.
According to the present invention, it is possible to provide an optical modulation element in which a drive current for magnetization reversal for optical modulation is reduced.
According to the present invention, since the light modulation element in which the magnetization reversal drive current is reduced is used as the pixel, the spatial light modulator can perform a stable pixel selection operation.

本発明の第1実施形態に係る光変調素子の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the light modulation element which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明に係る光変調素子の動作を模式的に説明する断面図であり、磁化自由層の磁化方向が、(a)は平行の場合、(b)は反平行の場合を示す。It is sectional drawing which illustrates typically operation | movement of the light modulation element which concerns on this invention, The magnetization direction of a magnetization free layer shows the case where (a) is parallel and (b) is antiparallel. 本発明の第1実施形態に係る空間光変調器の構成を模式的に示す平面図である。1 is a plan view schematically showing a configuration of a spatial light modulator according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に係る空間光変調器を用いた表示装置の構成および画素選択の動作を説明する模式図で、図3のA−A断面図に対応する図である。FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the configuration of the display device using the spatial light modulator and the pixel selection operation according to the first embodiment of the present invention, corresponding to the AA cross-sectional view of FIG. 3. 本発明の第2実施形態に係る空間光変調器を用いた表示装置の構成および画素選択の動作を説明する模式図で、図3のA−A断面図に対応する図である。FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a configuration of a display device using a spatial light modulator and a pixel selection operation according to a second embodiment of the present invention, and corresponds to a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 3. 本発明の第1実施形態の変形例に係る光変調素子の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the light modulation element which concerns on the modification of 1st Embodiment of this invention. 従来技術における光変調素子の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the light modulation element in a prior art. 本発明の実施例および従来技術による比較例の光変調素子のX線回折パターンを示すグラフである。It is a graph which shows the X-ray-diffraction pattern of the optical modulation element of the Example of this invention, and the comparative example by a prior art.

以下、本発明に係るスピン注入型磁化反転素子、光変調素子および空間光変調器を実現するための形態について、図を参照して説明する。なお、本発明の実施形態に係るスピン注入型磁化反転素子は、光変調素子の形態をとるものである。本発明のスピン注入型磁化反転素子の構成および動作については、その実施形態である光変調素子を通して説明する。   Hereinafter, embodiments for realizing a spin-injection type magnetization reversal element, a light modulation element, and a spatial light modulator according to the present invention will be described with reference to the drawings. The spin-injection magnetization switching element according to the embodiment of the present invention takes the form of a light modulation element. The configuration and operation of the spin-injection type magnetization reversal element of the present invention will be described through a light modulation element as an embodiment thereof.

<第1実施形態>
[光変調素子(スピン注入型磁化反転素子)]
本発明の第1実施形態に係る光変調素子5は、図1に示すように、磁化固定層51、中間層52、磁化自由層53、保護層54の順に積層された構成であり、一対の電極である上部電極2と下部電極3とに上下で接続されて、膜面に垂直に電流が供給される。光変調素子5は、磁化方向が一方向に固定された磁化固定層51および磁化方向が反転可能な磁化自由層53を、絶縁性材料であるMgOからなる中間層52を挟んで備えたTMR型のスピン注入型磁化反転素子である。また、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54が設けられ、上部電極2と下部電極3とに挟まれた光変調素子5の外周には、絶縁部材6が充填されている。
<First Embodiment>
[Light modulation element (spin injection type magnetization reversal element)]
As shown in FIG. 1, the light modulation element 5 according to the first embodiment of the present invention has a configuration in which a magnetization fixed layer 51, an intermediate layer 52, a magnetization free layer 53, and a protective layer 54 are laminated in this order. The upper electrode 2 and the lower electrode 3 that are electrodes are connected in the vertical direction, and current is supplied perpendicularly to the film surface. The light modulation element 5 includes a TMR type in which a magnetization fixed layer 51 whose magnetization direction is fixed in one direction and a magnetization free layer 53 whose magnetization direction can be reversed are sandwiched by an intermediate layer 52 made of MgO which is an insulating material. This is a spin injection type magnetization reversal element. Further, in order to protect these layers from damage in the manufacturing process, a protective layer 54 is provided on the uppermost layer, and an insulating member 6 is provided on the outer periphery of the light modulation element 5 sandwiched between the upper electrode 2 and the lower electrode 3. Is filled.

光変調素子5を構成する各層は、例えばスパッタリング法や分子線エピタキシー(MBE)法など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などで所望の平面視形状に加工される。   Each layer constituting the light modulation element 5 is continuously formed and laminated by a known method such as a sputtering method or a molecular beam epitaxy (MBE) method, and a desired plane is formed by an electron beam lithography or an ion beam milling method. Processed into a visual shape.

磁化固定層51は、磁化方向が一方向に固定された磁性層であって、電流中の電子のスピンを弁別する機能をもつ。磁化固定層51は磁化自由層53と同方向の磁気異方性を持つことが望ましく、磁化自由層53に垂直磁気異方性を有する磁性膜を用いた場合は、磁化固定層51も垂直磁気異方性を有する磁性膜を用いる。本実施形態では、磁化固定層51および磁化自由層53は、垂直磁気異方性を有する磁性膜が用いられる。
また、本実施形態における磁化固定層51は、磁化方向が一方向に固定された磁性層である主層51aと、中間層52に接する第1界面層51bと、が積層して構成される。
The magnetization fixed layer 51 is a magnetic layer whose magnetization direction is fixed in one direction, and has a function of discriminating the spin of electrons in the current. It is desirable that the magnetization fixed layer 51 has a magnetic anisotropy in the same direction as the magnetization free layer 53. When a magnetic film having a perpendicular magnetic anisotropy is used for the magnetization free layer 53, the magnetization fixed layer 51 also has a perpendicular magnetic property. A magnetic film having anisotropy is used. In the present embodiment, the magnetization fixed layer 51 and the magnetization free layer 53 are magnetic films having perpendicular magnetic anisotropy.
In addition, the magnetization fixed layer 51 in the present embodiment is configured by laminating a main layer 51 a that is a magnetic layer whose magnetization direction is fixed in one direction, and a first interface layer 51 b in contact with the intermediate layer 52.

磁化固定層51の主層51aは、垂直磁気異方性を有するCPP−GMR型素子やTMR型素子などの磁化固定層として公知の磁性材料にて構成することができ、その厚さは8〜30nmとすることが好ましい。   The main layer 51a of the magnetization fixed layer 51 can be made of a known magnetic material as a magnetization fixed layer such as a CPP-GMR type element or a TMR type element having perpendicular magnetic anisotropy, and has a thickness of 8 to 30 nm is preferable.

磁化固定層51の主層51aに用いる材料としては、Co、Fe、Niなどの強磁性の遷移金属、遷移金属と希土類金属との合金(例えば、Tb−Fe−Co系、Tb−Fe系、Tb−Co系、Dy−Co系、Dy−Co−Fe系、Gd−Fe系、Gd−Co系、Gd−Fe−Co系の合金など)や、遷移金属/貴金属系の多層膜(例えば、Co/Pd多層膜、Fe/Pt多層膜、Co/Pt多層膜など)や、遷移金属と貴金属との合金(例えば、Co−Pt系、Co−Pd系、Fe−Pt系の合金など)を挙げることができる。その他、Co/Ni多層膜、Co−Ni系合金/Pt多層膜、Mn−Bi系合金などがある。なお、前記遷移金属としては、Fe、Co、Niなどが好ましく、前記貴金属としては、Au、Ag、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Ptなどを挙げることができ、Pd、Ptが好ましく、希土類金属としては、Sm、Eu、Gd、Tbが好ましい。   As a material used for the main layer 51a of the magnetization fixed layer 51, ferromagnetic transition metals such as Co, Fe, and Ni, alloys of transition metals and rare earth metals (for example, Tb-Fe-Co series, Tb-Fe series, Tb-Co-based, Dy-Co-based, Dy-Co-Fe-based, Gd-Fe-based, Gd-Co-based, Gd-Fe-Co-based alloys, etc.) and transition metal / noble metal-based multilayer films (for example, Co / Pd multilayer film, Fe / Pt multilayer film, Co / Pt multilayer film, etc.) and alloys of transition metals and noble metals (for example, Co—Pt, Co—Pd, Fe—Pt alloys, etc.) Can be mentioned. In addition, there are a Co / Ni multilayer film, a Co-Ni alloy / Pt multilayer film, a Mn-Bi alloy, and the like. As the transition metal, Fe, Co, Ni and the like are preferable, and as the noble metal, Au, Ag, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt and the like can be mentioned, and Pd and Pt are preferable. As the rare earth metal, Sm, Eu, Gd, and Tb are preferable.

このなかで、膜厚が10〜30nmのTb−Fe−Co合金膜が、より好ましい。この合金膜に含まれるTbによって磁化固定層51の主層51aの保磁力を大きな(10kOe以上)垂直磁化膜を形成することができるため、磁化固定層51の主層51aは、その磁化方向が外部磁場によって容易に変わらないようにすることができる。   Among these, a Tb—Fe—Co alloy film having a thickness of 10 to 30 nm is more preferable. Since the perpendicular magnetization film having a large coercive force (10 kOe or more) of the main layer 51a of the magnetization fixed layer 51 can be formed by Tb contained in the alloy film, the magnetization direction of the main layer 51a of the magnetization fixed layer 51 is It can be prevented from being easily changed by an external magnetic field.

磁化固定層51の第1界面層51bは、Fe、CoおよびNiから選択される少なくとも1種の遷移金属またはこの遷移金属を含む合金からなり、膜厚は0.1〜1nmの範囲とすることが好ましい。遷移金属を含む合金としては、例えばCo−Fe系、Co−Fe−B系、Ni−Fe系、Co−Fe−Si系の合金を挙げることができる。   The first interface layer 51b of the magnetization fixed layer 51 is made of at least one transition metal selected from Fe, Co, and Ni or an alloy containing this transition metal, and has a thickness in the range of 0.1 to 1 nm. Is preferred. As an alloy containing a transition metal, for example, a Co—Fe based alloy, a Co—Fe—B based alloy, a Ni—Fe based alloy, or a Co—Fe—Si based alloy can be given.

磁化固定層51の第1界面層51bは、磁化自由層53の第2界面層53bおよび中間層52を構成するMgOの(001)面配向の結晶と組み合わせて、光変調素子5にコヒーレントなトンネル電流を流すことができ、光変調素子5の磁化反転のための駆動電流を低減することができる。   The first interface layer 51 b of the magnetization fixed layer 51 is combined with the (001) -oriented crystal of MgO constituting the second interface layer 53 b of the magnetization free layer 53 and the intermediate layer 52 and is a coherent tunnel to the light modulation element 5. A current can be passed, and a driving current for reversing the magnetization of the light modulation element 5 can be reduced.

中間層52は、磁化固定層51と磁化自由層53との間に設けられ、磁化自由層53と磁化固定層51とを磁気的に分離するとともに、スピン偏極した電流を流すものである。中間層52は、TMR型素子を構成する光変調素子5におけるトンネル障壁層であり、絶縁性材料であるMgO(マグネシア)で構成される。中間層52は、このMgOの(001)面配向した結晶で形成され、その膜厚は0.5〜3nm程度とすることができる。
中間層52を構成するMgO膜は、RFイオンビームスパッタリング法などにより形成することができる。
The intermediate layer 52 is provided between the magnetization fixed layer 51 and the magnetization free layer 53, magnetically separates the magnetization free layer 53 and the magnetization fixed layer 51, and allows a spin-polarized current to flow. The intermediate layer 52 is a tunnel barrier layer in the light modulation element 5 constituting the TMR element and is made of MgO (magnesia) that is an insulating material. The intermediate layer 52 is formed of this (001) -oriented crystal of MgO, and the film thickness can be about 0.5 to 3 nm.
The MgO film constituting the intermediate layer 52 can be formed by an RF ion beam sputtering method or the like.

