(57)【要約】【課題】垂直磁気異方性を有するが保磁力の小さいＧｄ−Ｆｅ合金を磁化固定層に適用して、磁化反転動作の安定したスピン注入磁化反転素子を提供する。【解決手段】スピン注入磁化反転素子５は、磁化固定層３、中間層２、磁化自由層１を積層してなり、磁化固定層３が、ＧｄＦｅ層３１とＧｄ膜３２を交互に繰り返して積層してなるＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜３０を備える。磁化固定層３は、ＧｄＦｅ層３１が単層での厚さを抑えてＧｄ膜３２を挟んで繰り返し積層されることで、フェリ磁性体として垂直磁気異方性を示しつつ、Ｇｄの影響を強くしてＧｄ−Ｆｅ合金単体よりも保磁力を大きくする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが垂直磁気異方性を有する磁化固定層と磁化自由層の間に、中間層を積層してなるスピン注入磁化反転素子であって、
前記磁化固定層は、Ｇｄ−Ｆｅからなる層を２層以上、Ｇｄ膜と交互に積層して備えることを特徴とするスピン注入磁化反転素子。
【請求項２】
前記磁化自由層は、Ｇｄ−Ｆｅからなる層を備えることを特徴とする請求項１に記載のスピン注入磁化反転素子。
【請求項３】
前記中間層は、ＭｇＯからなり、
前記磁化固定層は、前記中間層との界面にＣｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる磁性金属膜をさらに備え、前記磁性金属膜に接して前記Ｇｄ膜が設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスピン注入磁化反転素子。
【請求項４】
入射した光の偏光の向きを変化させて出射する光変調素子であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のスピン注入磁化反転素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射した光を磁気光学効果により光の位相や振幅等を空間的に変調して出射する空間光変調器に用いる光変調素子に好適なスピン注入磁化反転素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
スピン注入磁化反転素子は、２層以上の磁性体膜（磁性膜）を備え、上下に接続された電極（配線）から膜面に垂直に電流を供給されることで、スピン注入磁化反転により一部の磁性膜（磁化自由層）の磁化方向が１８０°回転（反転）し、磁化方向が変化しない別の磁性膜（磁化固定層）と同じ方向または反対方向になる。このスピン注入磁化反転素子は、磁性膜同士の磁化が同じ方向の状態と異なる方向の状態とで上下の電極間の抵抗が変化するため、磁気抵抗効果素子として１ビットのデータの書込み／読出しを行うことができる。すなわち、スピン注入磁化反転素子は、これを備えたメモリセルをマトリクス状に配列して磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）を構成することができる。スピン注入磁化反転素子は、その寸法が極めて小さい上、磁化反転の動作が高速であるため、大容量磁気メモリとしてＭＲＡＭおよびスピン注入磁化反転素子の研究・開発が進められている。
【０００３】
スピン注入磁化反転素子としては、ＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance：垂直通電型巨大磁気抵抗）素子やＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance：トンネル磁気抵抗）素子が知られている。さらに近年では、ＭＲＡＭのさらなる大容量化および省電力化のために、膜面に垂直方向の磁化を示す（垂直磁気異方性を有する）磁性材料がスピン注入磁化反転素子に適用されている。垂直磁気異方性を有するスピン注入磁化反転素子は、いっそうの微細化が可能で、かつ磁化反転に要する電流（反転電流）を低減することができる。
【０００４】
磁気抵抗効果素子としては、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子よりも磁気抵抗比（ＭＲ比）の高いＴＭＲ素子について特に研究されている。ＴＭＲ素子は、２枚の磁性膜の間に、トンネル障壁または障壁層と呼ばれる極めて薄い絶縁体膜を挟んだ構造である。ＴＭＲ素子は、障壁層の材料として、磁化反転に要する電流をいっそう低減できる酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が好適とされ、特に、２枚の磁性膜の少なくとも一方に、障壁層との界面にＣｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂ等の磁性金属の薄膜を設けることで、スピン注入効率が向上し、反転電流が低減することが知られている（非特許文献２〜５参照）。
【０００５】
また、スピン注入磁化反転素子の別の用途として、空間光変調器の画素に搭載される光変調素子が挙げられる。光変調素子としてのスピン注入磁化反転素子は、磁性膜で反射または透過した光の偏光の向きが変化する（旋光する）磁気光学効