磁化自由層53は、スピン注入によって磁化方向が反転される層である。すなわち、上部電極2および下部電極3の間に電流が供給されることにより、これらの電極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53内の電子スピンとの相互作用により磁化自由層53内の磁化の向きが反転する。   The magnetization free layer 53 is a layer whose magnetization direction is reversed by spin injection. That is, by supplying a current between the upper electrode 2 and the lower electrode 3, the spin of injected electrons and the electron spin in the magnetization free layer 53 according to the direction of the current supplied between these electrodes. The direction of magnetization in the magnetization free layer 53 is reversed by the interaction with.

第1実施形態における磁化自由層53は、中間層52と接する第2界面層53bと、Ta膜またはRu膜からなる緩衝層53cと、スピン注入によって磁化方向が反転される磁性層である主層53aと、がこの順で積層されて構成される。また、本実施形態における主層53aは、磁性金属膜53a1と非磁性金属膜53a2とが交互に積層された多層膜によって構成される。   The magnetization free layer 53 in the first embodiment includes a second interface layer 53b in contact with the intermediate layer 52, a buffer layer 53c made of Ta film or Ru film, and a main layer that is a magnetic layer whose magnetization direction is reversed by spin injection. 53a are stacked in this order. In addition, the main layer 53a in the present embodiment is configured by a multilayer film in which magnetic metal films 53a1 and nonmagnetic metal films 53a2 are alternately stacked.

磁性金属膜53a1としては、遷移金属または遷移金属を含む合金からなる磁性材料を用いることができ、好ましくは、Co、Fe、Ni、Co−Fe系合金を挙げることができる。また、非磁性金属膜53a2としては、貴金属を用いることができる。貴金属としては、Au、Ag、Pt、Pd、Rh、Ir、RuおよびOs、または2種以上のこれらの貴金属の合金などを用いることができ、好ましくはPtおよびPdを挙げることができる。   As the magnetic metal film 53a1, a magnetic material made of a transition metal or an alloy containing a transition metal can be used, and preferred examples include Co, Fe, Ni, and Co—Fe based alloys. Moreover, a noble metal can be used as the nonmagnetic metal film 53a2. As the noble metal, Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, and Os, or an alloy of two or more kinds of these noble metals can be used, and Pt and Pd are preferable.

多層膜としては、Co/Pt多層膜、Co/Pd多層膜、Fe/Pd多層膜、Co−Fe系合金/Pd多層膜、Fe/Pt多層膜などを挙げることができる。   Examples of the multilayer film include a Co / Pt multilayer film, a Co / Pd multilayer film, an Fe / Pd multilayer film, a Co—Fe-based alloy / Pd multilayer film, and an Fe / Pt multilayer film.

また、本実施形態では、磁化自由層53において磁化方向が反転される層である主層53aを、磁性金属膜53a1と非磁性金属膜53a2とが交互に積層した、例えば、Co/Pt多層膜とするものである。強磁性のCo膜と非磁性のPt膜とを交互に積層したCo/Pt多層膜とすることで、磁性体として一体的に動作し、保磁力を大きなものとすることができるため、このような多層膜で構成することが好ましい。   In this embodiment, the main layer 53a, which is a layer whose magnetization direction is reversed in the magnetization free layer 53, is formed by alternately laminating the magnetic metal film 53a1 and the nonmagnetic metal film 53a2, for example, a Co / Pt multilayer film. It is what. Since a Co / Pt multilayer film in which a ferromagnetic Co film and a nonmagnetic Pt film are alternately stacked is used, it can operate integrally as a magnetic body and have a large coercive force. It is preferable to use a multilayer film.

また、例えば、主層53aをCo/Pt多層膜で構成した場合は、多層膜の最上層および最下層は、それぞれCo膜およびPt膜のいずれでもよいが、第2界面層53bを介して中間層52と隣接する最下層に磁性金属膜53a1であるCo膜を積層することが好ましい。中間層52と隣接する境界の層としてCo膜を配置することで当該境界でのスピン偏極率を高くして、中間層52を介して磁化自由層53に注入されるスピンによるスピントルクが増大するため、光変調素子5の磁化反転に要する電流を低減することができ、TMR型素子を構成する光変調素子5ではその電流を低減する効果が大きい。   Further, for example, when the main layer 53a is composed of a Co / Pt multilayer film, the uppermost layer and the lowermost layer of the multilayer film may be either a Co film or a Pt film, respectively, but the intermediate layer via the second interface layer 53b. It is preferable to stack a Co film that is the magnetic metal film 53a1 on the lowermost layer adjacent to the layer 52. By disposing the Co film as a boundary layer adjacent to the intermediate layer 52, the spin polarization at the boundary is increased, and the spin torque due to the spin injected into the magnetization free layer 53 through the intermediate layer 52 is increased. Therefore, the current required for the magnetization reversal of the light modulation element 5 can be reduced, and the light modulation element 5 constituting the TMR element has a great effect of reducing the current.

なお、磁化自由層53の主層53aは、このような多層膜に限定されず、単層膜であってもよい。単層膜としては、遷移金属または遷移金属を含む合金からなる磁性材料を用いることができる。遷移金属としては、例えば、Co、Fe、Niを挙げることができ、遷移金属の合金としては、例えば、Co−Fe−B系合金、Co−Fe系合金、Co−Fe−Si系合金、Co−Fe−Ge系合金など挙げることができる。また、遷移金属と非磁性金属である貴金属との合金や、遷移金属と希土類金属との合金など、磁気光学効果の大きな材料を用いることができる。ここで、希土類金属としては、Sm、Eu、Gd、Tbなどを挙げることができる。   The main layer 53a of the magnetization free layer 53 is not limited to such a multilayer film, and may be a single layer film. As the single layer film, a magnetic material made of a transition metal or an alloy containing a transition metal can be used. Examples of transition metals include Co, Fe, and Ni. Examples of transition metal alloys include Co—Fe—B alloys, Co—Fe alloys, Co—Fe—Si alloys, and Co. -Fe-Ge alloy can be used. In addition, a material having a large magneto-optical effect such as an alloy of a transition metal and a noble metal which is a nonmagnetic metal, or an alloy of a transition metal and a rare earth metal can be used. Here, examples of the rare earth metal include Sm, Eu, Gd, and Tb.

遷移金属と貴金属との合金としては、Co−Pt系合金、Co−Pd系合金、Fe−Pd系合金、Fe−Pt系合金などを挙げることができる。希土類金属と遷移金属との合金としては、Gd−Fe系合金、Gd−Co−Fe系合金、Gd−Co系合金、Tb−Fe−Co系合金などを挙げることができる。その他、Mn−Bi系合金、Mn/Bi多層膜、Pt−Mn−Sb系合金、Pt/Mn−Sb系合金多層膜などの磁気光学効果の大きな材料を用いることができる。   Examples of the alloy of the transition metal and the noble metal include a Co—Pt alloy, a Co—Pd alloy, an Fe—Pd alloy, and an Fe—Pt alloy. Examples of alloys of rare earth metals and transition metals include Gd—Fe alloys, Gd—Co—Fe alloys, Gd—Co alloys, Tb—Fe—Co alloys, and the like. In addition, a material having a large magneto-optical effect such as a Mn—Bi alloy, a Mn / Bi multilayer film, a Pt—Mn—Sb alloy, or a Pt / Mn—Sb alloy multilayer film can be used.

また、主層53aとして、強磁性の遷移金属を含む合金を用いることで、磁化反転層としての保磁力を確保しつつ、飽和磁化を低下させて磁化方向を安定させることができる。このため、光変調度の安定した光変調素子を構成することができる。   In addition, by using an alloy containing a ferromagnetic transition metal as the main layer 53a, the saturation magnetization can be lowered and the magnetization direction can be stabilized while ensuring the coercive force as the magnetization switching layer. For this reason, a light modulation element with a stable degree of light modulation can be configured.

さらに、主層53aとして、遷移金属と希土類金属との多層膜を用いることができる。遷移金属と希土類金属との多層膜としては、Co/Gd多層膜、Fe/Gd多層膜、Co−Fe系合金/Gd多層膜、Co−Fe−B系合金/Gd多層膜、Co−Ni系合金/Gd多層膜のほか、これらの多層膜において、Gdに代えて、Gd−Fe系合金、Tb、Tb−Co系合金、Tb−Fe系合金、Tb−Fe−Co系合金を用いた多層膜を挙げることができる。   Furthermore, a multilayer film of transition metal and rare earth metal can be used as the main layer 53a. As the multilayer film of transition metal and rare earth metal, Co / Gd multilayer film, Fe / Gd multilayer film, Co—Fe based alloy / Gd multilayer film, Co—Fe—B based alloy / Gd multilayer film, Co—Ni based film In addition to alloys / Gd multilayer films, in these multilayer films, multilayers using Gd—Fe alloys, Tb, Tb—Co alloys, Tb—Fe alloys, Tb—Fe—Co alloys instead of Gd Mention may be made of membranes.

磁化自由層53の主層53aの膜厚(多層膜の場合は、多層膜を構成するすべての層の膜厚の合計)は特に限定されるものではないが、主層53aの膜厚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、主層53aの膜厚は、1.5〜15nm程度が好ましい。   The film thickness of the main layer 53a of the magnetization free layer 53 (in the case of a multilayer film, the total film thickness of all the layers constituting the multilayer film) is not particularly limited, but the film thickness of the main layer 53a is thin. If it is too large, the coercive force is lowered, while if it is too thick, the perpendicular magnetic anisotropy is deteriorated. Therefore, the film thickness of the main layer 53a is preferably about 1.5 to 15 nm.

磁化自由層53の緩衝層53cは、(001)面配向したMgO膜からなる中間層52に接する第2界面層53bと、主層53aの最下層(図1の例では、磁性金属膜53a1)との間に挿入されたTa膜またはRu膜からなる層である。緩衝層53cは、第1界面層51b/中間層(トンネル障壁層)52/第2界面層53bで構成されるbcc(001)系の磁気トンネル接合と、主層53aを構成するfcc(111)系の磁性層とを良好に接続するための緩衝層として機能するものである。この緩衝層53cによって、中間層52から第2界面層53bにかけての(001)面配向が良好に形成される。
これによって、光変調素子5にコヒーレントなトンネル電流を流すことができ、磁化反転のための駆動電流を低減することができる。
The buffer layer 53c of the magnetization free layer 53 includes a second interface layer 53b in contact with the intermediate layer 52 made of a (001) -oriented MgO film, and the lowermost layer of the main layer 53a (in the example of FIG. 1, the magnetic metal film 53a1). And a layer made of a Ta film or a Ru film. The buffer layer 53c includes a bcc (001) -based magnetic tunnel junction constituted by the first interface layer 51b / intermediate layer (tunnel barrier layer) 52 / second interface layer 53b, and fcc (111) constituting the main layer 53a. It functions as a buffer layer for satisfactorily connecting the magnetic layer of the system. By this buffer layer 53c, the (001) plane orientation from the intermediate layer 52 to the second interface layer 53b is favorably formed.
As a result, a coherent tunnel current can be caused to flow through the light modulation element 5, and the drive current for magnetization reversal can be reduced.

緩衝層53cとして、Ta膜を用いる場合は、膜厚が薄すぎると、中間層52を構成するMgOの(001)面配向性を向上することができない。一方、膜厚が厚すぎると、第2界面層53bと主層53aとの間の静磁気的な結合が弱くなり、主層53aが多層膜の場合は、多層膜の磁化方向が一体的に変化しない。したがって、Ta膜の膜厚は、0.2〜1.2nm程度とすることが好ましく、0.8〜1.2nmとすることがより好ましい。   When a Ta film is used as the buffer layer 53c, if the film thickness is too thin, the (001) plane orientation of MgO constituting the intermediate layer 52 cannot be improved. On the other hand, if the film thickness is too thick, the magnetostatic coupling between the second interface layer 53b and the main layer 53a becomes weak, and when the main layer 53a is a multilayer film, the magnetization direction of the multilayer film is integrated. It does not change. Therefore, the thickness of the Ta film is preferably about 0.2 to 1.2 nm, and more preferably 0.8 to 1.2 nm.

また、緩衝層53cとして、Ru膜を用いる場合は、膜厚が薄すぎると、中間層52を構成するMgOの(001)面配向性を向上することができない。一方、膜厚が厚すぎると、第2界面層53bと主層53aとの間の静磁気的な結合が弱くなり、主層53aが多層膜の場合は、多層膜の磁化方向が一体的に変化しない。   Further, when a Ru film is used as the buffer layer 53c, if the film thickness is too thin, the (001) plane orientation of MgO constituting the intermediate layer 52 cannot be improved. On the other hand, if the film thickness is too thick, the magnetostatic coupling between the second interface layer 53b and the main layer 53a becomes weak, and when the main layer 53a is a multilayer film, the magnetization direction of the multilayer film is integrated. It does not change.

ここで、緩衝層53cとして、Ru膜を用いる場合は、金属中の伝導電子のスピンを介して行われる局在スピン同士の相互作用であるRKKY相互作用により、Ru膜の膜厚が薄いと、第2界面層53bと主層53aとの間を反平行に磁気的結合をし、膜厚が厚いと、両者を平行に磁気的結合をする。すなわち、緩衝層53cとしてRu膜を用いることにより、Ru膜に接する第2界面層53bと、主層53aとの間を磁気的に強く結合する効果を有するが、膜厚が厚すぎると、RKKY相互作用による磁気的結合が減衰する。   Here, when a Ru film is used as the buffer layer 53c, if the Ru film is thin due to RKKY interaction, which is an interaction between localized spins performed through the spin of conduction electrons in the metal, The second interface layer 53b and the main layer 53a are magnetically coupled antiparallel to each other, and if the film thickness is large, the two are magnetically coupled in parallel. That is, by using a Ru film as the buffer layer 53c, there is an effect of magnetically coupling the second interface layer 53b in contact with the Ru film and the main layer 53a, but if the film thickness is too thick, the RKKY The magnetic coupling due to the interaction is attenuated.

このRKKY相互作用により、緩衝層53cとしてRu膜を用いる場合の膜厚は、Ta膜を用いる場合よりも厚くすることができ、0.2〜1.5nm程度とすることが好ましく、0.5〜1.5nmとすることがより好ましい。   Due to this RKKY interaction, the film thickness when the Ru film is used as the buffer layer 53c can be made larger than that when the Ta film is used, and is preferably about 0.2 to 1.5 nm. More preferably, it is set to ˜1.5 nm.

磁化自由層53の第2界面層(界面層)53bは、磁化固定層51の第1界面層51bと同様に構成することができる。第2界面層53bとしては、Fe、CoおよびNiから選択される少なくとも1種の遷移金属またはこの遷移金属を含む合金を用いることができ、膜厚は0.1〜1nmの範囲とすることが好ましい。遷移金属を含む合金としては、例えばCo−Fe系、Co−Fe−B系、Ni−Fe系、Co−Fe−Si系の合金を挙げることができる。   The second interface layer (interface layer) 53 b of the magnetization free layer 53 can be configured in the same manner as the first interface layer 51 b of the magnetization fixed layer 51. As the second interface layer 53b, at least one transition metal selected from Fe, Co, and Ni or an alloy containing the transition metal can be used, and the film thickness can be in the range of 0.1 to 1 nm. preferable. As an alloy containing a transition metal, for example, a Co—Fe based alloy, a Co—Fe—B based alloy, a Ni—Fe based alloy, or a Co—Fe—Si based alloy can be given.

磁化自由層53の第2界面層53bは、磁化固定層51の第1界面層51bおよび中間層52を構成するMgOの(001)面配向の結晶と組み合わせて、光変調素子5にコヒーレントなトンネル電流を流すことができ、光変調素子5の磁化反転のための駆動電流を低減することができる。   The second interface layer 53 b of the magnetization free layer 53 is combined with the (001) -oriented crystal of MgO constituting the first interface layer 51 b of the magnetization fixed layer 51 and the intermediate layer 52, and is a coherent tunnel to the light modulation element 5. A current can be passed, and a driving current for reversing the magnetization of the light modulation element 5 can be reduced.

保護層54は、Ta、Ru、Cuの単層、または、Cu/Ta、Cu/Ruの2層などから構成される。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54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自由層53などを保護する効果がそれ以上には向上せず、その上、光変調素子5の上方からの入射光の透過光量を減衰させる。したがって、保護層54の厚さは1〜10nmとすることが好ましい。   The protective layer 54 is composed of a single layer of Ta, Ru, Cu, or two layers of Cu / Ta, Cu / Ru. In addition, when setting it as the said 2 layer structure, all make Cu inside (lower layer). When the thickness of the protective layer 54 is less than 1 nm, it is difficult to form a continuous film. On the other hand, even if the thickness exceeds 10 nm, the effect of protecting the magnetization free layer 53 and the like in the manufacturing process is further improved. In addition, the transmitted light amount of incident light from above the light modulation element 5 is attenuated. Therefore, the thickness of the protective layer 54 is preferably 1 to 10 nm.

上部電極2は、下部電極3と対になって光変調素子5の垂直方向に電流を流す役割を担う。上部電極2は、素子に電流を流すとともに、磁化自由層53より下部の層に光を透過させるためにITO(Indium Tin Oxide:インジウム−スズ酸化物)、IZO(Indium Zinc Oxide:インジウム−亜鉛酸化物)、酸化スズ(SnO2)、酸化アンチモン−酸化スズ系(ATO)、酸化亜鉛(ZnO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、酸化インジウム(In23)などの透明電極材料で構成される。 The upper electrode 2 is paired with the lower electrode 3 and plays a role of flowing a current in the vertical direction of the light modulation element 5. The upper electrode 2 allows an electric current to flow through the element and transmits light to a layer below the magnetization free layer 53, so that ITO (Indium Tin Oxide) and IZO (Indium Zinc Oxide) are used. ), Tin oxide (SnO 2 ), antimony oxide-tin oxide system (ATO), zinc oxide (ZnO), fluorine-doped tin oxide (FTO), indium oxide (In 2 O 3 ), etc. The

下部電極3は、上部電極2と対になって光変調素子5の垂直方向に電流を流す役割を担う。光変調素子5を反射型光変調素子として用いる場合は、電気抵抗の低いCu、Auなどの金属を用いることができる。また、光変調素子5を透過型光変調素子として用いる場合は、上部電極2と同様に、ITO、IZOなどの透明電極材料を用いて構成することができる。   The lower electrode 3 is paired with the upper electrode 2 and plays a role of flowing a current in the vertical direction of the light modulation element 5. When the light modulation element 5 is used as a reflection type light modulation element, a metal such as Cu or Au having a low electric resistance can be used. Further, when the light modulation element 5 is used as a transmissive light modulation element, it can be configured using a transparent electrode material such as ITO or IZO in the same manner as the upper electrode 2.

また、光変調素子5を反射型光変調素子として用いる場合には、下部電極3として、fcc系材料であるCu、Auに代えて、bcc系材料であるTa、Ruを用いることにより、中間層52のMgO膜の結晶性を(001)面配向しやすくすることができる。なお、下部電極3の全部をTaやRuで構成せず、下部電極3の下層はCuまたはAuなどを用い、光変調素子5と隣接する上層のみTaまたはRuを用いるようにしてもよい。このとき、上層とするTa層またはRu層の膜厚は、50nm程度以上とすることが好ましい。   Further, when the light modulation element 5 is used as a reflection-type light modulation element, the lower electrode 3 is replaced with an fcc-based material such as Cu or Au by using bcc-based material Ta or Ru. The crystallinity of the 52 MgO film can be easily oriented in the (001) plane. Alternatively, the entire lower electrode 3 may not be made of Ta or Ru, but the lower layer of the lower electrode 3 may be made of Cu or Au, and the upper layer adjacent to the light modulation element 5 may be made of Ta or Ru. At this time, the film thickness of the upper Ta layer or Ru layer is preferably about 50 nm or more.

絶縁部材6は、SiO、SiN、SiN/SiO多層膜、Alなどの絶縁材料からなり、後記する空間光変調器において、複数の光変調素子5を画素としてマトリクス状に配列したとき、上部電極2と下部電極3と間に配設される画素間の隙間を埋める部材である。 The insulating member 6 is made of an insulating material such as SiO 2 , SiN, SiN / SiO 2 multilayer film, or Al 2 O 3, and in the spatial light modulator described later, a plurality of light modulation elements 5 are arranged in a matrix as pixels. At this time, it is a member that fills a gap between pixels disposed between the upper electrode 2 and the lower electrode 3.

絶縁部材6は、空間光変調器として複数の光変調素子5をマトリクス状に配列するように形成した後、スパッタリング法などにより前記した絶縁材料を堆積することにより形成することができる。   The insulating member 6 can be formed by depositing the above insulating material by sputtering or the like after forming a plurality of light modulating elements 5 as a spatial light modulator so as to be arranged in a matrix.

[光変調素子の動作]
ここで、光変調素子5の磁化反転の動作を、図2を参照して説明する。なお、図2において保護層54は図示を省略する。スピン注入型磁化反転素子である光変調素子5は、磁化自由層53内の電子のスピンと逆方向のスピンを持つ電子を注入することにより、すなわち電流を反対向きに供給することにより、磁化自由層53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51の磁化方向と同じ方向または180°異なる方向にする。具体的には、図2(a)に示すように、上部電極2を「+」、下部電極3を「−」にして、磁化自由層53側から磁化固定層51へ電流を供給すると、磁化自由層53の磁化は磁化固定層51の磁化方向と同じ方向になる。以下、この状態を光変調素子5の磁化が平行である(P:Parallel)という。反対に、図2(b)に示すように、上部電極2を「−」、下部電極3を「+」にして、磁化固定層51側から磁化自由層53へ電流を供給すると、磁化自由層53の磁化は磁化固定層51の磁化方向と逆方向になる。以下、この状態を光変調素子5の磁化が反平行である(AP:Anti-Parallel)という。
[Operation of light modulation element]
Here, the magnetization reversal operation of the light modulation element 5 will be described with reference to FIG. In FIG. 2, the protective layer 54 is not shown. The light modulation element 5, which is a spin injection type magnetization reversal element, injects electrons having a spin opposite to that of the electrons in the magnetization free layer 53, that is, supplies current in the opposite direction, thereby freeing magnetization. The magnetization direction of the layer 53 is reversed (spin injection magnetization reversal, hereinafter referred to as magnetization reversal as appropriate) to be the same direction as the magnetization direction of the magnetization fixed layer 51 or a direction different by 180 °. Specifically, as shown in FIG. 2A, when a current is supplied from the magnetization free layer 53 side to the magnetization fixed layer 51 by setting the upper electrode 2 to “+” and the lower electrode 3 to “−”, The magnetization of the free layer 53 is the same as the magnetization direction of the magnetization fixed layer 51. Hereinafter, this state is referred to as that the magnetization of the light modulation element 5 is parallel (P: Parallel). On the contrary, as shown in FIG. 2B, when a current is supplied from the magnetization fixed layer 51 side to the magnetization free layer 53 with the upper electrode 2 set to “−” and the lower electrode 3 set to “+”, the magnetization free layer The magnetization of 53 is opposite to the magnetization direction of the magnetization fixed layer 51. Hereinafter, this state is referred to as anti-parallel (AP) where the magnetization of the light modulation element 5 is antiparallel.

光変調素子5の磁化が平行、反平行の何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53の保磁力Hcfにより磁化が保持される。このように、光変調素子5において磁化は保持されるため、光変調素子5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。ただし、磁化自由層53の保磁力Hcfが大きくなって磁化固定層51の保磁力Hcpに近付くと、磁化反転に要する電流(磁化反転電流)が大きくなり、さらに磁化固定層51の保磁力Hcp以上になると、電流供給による磁化反転動作ができなくなる。そのため、保磁力Hcf、HcpがHcf<Hcpとなるように、好ましくはその差が500Oe以上となるように、磁化固定層51および磁化自由層53をそれぞれ構成する。   If the magnetization of the light modulation element 5 shows either parallel or antiparallel magnetization, the magnetization is held by the coercive force Hcf of the magnetization free layer 53 until a current for inverting the magnetization is supplied. As described above, since the magnetization is held in the light modulation element 5, the current supplied to the light modulation element 5 is a current that temporarily reaches a current value that reverses the magnetization direction, such as a pulse current. Can do. However, when the coercive force Hcf of the magnetization free layer 53 increases and approaches the coercive force Hcp of the magnetization fixed layer 51, the current required for magnetization reversal (magnetization reversal current) increases, and more than the coercivity Hcp of the magnetization fixed layer 51. Then, the magnetization reversal operation by current supply cannot be performed. Therefore, the magnetization fixed layer 51 and the magnetization free layer 53 are configured so that the coercive forces Hcf and Hcp satisfy Hcf <Hcp, and preferably the difference is 500 Oe or more.

光変調素子5に入射した光が磁性体である磁化自由層53で反射または回折して出射すると、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変化(旋光)する。さらに、図2(a)、(b)にそれぞれ示すように、磁化が平行、反平行な光変調素子5にそれぞれ入射した光は、磁化自由層53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53のカー回転角+θk、−θk(以下、「θk」は向きを示さず大きさのみを示す。)で互いに逆方向に回転して出射する。そして、光変調素子5からの出射光は、その偏光の向きを供給される電流の向きに応じて変化させることで後記する空間光変調器などの画素として機能するため、偏光の変化すなわち旋光角の差となる磁化自由層53のカー回転角θkが大きいことが好ましい。   When light incident on the light modulation element 5 is reflected or diffracted by the magnetization free layer 53 that is a magnetic material, the direction of polarization of the incident light changes (rotation) due to the Kerr effect (magnetic Kerr effect). Further, as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the lights incident on the light modulation elements 5 whose magnetizations are parallel and antiparallel, respectively, have the same magnitude because the magnetization directions of the magnetization free layer 53 differ by 180 °. Are rotated in opposite directions at the Kerr rotation angle of the magnetization free layer 53, that is, the Kerr rotation angles + θk, −θk (hereinafter, “θk” indicates only the size). The emitted light from the light modulation element 5 functions as a pixel such as a spatial light modulator described later by changing the direction of the polarization according to the direction of the supplied current. It is preferable that the Kerr rotation angle θk of the magnetization free layer 53 that is the difference of the

カー効果の大きさは、入射光の波数ベクトルと磁性体の磁化ベクトルとのスカラー積に比例する。すなわち磁化自由層53のカー回転角θkは、光の入射角が磁化自由層53の磁化方向に平行に近いほど大きくなる。ここで、磁化自由層53(および磁化固定層51)が、膜面方向の磁化を有する(面内磁気異方性)と、光変調素子5の構造上、磁化方向に平行に近付けて光を入射させることが困難である。一方、磁化自由層53が膜面に垂直な方向の磁化を有する、すなわち垂直磁気異方性であれば、容易に磁化方向に平行に光を入射することができ、極カー効果により、大きなカー回転角θkが得られる。本実施形態に係る光変調素子5は、磁化固定層51および磁化自由層53を前記したように構成することで、垂直磁気異方性を有して大きなカー回転角θkとするものである。   The magnitude of the Kerr effect is proportional to the scalar product of the wave number vector of incident light and the magnetization vector of the magnetic material. That is, the Kerr rotation angle θk of the magnetization free layer 53 increases as the incident angle of light becomes closer to the magnetization direction of the magnetization free layer 53. Here, if the magnetization free layer 53 (and the magnetization fixed layer 51) has magnetization in the film plane direction (in-plane magnetic anisotropy), the light modulation element 5 has a structure close to the magnetization direction in parallel with the light. It is difficult to make it incident. On the other hand, if the magnetization free layer 53 has magnetization in a direction perpendicular to the film surface, that is, perpendicular magnetic anisotropy, light can be easily incident parallel to the magnetization direction, and a large Kerr effect can be applied. A rotation angle θk is obtained. The light modulation element 5 according to this embodiment has the perpendicular magnetic anisotropy and a large Kerr rotation angle θk by configuring the magnetization fixed layer 51 and the magnetization free layer 53 as described above.

以上説明したように、第1実施形態に係る光変調素子5によれば、(001)面配向したMgOからなる中間層52と接する磁化自由層53の最下層である第2界面層53bと、磁化自由層53において磁化反転される層である主層53aとの間に、Ta膜またはRu膜からなる緩衝層53cを設けたため、第2界面層53bの(001)面配向性を向上することができる。このため、磁化反転電流を低減した光変調素子とすることができる。   As described above, according to the light modulation element 5 according to the first embodiment, the second interface layer 53b which is the lowermost layer of the magnetization free layer 53 in contact with the intermediate layer 52 made of (001) -oriented MgO; Since the buffer layer 53c made of the Ta film or the Ru film is provided between the magnetization free layer 53 and the main layer 53a which is a layer whose magnetization is reversed, the (001) plane orientation of the second interface layer 53b is improved. Can do. For this reason, it can be set as the light modulation element which reduced the magnetization reversal current.

[空間光変調器、表示装置]
(空間光変調器および表示装置の第1実施形態)
次に、前記の本発明の第1実施形態に係る光変調素子5を画素に備える空間光変調器、およびこれを用いた表示装置の実施形態について、図3および図4を参照して説明する。なお、本明細書における画素とは、空間光変調器による表示の最小単位での情報(明/暗)を表示する手段を指す。
[Spatial light modulator, display device]
(First Embodiment of Spatial Light Modulator and Display Device)
Next, an embodiment of a spatial light modulator including the light modulation element 5 according to the first embodiment of the present invention in a pixel and a display device using the same will be described with reference to FIGS. 3 and 4. . In addition, the pixel in this specification refers to a means for displaying information (bright / dark) in the minimum unit of display by the spatial light modulator.

本発明の第1実施形態に係る空間光変調器1は、基板7(図4参照)上に、図3に示すように2次元アレイ状に配列された画素4からなる画素アレイ40と、画素アレイ40から1つ以上の画素4を選択して駆動する電流制御部80を備える。なお、本明細書における平面(上面)は空間光変調器の光の入射面であり、空間光変調器1は画素4(画素アレイ40)に上方から入射した光を反射または回折してその光を変調して上方へ出射する反射型の空間光変調器である。   A spatial light modulator 1 according to the first embodiment of the present invention includes a pixel array 40 including pixels 4 arranged in a two-dimensional array on a substrate 7 (see FIG. 4) as shown in FIG. A current control unit 80 that selects and drives one or more pixels 4 from the array 40 is provided. Note that the plane (upper surface) in this specification is a light incident surface of the spatial light modulator, and the spatial light modulator 1 reflects or diffracts light incident on the pixel 4 (pixel array 40) from above to generate the light. It is a reflective spatial light modulator that modulates the light and emits upward.

図3に示すように、画素アレイ40は、平面視でストライプ状の複数の上部電極2、2、…と、同じくストライプ状で、平面視で上部電極2と直交する複数の下部電極3、3、…と、を備え、上部電極2と下部電極3との交点毎に1つの画素4を設ける。したがって、画素4は、空間光変調器1の光の入射面に、2次元アレイ状に配列されて画素アレイ40を構成する。本実施形態では、画素アレイ40は、5行×5列の25個の画素4からなる構成で例示される。なお、上部電極2と下部電極3は、適宜、両者をまとめて電極2,3と称する。そして、図3および図4に示すように、画素4は、当該画素4における一対の電極としての上部電極2および下部電極3と、これらの電極2、3に上下から挟まれた光変調素子5を備える。また、図4において、光変調素子5の保護層54(図1参照)は図示を省略する。また、隣り合う上部電極2、2間、光変調素子5、5間、および下部電極3、3間は、絶縁部材6で埋められている。   As shown in FIG. 3, the pixel array 40 includes a plurality of upper electrodes 2, 2,... Striped in plan view, and a plurality of lower electrodes 3, 3 that are also striped and orthogonal to the upper electrode 2 in plan view. ,..., And one pixel 4 is provided at each intersection of the upper electrode 2 and the lower electrode 3. Therefore, the pixels 4 are arranged in a two-dimensional array on the light incident surface of the spatial light modulator 1 to form the pixel array 40. In the present embodiment, the pixel array 40 is exemplified by a configuration including 25 pixels 4 of 5 rows × 5 columns. The upper electrode 2 and the lower electrode 3 are collectively referred to as electrodes 2 and 3 as appropriate. 3 and 4, the pixel 4 includes an upper electrode 2 and a lower electrode 3 as a pair of electrodes in the pixel 4, and a light modulation element 5 sandwiched between the electrodes 2 and 3 from above and below. Is provided. In FIG. 4, the protective layer 54 (see FIG. 1) of the light modulation element 5 is not shown. Further, an insulating member 6 is filled between the adjacent upper electrodes 2 and 2, between the light modulation elements 5 and 5, and between the lower electrodes 3 and 3.

図3に示すように、電流制御部80は、上部電極2を選択する上部電極選択部82と、下部電極3を選択する下部電極選択部83と、これらの電極選択部82、83を制御する画素選択部(画素選択手段)84と、電極2、3に電流を供給する電源(電流供給手段)81と、を備える。これらはそれぞれ公知のものでよく、光変調素子5を磁化反転させるために適正な電圧・電流を供給するものとする。   As shown in FIG. 3, the current control unit 80 controls the upper electrode selection unit 82 that selects the upper electrode 2, the lower electrode selection unit 83 that selects the lower electrode 3, and the electrode selection units 82 and 83. A pixel selection unit (pixel selection unit) 84 and a power source (current supply unit) 81 that supplies current to the electrodes 2 and 3 are provided. These may be known ones, and appropriate voltages and currents are supplied to reverse the magnetization of the light modulation element 5.

上部電極選択部82は、上部電極2の1つ以上を選択し、下部電極選択部83は、下部電極3の1つ以上を選択し、それぞれに電源81から所定の電流を供給させる。画素選択部84は、例えば図示しない外部からの信号に基づいて画素アレイ40の特定の1つ以上の画素4を選択し、選択した画素4に接続する電極2、3を電極選択部82、83に選択させる。電源81は、選択した画素4に備えられる光変調素子5を磁化反転させるために適正な電圧・電流を供給する。このような構成により、特定の画素4が選択され、この画素4の光変調素子5に、所定の電流が供給されて磁化反転させる。なお、図3において、電源81は、電極2、3のそれぞれ一端に電極選択部82、83を介して接続されているが、両端に接続されていてもよい。両端に接続されることにより、応答速度を上げ、画素間の動作ばらつきも低減できる。   The upper electrode selection unit 82 selects one or more of the upper electrodes 2, and the lower electrode selection unit 83 selects one or more of the lower electrodes 3, and each supplies a predetermined current from the power source 81. The pixel selection unit 84 selects, for example, one or more specific pixels 4 of the pixel array 40 based on an external signal (not shown), and connects the electrodes 2 and 3 connected to the selected pixel 4 to the electrode selection units 82 and 83. To select. The power supply 81 supplies an appropriate voltage / current to reverse the magnetization of the light modulation element 5 provided in the selected pixel 4. With such a configuration, a specific pixel 4 is selected, and a predetermined current is supplied to the light modulation element 5 of this pixel 4 to reverse the magnetization. In FIG. 3, the power supply 81 is connected to one end of each of the electrodes 2 and 3 via the electrode selection units 82 and 83, but may be connected to both ends. By connecting to both ends, the response speed can be increased and the operation variation between pixels can be reduced.

空間光変調器1の画素4の構成の詳細を図3および図4を参照して説明する。上部電極2は、図4に示すように光変調素子5の上に配され、図3に示すように横方向に帯状に延設される。1つの上部電極2は、横1行に配置された複数の画素4、4、…のそれぞれの光変調素子5に電流を供給する。一方、下部電極3は、光変調素子5の下に配され、縦方向に帯状に延設される。1つの下部電極3は、縦1列に配置された複数の画素4、4、…のそれぞれの光変調素子5に電流を供給する。上部電極2は、光変調素子5の入射光および出射光を遮らないように透明電極材料で構成される。一方、下部電極3は導電性の優れた電極用金属材料で構成される。   Details of the configuration of the pixel 4 of the spatial light modulator 1 will be described with reference to FIGS. The upper electrode 2 is disposed on the light modulation element 5 as shown in FIG. 4 and extends in a strip shape in the lateral direction as shown in FIG. One upper electrode 2 supplies a current to each of the light modulation elements 5 of the plurality of pixels 4, 4,... Arranged in one horizontal row. On the other hand, the lower electrode 3 is arranged under the light modulation element 5 and extends in a strip shape in the vertical direction. One lower electrode 3 supplies a current to each of the light modulation elements 5 of the plurality of pixels 4, 4,. The upper electrode 2 is made of a transparent electrode material so as not to block incident light and outgoing light of the light modulation element 5. On the other hand, the lower electrode 3 is made of an electrode metal material having excellent conductivity.

光変調素子5は、図3に示すように、平面視で上部電極2と下部電極3の重なる部分に配され、この電極2、3に上下から挟まれて接続されている。光変調素子5の平面視形状は、本実施形態においては正方形であるが、これに限定されるものではない。また、1個の画素4につき1個の光変調素子5が配されているが、例えば1つの画素4に面方向で(1×3)個、(2×2)個などの複数の光変調素子5を備えてもよい。   As shown in FIG. 3, the light modulation element 5 is disposed in a portion where the upper electrode 2 and the lower electrode 3 overlap in a plan view, and is sandwiched and connected to the electrodes 2 and 3 from above and below. The planar view shape of the light modulation element 5 is a square in the present embodiment, but is not limited to this. In addition, one light modulation element 5 is arranged for one pixel 4. For example, a plurality of light modulation elements such as (1 × 3) or (2 × 2) in the surface direction are provided on one pixel 4. An element 5 may be provided.

上部電極2は、光が透過するように透明電極材料で構成される。透明電極材料は、例えば、インジウム亜鉛酸化物(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(In23)など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、塗布法などの公知の方法により成膜される。 The upper electrode 2 is made of a transparent electrode material so that light can pass therethrough. Transparent electrode materials include, for example, indium zinc oxide (IZO), indium tin oxide (ITO), tin oxide (SnO 2 ), antimony oxide-tin oxide system (ATO), oxidation zinc (ZnO), fluorine-doped tin oxide (FTO), consisting of known transparent electrode material such as indium oxide (in 2 O 3). In particular, IZO is most preferable in terms of specific resistance and ease of film formation. These transparent electrode materials are formed by a known method such as a sputtering method, a vacuum deposition method, or a coating method.

電極(配線)を透明電極材料で構成する場合、電極とこの電極に接続する光変調素子5との間に金属膜を設けることが好ましい。すなわち透明電極材料で構成された上部電極2においては、光変調素子5との間の下地層として金属膜を積層することが好ましい(図示せず)。光変調素子5との間に金属膜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からなる上部電極2においても、上部電極2−光変調素子5間の接触抵抗を低減させて応答速度を上げることができる。   When the electrode (wiring) is made of a transparent electrode material, it is preferable to provide a metal film between the electrode and the light modulation element 5 connected to the electrode. That is, in the upper electrode 2 made of a transparent electrode material, it is preferable to laminate a metal film as a base layer between the light modulation element 5 (not shown). By interposing a metal film between the light modulation element 5 and the upper electrode 2 made of a transparent electrode material having a resistance higher than that of the electrode metal material, the contact resistance between the upper electrode 2 and the light modulation element 5 is reduced. To increase the response speed.

下地層を構成する金属としては、例えば、Au、Ru、Ta、またはそれらの金属の2種以上からなる合金などを用いることができ、これらの金属はスパッタリング法などの公知の方法により成膜される。そして、下地層とその上の層すなわち透明電極との密着性をよくして接触抵抗をさらに低減するため、下地層となる金属膜は、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。下地層の厚さは、1nm未満であると連続した膜を形成し難く、一方、10nmを超えると光の透過量を低下させる。したがって、下地層の好ましい厚さは1〜10nmである。   As the metal constituting the underlayer, for example, Au, Ru, Ta, or an alloy composed of two or more of these metals can be used, and these metals are formed by a known method such as a sputtering method. The Then, in order to further reduce the contact resistance by improving the adhesion between the underlayer and the layer above it, that is, the transparent electrode, the metal film serving as the underlayer is continuously formed in the vacuum processing chamber with the transparent electrode material. It is preferred that If the thickness of the underlayer is less than 1 nm, it is difficult to form a continuous film, while if it exceeds 10 nm, the amount of transmitted light is reduced. Therefore, the preferable thickness of the underlayer is 1 to 10 nm.

下部電極3は、例えば、Cu、Al、Au、Ag、Ta、Crなど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、スパッタリング法など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などによりストライプ状に加工される。   The lower electrode 3 is made of a general electrode metal material such as a metal such as Cu, Al, Au, Ag, Ta, Cr, or an alloy thereof. Then, the film is processed into a stripe shape by a known method such as a sputtering method, by film formation, photolithography, and an etching or lift-off method.

基板7は、例えば表面を熱酸化したSi基板、サファイア基板、ガラス基板などの公知の基板が適用できる。絶縁部材6は、隣り合う上部電極2、2間(図4では不図示)、光変調素子5、5間、および下部電極3、3間に配され、例えば、SiO2やAl23などからなる。 As the substrate 7, for example, a known substrate such as a Si substrate whose surface is thermally oxidized, a sapphire substrate, or a glass substrate can be applied. The insulating member 6 is disposed between the adjacent upper electrodes 2 and 2 (not shown in FIG. 4), between the light modulation elements 5 and 5, and between the lower electrodes 3 and 3, for example, SiO 2 or Al 2 O 3. Consists of.

(空間光変調器の製造方法)
次に、図3および図4に示す空間光変調器1の画素4(画素アレイ40)の製造方法について、その一例を説明する。
まず、下部電極3を形成する。基板7の表面に、金属電極材料をスパッタリング法などにより成膜し、フォトリソグラフィなどによりストライプ状に形成して下部電極3とする。そして、下部電極3、3間にSiO2などの絶縁膜(絶縁部材6となる)を堆積させる。
(Spatial light modulator manufacturing method)
Next, an example of a method for manufacturing the pixel 4 (pixel array 40) of the spatial light modulator 1 shown in FIGS. 3 and 4 will be described.
First, the lower electrode 3 is formed. A metal electrode material is formed on the surface of the substrate 7 by a sputtering method or the like, and formed into a stripe shape by photolithography or the like to form the lower electrode 3. Then, an insulating film such as SiO 2 (which becomes the insulating member 6) is deposited between the lower electrodes 3 and 3.

次に、光変調素子5を形成する。下部電極3(および絶縁部材6)の上面に、連続して、磁化固定層51、中間層52、磁化自由層53、保護層54を、例えばスパッタリング法や分子線エピタキシー(MBE)法などの公知の方法で、連続的に成膜、積層する。これらの層を電子線リソグラフィおよびイオンビームミリング法などにより前記平面視形状に成形加工して、光変調素子5とする。前記成形加工においてマスクとしたレジストを残した状態で、絶縁膜を成膜して、光変調素子5、5間(隣り合う画素4、4間におけるものを含む)に堆積させ、レジストをその上の絶縁膜ごと除去(リフトオフ)して絶縁部材6とする。あるいは、光変調素子5に成形加工した後レジストを除去して、絶縁膜を成膜して光変調素子5、5間に堆積させ、エッチングやCMP(Chemical Mechanical Polishing:化学機械研磨)などにより光変調素子5の上の絶縁膜を除去してもよい。   Next, the light modulation element 5 is formed. A magnetization fixed layer 51, an intermediate layer 52, a magnetization free layer 53, and a protective layer 54 are continuously formed on the upper surface of the lower electrode 3 (and the insulating member 6), for example, a known method such as a sputtering method or a molecular beam epitaxy (MBE) method. In this way, the film is continuously formed and laminated. These layers are molded into the shape in plan view by electron beam lithography, ion beam milling, or the like to obtain the light modulation element 5. With the resist used as a mask in the molding process left, an insulating film is formed and deposited between the light modulation elements 5 and 5 (including those between adjacent pixels 4 and 4). The insulating film 6 is removed (lifted off) to form the insulating member 6. Alternatively, after forming the light modulation element 5, the resist is removed, an insulating film is formed and deposited between the light modulation elements 5 and 5, and light is etched or etched by CMP (Chemical Mechanical Polishing). The insulating film on the modulation element 5 may be removed.

次に、上部電極2を形成する。光変調素子5および絶縁部材6の上面に、下地層としての金属膜、透明電極材料を連続して成膜し、下部電極3と直交するストライプ状に形成して上部電極2とする。最後に、上部電極2、2間に絶縁部材6を堆積して、画素4(画素アレイ40)とする。   Next, the upper electrode 2 is formed. A metal film as a base layer and a transparent electrode material are continuously formed on the upper surfaces of the light modulation element 5 and the insulating member 6 and formed into a stripe shape orthogonal to the lower electrode 3 to form the upper electrode 2. Finally, an insulating member 6 is deposited between the upper electrodes 2 and 2 to form a pixel 4 (pixel array 40).

(表示装置および空間光変調器の画素選択の動作)
次に、空間光変調器1の画素選択の動作を、この空間光変調器1を用いた表示装置10として、図4を参照して説明する。電極2、3は、前記の通り、電流制御部80に接続される。また、図4に示すように、本実施形態に係る表示装置10においては、空間光変調器1の画素4(画素アレイ40)の上方に、画素アレイ40に向けて光を照射する光源91と、光源91から照射された光を画素アレイ40に入射する前に偏光とする入射偏光フィルタPF1と、画素アレイ40で反射または回折して出射した光から特定の向きの偏光のみを透過する出射偏光フィルタPF2と、出射偏光フィルタPF2を透過した光を検出する検出器(画像表示手段)93とが配置される。
(Operation of pixel selection of display device and spatial light modulator)
Next, the pixel selection operation of the spatial light modulator 1 will be described as a display device 10 using the spatial light modulator 1 with reference to FIG. The electrodes 2 and 3 are connected to the current control unit 80 as described above. As shown in FIG. 4, in the display device 10 according to the present embodiment, a light source 91 that irradiates light toward the pixel array 40 above the pixels 4 (pixel array 40) of the spatial light modulator 1 and , An incident polarization filter PF1 that polarizes the light emitted from the light source 91 before entering the pixel array 40, and outgoing polarized light that transmits only polarized light in a specific direction from the light reflected or diffracted by the pixel array 40. A filter PF2 and a detector (image display means) 93 that detects light transmitted through the output polarization filter PF2 are arranged.

光源91は、例えばレーザー光源、およびこれに光学的に接続されてレーザー光を拡大するビーム拡大器、さらに拡大されたレーザー光を平行光とするレンズなどで構成することができる。光源91から照射された入射光は様々な偏光成分を含んでいるので、これを画素アレイ40の手前の入射偏光フィルタPF1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のすべての画素4に所定の入射角で入射する。それぞれの画素4において、入射偏光は、上部電極2を透過して光変調素子5に入射し、光変調素子5の磁化自由層53で反射または回折して出射偏光として出射し、再び上部電極2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、出射偏光フィルタPF2に到達する。出射偏光フィルタPF2は、特定の偏光、ここでは入射偏光に対して角度θap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93に入射される。偏光フィルタPF1、PF2はそれぞれ偏光板などであり、検出器93はスクリーンなどの画像表示手段である。あるいは、検出器93はカメラなどの撮像手段としてもよい。   The light source 91 can be composed of, for example, a laser light source, a beam expander that is optically connected to the laser light source to expand the laser light, and a lens that makes the expanded laser light parallel light. Since the incident light emitted from the light source 91 includes various polarization components, the incident light is transmitted through the incident polarization filter PF1 in front of the pixel array 40 to obtain light of one polarization component. Hereinafter, light of one polarization component is referred to as polarization. This polarized light (incident polarized light) is incident on all the pixels 4 of the pixel array 40 at a predetermined incident angle. In each pixel 4, the incident polarized light passes through the upper electrode 2 and enters the light modulation element 5, is reflected or diffracted by the magnetization free layer 53 of the light modulation element 5, and is emitted as outgoing polarization, and is again emitted from the upper electrode 2. And is emitted from the pixel 4. All the outgoing polarized light emitted from each pixel 4 reaches the outgoing polarization filter PF2. The outgoing polarization filter PF2 transmits only specific polarized light, here, polarized light whose angle θap is rotated with respect to the incident polarized light, and this transmitted outgoing polarized light is incident on the detector 93. The polarizing filters PF1 and PF2 are polarizing plates, respectively, and the detector 93 is an image display means such as a screen. Alternatively, the detector 93 may be imaging means such as a camera.

前記したように、光変調素子5はスピン注入型磁化反転素子であり、電極2、3から供給される電流の向きに応じて磁化反転して、磁化自由層53で反射または回折した偏光を、互いに反対向きに旋光させる(図2(a)、(b)参照)。磁化が平行、反平行である光変調素子5における旋光角をそれぞれθp,θapと表し、磁化自由層53のカー回転角をθkとすると、θp=+θk、θap=−θkとなり、電極2、3からの電流の向きにより光変調素子5からの出射光の偏光の向きの差すなわち旋光角の差|θp−θap|は2θkとなる。   As described above, the light modulation element 5 is a spin-injection type magnetization reversal element, and the polarized light that has undergone magnetization reversal according to the direction of current supplied from the electrodes 2 and 3 and is reflected or diffracted by the magnetization free layer 53 is obtained. Optical rotations are performed in opposite directions (see FIGS. 2A and 2B). If the optical rotation angles in the light modulation element 5 with magnetization parallel and antiparallel are respectively represented as θp and θap, and the Kerr rotation angle of the magnetization free layer 53 is θk, then θp = + θk, θap = −θk, and the electrodes 2, 3 The difference in the polarization direction of the light emitted from the light modulation element 5, that is, the difference in optical rotation angle | θp−θap |

あるいは、光変調素子5に入射した偏光が、磁化自由層53、中間層52、磁化固定層51を透過し、下部電極3の上面で反射または回折して、再び磁化固定層51、中間層52、磁化自由層53を透過して出射する構成であってもよい。この場合は、磁性体である磁化自由層53および磁化固定層51を透過することで、ファラデー効果により、偏光はその向きが、磁化自由層53および磁化固定層51のそれぞれの所定の角度(旋光角)に回転(旋光)する。ただし、磁化固定層51の磁化方向は一定であるので、光変調素子5からの出射光の偏光の変化は磁化自由層53のファラデー回転角θFによって決定される。出射光は磁化自由層53を2回透過しているので、旋光角の差|θp−θap|は4θFとなる。   Alternatively, the polarized light incident on the light modulation element 5 is transmitted through the magnetization free layer 53, the intermediate layer 52, and the magnetization fixed layer 51, reflected or diffracted on the upper surface of the lower electrode 3, and again the magnetization fixed layer 51 and the intermediate layer 52. Further, a configuration in which the light is transmitted through the magnetization free layer 53 and emitted may be used. In this case, by passing through the magnetization free layer 53 and the magnetization fixed layer 51 which are magnetic materials, the direction of polarized light depends on the respective predetermined angles (optical rotation) of the magnetization free layer 53 and the magnetization fixed layer 51 due to the Faraday effect. Rotate (rotate) to (angle). However, since the magnetization direction of the magnetization fixed layer 51 is constant, the change in the polarization of the emitted light from the light modulation element 5 is determined by the Faraday rotation angle θF of the magnetization free layer 53. Since the emitted light passes through the magnetization free layer 53 twice, the difference in optical rotation angle | θp−θap | is 4θF.

入射偏光に対して角度θap旋光した図4の左右両端の画素4、4からのそれぞれの出射偏光は、出射偏光フィルタPF2を透過して検出器93に到達するので、この画素4は明るく(白く)検出器93に表示される。一方、中央の画素4からの出射偏光は、出射偏光フィルタPF2で遮られるので、この画素4は暗く(黒く)、検出器93に表示される。このように、画素毎に明/暗(白/黒)を切り分けられ、電流の向きを切り換えれば明/暗が切り換わる。なお、空間光変調器1の初期状態としては、例えば全体が白く表示されるように、すべての画素4の光変調素子5の磁化を反平行にするべく、上部電極2のすべてを「−」、下部電極3のすべてを「+」にして、上向きの電流を供給すればよい。   The outgoing polarized light from the pixels 4 and 4 at both left and right ends in FIG. 4 rotated by the angle θap with respect to the incident polarized light passes through the outgoing polarizing filter PF2 and reaches the detector 93, so that the pixel 4 is bright (white). ) Is displayed on the detector 93. On the other hand, since the outgoing polarized light from the central pixel 4 is blocked by the outgoing polarizing filter PF2, the pixel 4 is dark (black) and displayed on the detector 93. Thus, light / dark (white / black) can be separated for each pixel, and light / dark can be switched by switching the direction of the current. As an initial state of the spatial light modulator 1, for example, all the upper electrodes 2 are “-” so that the magnetizations of the light modulation elements 5 of all the pixels 4 are anti-parallel so that the whole is displayed white. All of the lower electrode 3 may be set to “+” to supply an upward current.

ここで、磁化自由層53のカー回転角θkおよびファラデー回転角θFは、前記したように光の入射角が磁化自由層53の磁化方向に近いほど大きい。したがって、入射角は膜面に垂直すなわち0°とすることが旋光角の差|θp−θap|を最大にする上で望ましいが、このようにすると出射偏光の光路が入射偏光の光路と一致する。そこで、入射角を少し傾斜させて、出射偏光フィルタPF2および検出器93、光源91および入射偏光フィルタPF1が、それぞれ入射偏光および出射偏光の光路を遮らない配置となるようにする。具体的には、偏光の入射角は5°〜30°とすることが好ましい。または、入射角0°として、入射偏光フィルタPF1と画素アレイ40との間にハーフミラーを配置して、出射偏光のみを側方へ反射させてもよい。この場合、出射偏光フィルタPF2および検出器93は画素アレイ40の側方に配置する。   Here, the Kerr rotation angle θk and the Faraday rotation angle θF of the magnetization free layer 53 are larger as the incident angle of light is closer to the magnetization direction of the magnetization free layer 53 as described above. Accordingly, it is desirable that the incident angle be perpendicular to the film surface, that is, 0 °, in order to maximize the difference in optical rotation angle | θp−θap |. In this case, the optical path of the outgoing polarized light coincides with the optical path of the incident polarized light. . Therefore, the incident angle is slightly inclined so that the outgoing polarization filter PF2, the detector 93, the light source 91, and the incoming polarization filter PF1 are arranged so as not to block the optical paths of the incident polarized light and the outgoing polarized light, respectively. Specifically, the incident angle of polarized light is preferably 5 ° to 30 °. Alternatively, a half mirror may be disposed between the incident polarizing filter PF1 and the pixel array 40 with an incident angle of 0 °, and only the outgoing polarized light may be reflected to the side. In this case, the output polarization filter PF2 and the detector 93 are arranged on the side of the pixel array 40.

(空間光変調器の変形例)
なお、第1実施形態に係る空間光変調器において、上下を入れ替えた構成として基板側から入射する反射型の空間光変調器としてもよい(図示せず)。すなわち、下部電極を透明電極材料で、上部電極を電極用金属材料でそれぞれ構成して、下方から入射した光が下部電極を透過して光変調素子5または上部電極で反射または回折して再び下部電極を透過して出射する。この場合、下部電極は上部電極を透明電極材料で構成した場合と同様に、光変調素子5との間に金属膜である下地層を設けて接触抵抗を低減させることが好ましい。また、光変調素子5は磁化固定層51と磁化自由層53の位置を入れ替えて積層する。さらに、基板は、下方から画素4に光を入射させて、再び画素4から出射した光がさらに下方へ照射されるように、透明な基板材料、例えば、SiO2、Al23、MgOなどからなる。このような構成の空間光変調器は、画素アレイ40の上下(表裏)を反転させて基板側を光源91などに向けて配置することで、表示装置10(図4参照)に用いることができる。
(Modification of spatial light modulator)
Note that the spatial light modulator according to the first embodiment may be a reflective spatial light modulator that is incident from the substrate side as a configuration in which the top and bottom are switched (not shown). That is, the lower electrode is made of a transparent electrode material and the upper electrode is made of an electrode metal material, and light incident from below passes through the lower electrode and is reflected or diffracted by the light modulation element 5 or the upper electrode and again lower. The light is transmitted through the electrode. In this case, as in the case where the upper electrode is made of a transparent electrode material, the lower electrode is preferably provided with a base layer, which is a metal film, between the light modulation element 5 and the contact resistance is reduced. In addition, the light modulation element 5 is laminated by switching the positions of the magnetization fixed layer 51 and the magnetization free layer 53. Further, the substrate is made of a transparent substrate material such as SiO 2 , Al 2 O 3 , MgO or the like so that light is incident on the pixel 4 from below and light emitted from the pixel 4 is irradiated again downward. Consists of. The spatial light modulator having such a configuration can be used for the display device 10 (see FIG. 4) by inverting the top and bottom (front and back) of the pixel array 40 and arranging the substrate side facing the light source 91 and the like. .

(空間光変調器および表示装置の第2実施形態)
次に、図5を参照して、空間光変調器および表示装置の第2実施形態について説明する。
図4に示した第1実施形態の空間光変調器1および表示装置10は、空間光変調器を反射型に構成し、その空間光変調器を用いて表示装置を構成したものである。これに対して、図5に示した第2実施形態の空間光変調器1Aは、空間光変調器を透過型に構成し、この空間光変調器1Aを用いて表示装置10Aを構成するものである。なお、第1実施形態の空間光変調器1および表示装置10と同じ構成については、同じ符号を付して説明は適宜省略する。
(Second Embodiment of Spatial Light Modulator and Display Device)
Next, a second embodiment of the spatial light modulator and the display device will be described with reference to FIG.
The spatial light modulator 1 and the display device 10 of the first embodiment shown in FIG. 4 are configured by configuring the spatial light modulator to be a reflection type, and configuring the display device using the spatial light modulator. On the other hand, the spatial light modulator 1A according to the second embodiment shown in FIG. 5 is configured such that the spatial light modulator is a transmission type, and the display device 10A is configured using the spatial light modulator 1A. is there. In addition, about the same structure as the spatial light modulator 1 and the display apparatus 10 of 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted suitably.

図5に示すように、第2実施形態の空間光変調器1Aは、上部電極2および下部電極3Aをともに透明電極材料で構成して、透過型の空間光変調器1Aとする。このとき、基板7Aは、上方から画素4Aを透過した光がさらに下方へ照射されるように、SiO2、Al23、MgOなどの透明な基板材料からなる。また、光変調素子5は磁化固定層51と磁化自由層53の位置を入れ替えて積層してもよい。このような空間光変調器1Aを用いた表示装置10Aにおいては、光源91および入射偏光フィルタPF1は画素アレイ40Aの直上に、出射偏光フィルタPF2および検出器93は、画素アレイ40Aの直下にそれぞれ配置し、入射角0°とすることができる。また、空間光変調器1Aは、画素アレイ40Aの上下を反転させて表示装置10Aに配置されてもよい。 As shown in FIG. 5, in the spatial light modulator 1A of the second embodiment, the upper electrode 2 and the lower electrode 3A are both made of a transparent electrode material to form a transmissive spatial light modulator 1A. At this time, the substrate 7A is made of a transparent substrate material such as SiO 2 , Al 2 O 3 , or MgO so that light transmitted through the pixel 4A from above is further irradiated downward. Further, the light modulation element 5 may be laminated by switching the positions of the magnetization fixed layer 51 and the magnetization free layer 53. In the display device 10A using such a spatial light modulator 1A, the light source 91 and the incident polarization filter PF1 are disposed immediately above the pixel array 40A, and the output polarization filter PF2 and the detector 93 are disposed immediately below the pixel array 40A. The incident angle can be 0 °. Further, the spatial light modulator 1A may be arranged in the display device 10A by inverting the top and bottom of the pixel array 40A.

第2実施形態の空間光変調器1Aおよび表示装置10Aの動作は、第1実施形態の空間光変調器1および表示装置10において、光変調素子5による主としてカー効果による変調を受ける反射光または回折光に代えて、光変調素子5によるファラデー効果による変調を受ける透過光を出射偏光とするほかは同様であるので、説明は省略する。   The operations of the spatial light modulator 1A and the display device 10A according to the second embodiment are the same as the reflected light or diffraction that is modulated mainly by the Kerr effect by the light modulation element 5 in the spatial light modulator 1 and the display device 10 according to the first embodiment. Since the transmitted light that is modulated by the Faraday effect by the light modulation element 5 instead of the light is the same as the outgoing polarization, the description thereof is omitted.

以上説明したように、本発明の各実施形態およびその変形例に係る空間光変調器によれば、駆動電流を低減したスピン注入型磁化反転素子である光変調素子を画素として用いるため、安定した画素選択動作をする空間光変調器とすることができる。また、かかる空間変調器を用いた表示装置は、鮮明でばらつきの少ない画像を表示することができる。   As described above, according to the spatial light modulators according to the embodiments of the present invention and the modifications thereof, the light modulation element that is a spin-injection type magnetization reversal element with a reduced drive current is used as a pixel. A spatial light modulator that performs pixel selection operation can be obtained. In addition, a display device using such a spatial modulator can display a clear image with little variation.

以上、本発明のスピン注入型磁化反転素子、光変調素子、空間光変調器および表示装置を実施するための各実施形態について説明したが、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。例えば、スピン注入型磁化反転素子の磁化自由層は、磁化反転させる電流が供給されるまではその磁化方向を保持するという磁化方向のメモリ効果を利用して、スピン注入型磁化反転素子をメモリ素子として利用することができる。   As mentioned above, although each embodiment for implementing the spin injection type magnetization reversal element, the light modulation element, the spatial light modulator, and the display device of the present invention has been described, the present invention is not limited to these embodiments. Various modifications can be made within the scope of the claims. For example, the magnetization free layer of a spin-injection type magnetization reversal element uses the memory effect of the magnetization direction to maintain the magnetization direction until a current for reversing the magnetization is supplied. Can be used as

<光変調素子の変形例>
[光変調素子(スピン注入型磁化反転素子)]
次に、図6を参照して、本発明における光変調素子の第1実施形態の変形例について説明する。第1実施形態(図1参照)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6に示すように、本発明の変形例に係る光変調素子5Aは、磁化固定層51、中間層52、磁化自由層53A、保護層54の順に積層され、磁化自由層53Aを備えること以外は第1実施形態に係る光変調素子5と同じ構成のスピン注入型磁化反転素子であり、磁化反転動作および入射光の旋光も同様である。
<Modification of light modulation element>
[Light modulation element (spin injection type magnetization reversal element)]
Next, a modification of the first embodiment of the light modulation element of the present invention will be described with reference to FIG. The same elements as those in the first embodiment (see FIG. 1) are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. As shown in FIG. 6, the light modulation element 5A according to the modification of the present invention is formed by laminating the magnetization fixed layer 51, the intermediate layer 52, the magnetization free layer 53A, and the protective layer 54 in this order, and including the magnetization free layer 53A. Is a spin-injection type magnetization reversal element having the same configuration as that of the light modulation element 5 according to the first embodiment, and the magnetization reversal operation and the rotation of incident light are the same.

本変形例における光変調素子5Aの磁化自由層53Aは、図1に示した第1実施形態における光変調素子5の磁化自由層53において、磁性金属膜53a1と非磁性金属膜53a2を交互に積層してなる多層膜からなる主層53aに代えて、緩衝層53cと接する多層膜の最下層を合金膜53a3とした主層53Aaを用いて構成したものである。合金膜53a3は、磁性金属膜53a1を構成する磁性金属と、非磁性金属膜53a2を構成する非磁性金属との合金を用いて構成する。磁性金属膜53a1および非磁性金属膜53a2としては、第1実施形態で用いることができる材料と同じであるので、説明は省略する。   The magnetization free layer 53A of the light modulation element 5A in the present modification is formed by alternately laminating the magnetic metal film 53a1 and the nonmagnetic metal film 53a2 in the magnetization free layer 53 of the light modulation element 5 in the first embodiment shown in FIG. Instead of the main layer 53a made of the multilayer film, the main layer 53Aa in which the lowermost layer of the multilayer film in contact with the buffer layer 53c is the alloy film 53a3 is used. The alloy film 53a3 is formed using an alloy of a magnetic metal that forms the magnetic metal film 53a1 and a nonmagnetic metal that forms the nonmagnetic metal film 53a2. Since the magnetic metal film 53a1 and the nonmagnetic metal film 53a2 are the same as the materials that can be used in the first embodiment, description thereof is omitted.

このように、磁化自由層53Aにおける多層膜からなる主層53Aaの最下層を、多層膜の他の層を構成する磁性金属と非磁性金属との合金としても、第2界面層53bの(001)面配向を向上することができる。   In this way, even if the lowermost layer of the main layer 53Aa made of a multilayer film in the magnetization free layer 53A is an alloy of a magnetic metal and a nonmagnetic metal constituting the other layers of the multilayer film, the (001) of the second interface layer 53b ) The plane orientation can be improved.

本変形例の光変調素子5Aの動作は、図1に示した第1実施形態の光変調素子5と同様であるので、説明は省略する。また、図3ないし図5に示した空間光変調器および表示装置において、図1に示した第1実施形態の光変調素子5に代えて、本変形例の光変調素子5Aを用いても空間光変調器および表示装置を構成することができ、その動作も同様であるので、説明は省略する。   The operation of the light modulation element 5A of this modification is the same as that of the light modulation element 5 of the first embodiment shown in FIG. Further, in the spatial light modulator and the display device shown in FIGS. 3 to 5, even if the light modulation element 5A of the present modification is used instead of the light modulation element 5 of the first embodiment shown in FIG. Since the optical modulator and the display device can be configured and the operations are the same, description thereof is omitted.

本発明の効果として中間層のMgOの(001)面配向の強さを確認するために、実施例1として、図1に示した構造の本発明の第1実施形態に係る光変調素子のサンプルを、実施例2として、図6に示した構造の本発明の第1実施形態の変形例に係る構成の光変調素子のサンプルを、比較例として、図7に示した構造の従来技術の光変調素子のサンプルを作製し、それらのX線回折パターンを測定した。   In order to confirm the strength of (001) plane orientation of MgO in the intermediate layer as an effect of the present invention, a sample of the light modulation element according to the first embodiment of the present invention having the structure shown in FIG. As a second example, a sample of a light modulation element having the structure shown in FIG. 6 according to the modification of the first embodiment of the present invention is used as a comparative example. Samples of modulation elements were prepared and their X-ray diffraction patterns were measured.

実施例1、実施例2および比較例における光変調素子のサンプルの各層の構成材料および膜厚を表1に示す。   Table 1 shows the constituent materials and film thicknesses of the respective layers of the samples of the light modulation elements in Example 1, Example 2, and Comparative Example.

Figure 2012230143
Figure 2012230143

まず、実施例1、実施例2および比較例のサンプルに共通する構成について説明する。基板は厚さ300nm程度の熱酸化膜付きのSi基板を用いた。下部電極は、膜厚が50nmのTa膜上に膜厚が3nmのRu膜を積層して形成した。   First, a configuration common to the samples of Example 1, Example 2, and Comparative Example will be described. As the substrate, a Si substrate with a thermal oxide film having a thickness of about 300 nm was used. The lower electrode was formed by laminating a Ru film having a thickness of 3 nm on a Ta film having a thickness of 50 nm.

磁化固定層は、主層を膜厚が30nmのTb−Fe−Co系合金膜とし、第1界面層を膜厚が1.2nmのCo−Fe−B系合金膜で形成した。中間層は、膜厚が30nmのMgO膜を形成した。なお、中間層であるMgO膜の膜厚は、素子としては1nm程度が好ましいが、X線回折におけるX線感度を向上して、MgO膜の(001)面配向性を確認しやすくするため、膜厚を厚く形成した。   The magnetization fixed layer was formed of a Tb—Fe—Co alloy film having a thickness of 30 nm as a main layer and a Co—Fe—B alloy film having a thickness of 1.2 nm as a first interface layer. As the intermediate layer, an MgO film having a thickness of 30 nm was formed. The film thickness of the MgO film as the intermediate layer is preferably about 1 nm as an element, but in order to improve the X-ray sensitivity in X-ray diffraction and make it easy to confirm the (001) plane orientation of the MgO film, A thick film was formed.

また、磁化自由層の第2界面層は、膜厚が0.6nmのCo−Fe−B系合金膜で形成した。磁化自由層の緩衝層および主層は、それぞれのサンプルで構成が異なるため後記する。   The second interface layer of the magnetization free layer was formed of a Co—Fe—B alloy film having a thickness of 0.6 nm. The buffer layer and the main layer of the magnetization free layer will be described later because the configurations are different for each sample.

保護層は、膜厚が1.8nmのTa膜上に、膜厚が2nmのPt膜を積層して形成した。上部電極は、膜厚が350nmのIZO膜で形成した。   The protective layer was formed by stacking a Pt film having a thickness of 2 nm on a Ta film having a thickness of 1.8 nm. The upper electrode was formed of an IZO film having a thickness of 350 nm.

磁化自由層の緩衝層は、実施例1および実施例2では、膜厚が1nmのTa膜で形成した。なお、比較例では、緩衝層は形成しない。   In Example 1 and Example 2, the buffer layer of the magnetization free layer was formed of a Ta film having a thickness of 1 nm. In the comparative example, no buffer layer is formed.

実施例1では、磁化自由層の主層は、膜厚が0.3nmのCo膜と膜厚が1.5nmのPt膜とを、最下層をCo膜として、交互に合計で5層を積層して形成した。実施例2では、磁化自由層の主層は、最下層を膜厚が1.2nmの、組成がそれぞれ50at%のCo−Pt合金膜とし、さらに膜厚が1.5nmのPt膜と膜厚が0.3nmのCo膜とを交互に合計で4層を積層して形成した。比較例では、磁化自由層の主層は、膜厚が0.3nmのCo膜と膜厚が1.5nmのPt膜とを、最下層をPt膜として、交互に合計で6層を積層して形成した。   In Example 1, the main layer of the magnetization free layer is formed by alternately stacking a total of five layers, with a Co film having a film thickness of 0.3 nm and a Pt film having a film thickness of 1.5 nm and a Co film as the lowermost layer. Formed. In Example 2, the main layer of the magnetization free layer is a Co—Pt alloy film having a thickness of 1.2 nm at the bottom and a composition of 50 at%, and a Pt film having a thickness of 1.5 nm. Were formed by alternately stacking four layers of Co films with a thickness of 0.3 nm. In the comparative example, the main layer of the magnetization free layer is formed by alternately stacking a total of 6 layers, with a Co film having a film thickness of 0.3 nm and a Pt film having a film thickness of 1.5 nm, and the lowermost layer being a Pt film. Formed.

なお、中間層のMgO膜および上部電極のIZO膜は、RFイオンビームスパッタリング法により製膜した。それ以外の膜は、DCイオンビームスパッタリング法により製膜した。また、何れのサンプルも真空中で300度の熱処理を行った。   The intermediate layer MgO film and the upper electrode IZO film were formed by RF ion beam sputtering. The other films were formed by DC ion beam sputtering. Each sample was heat-treated at 300 ° C. in a vacuum.

図8に、実施例1、実施例2および比較例として作製した光変調素子のサンプルのX線回折パターンのプロファイル示す。なお、X線源はCuKαを用いた。   FIG. 8 shows profiles of X-ray diffraction patterns of samples of the light modulation elements manufactured as Example 1, Example 2, and Comparative Example. Note that CuKα was used as the X-ray source.

図8に示すように、bcc系のTa膜の(110)面、fcc系のPt膜の(111)面、およびMgO膜の(002)面のピークが、各サンプルで観測された。MgO膜の(002)面は、MgO膜の(001)面に平行な面であり、X線回折測定では、消滅則によりMgO膜の(001)面は観測されず、MgO(002)面が観測される。したがって、実施例1および実施例2ともに、比較例に比べてMgO膜の(002)面のピーク強度が増大しており、MgO膜の(001)面配向性が向上していることを示している。すなわち、緩衝層としてTa膜を挿入した効果があることを示している。   As shown in FIG. 8, the peaks of the (110) plane of the bcc Ta film, the (111) plane of the fcc Pt film, and the (002) plane of the MgO film were observed in each sample. The (002) plane of the MgO film is a plane parallel to the (001) plane of the MgO film. In the X-ray diffraction measurement, the (001) plane of the MgO film is not observed due to the extinction law, and the MgO (002) plane is Observed. Therefore, both Example 1 and Example 2 show that the peak intensity of the (002) plane of the MgO film is increased compared to the comparative example, and the (001) plane orientation of the MgO film is improved. Yes. That is, it is shown that there is an effect of inserting a Ta film as a buffer layer.

1、1A 空間光変調器
10、10A 表示装置
40、40A 画素アレイ
4、4A 画素
2 上部電極
3、3A 下部電極
5、5A 光変調素子(スピン注入型磁化反転素子)
51 磁化固定層
51a 主層
51b 第1界面層
52 中間層
53、53A 磁化自由層
53a、53Aa 主層
53a1 磁性金属膜
53a2 非磁性金属膜
53a3 合金膜
53b 第2界面層(界面層)
53c 緩衝層
54 保護層
6 絶縁部材
7、7A 基板
80 電流制御部
81 電源(電流供給手段)
84 画素選択部(画素選択手段)
91 光源
93 検出器(画像表示手段)
PF1 入射偏光フィルタ
PF2 出射偏光フィルタ(偏光子)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1A Spatial light modulator 10, 10A Display apparatus 40, 40A Pixel array 4, 4A Pixel 2 Upper electrode 3, 3A Lower electrode 5, 5A Light modulation element (spin injection type magnetization reversal element)
51 Magnetization pinned layer 51a Main layer 51b First interface layer 52 Intermediate layer 53, 53A Magnetization free layer 53a, 53Aa Main layer 53a1 Magnetic metal film 53a2 Nonmagnetic metal film 53a3 Alloy film 53b Second interface layer (interface layer)
53c Buffer layer 54 Protective layer 6 Insulating member 7, 7A Substrate 80 Current control unit 81 Power supply (current supply means)
84 Pixel selection unit (pixel selection means)
91 Light source 93 Detector (image display means)
PF1 incident polarizing filter PF2 outgoing polarizing filter (polarizer)

Claims (6)

垂直磁気異方性を示す磁化固定層と、MgOからなる中間層と、垂直磁気異方性を示す磁化自由層とをこの順で積層したトンネル磁気抵抗型のスピン注入型磁化反転素子構造を備え、前記スピン注入型磁化反転素子構造の上下に設けられた一対の電極を介して電流を供給されることにより前記磁化自由層の磁化方向を反転させるスピン注入型磁化反転素子であって、
前記磁化自由層は、前記中間層と接し、遷移金属または遷移金属を含む合金からなる界面層と、
Ta膜またはRu膜からなる緩衝層と、
遷移金属または遷移金属を含む合金からなる磁性金属膜を含む主層と、
をこの順で積層したことを特徴とするスピン注入型磁化反転素子。
A tunnel magnetoresistive spin-injection type magnetization reversal element structure in which a magnetization fixed layer exhibiting perpendicular magnetic anisotropy, an intermediate layer made of MgO, and a magnetization free layer exhibiting perpendicular magnetic anisotropy are stacked in this order is provided. A spin injection type magnetization reversal element that reverses the magnetization direction of the magnetization free layer by supplying a current through a pair of electrodes provided above and below the spin injection type magnetization reversal element structure,
The magnetization free layer is in contact with the intermediate layer, and an interface layer made of a transition metal or an alloy containing a transition metal,
A buffer layer made of Ta film or Ru film;
A main layer including a magnetic metal film made of a transition metal or an alloy including a transition metal;
Are stacked in this order.
前記磁化自由層の前記主層は、遷移金属もしくは遷移金属を含む合金からなる前記磁性金属膜と、非磁性金属としてAu、Ag、Ru、Rh、Pd、Os、IrおよびPtから選択される1種の貴金属、または2種以上の貴金属の合金からなる前記非磁性金属膜と、を交互に積層した多層膜からなることを特徴とする請求項1に記載のスピン注入型磁化反転素子。   The main layer of the magnetization free layer is selected from the magnetic metal film made of a transition metal or an alloy containing a transition metal, and Au, Ag, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt as nonmagnetic metals. 2. The spin-injection type magnetization reversal element according to claim 1, wherein the spin-injection magnetization reversal element is formed of a multilayer film in which the nonmagnetic metal films made of seed noble metals or an alloy of two or more kinds of noble metals are alternately stacked. 前記磁化自由層の前記主層は、Co、FeおよびNiから選択される遷移金属またはCo、FeおよびNiから選択される遷移金属を含む合金からなる前記磁性金属膜と、非磁性金属としてPdおよびPtから選択される貴金属からなる前記非磁性金属膜と、を交互に積層した前記多層膜からなることを特徴とする請求項2に記載のスピン注入型磁化反転素子。   The main layer of the magnetization free layer includes the magnetic metal film made of a transition metal selected from Co, Fe and Ni or an alloy containing a transition metal selected from Co, Fe and Ni, and Pd and N as nonmagnetic metals. 3. The spin injection type magnetization reversal element according to claim 2, comprising the multilayer film in which the nonmagnetic metal films made of a noble metal selected from Pt are alternately stacked. 前記磁化自由層の前記主層は、前記磁性金属膜と前記非磁性金属膜とを交互に積層した前記多層膜であって、当該多層膜の最下層に、前記磁性金属膜を構成する磁性金属と前記非磁性金属膜を構成する非磁性金属との合金からなる合金膜を設けたことを特徴とする請求項1ないし請求項3の何れか一項に記載のスピン注入型磁化反転素子。   The main layer of the magnetization free layer is the multilayer film in which the magnetic metal film and the nonmagnetic metal film are alternately stacked, and the magnetic metal constituting the magnetic metal film is formed in the lowermost layer of the multilayer film. 4. The spin-injection type magnetization reversal element according to claim 1, further comprising an alloy film made of an alloy of a nonmagnetic metal and the nonmagnetic metal constituting the nonmagnetic metal film. 請求項1ないし請求項4の何れか一項に記載のスピン注入型磁化反転素子を備え、前記スピン注入型磁化反転素子に入射した光を、前記磁化自由層の磁化方向を反転させることによりその偏光方向を変化させて出射する光変調素子。   5. A spin-injection type magnetization reversal device according to claim 1, wherein light incident on the spin-injection type magnetization reversal device is inverted by reversing the magnetization direction of the magnetization free layer. Light modulation element that emits light with its polarization direction changed. 基板と、この基板上に2次元配列された複数の画素と、前記複数の画素から1つ以上の画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備えて、前記画素選択手段が選択した画素に入射した光の偏光方向を特定の方向に変化させて出射する空間光変調器であって、
前記画素として、請求項7に記載の光変調素子を備える空間光変調器。
A substrate, a plurality of pixels two-dimensionally arranged on the substrate, pixel selection means for selecting one or more pixels from the plurality of pixels, and supplying a predetermined current to the pixels selected by the pixel selection means A spatial light modulator that includes a current supply unit and emits light by changing a polarization direction of light incident on the pixel selected by the pixel selection unit in a specific direction,
A spatial light modulator comprising the light modulation element according to claim 7 as the pixel.
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JP2015138098A (en) * 2014-01-21 2015-07-30 日本放送協会 Magnetoresistance effect element and spatial light modulator
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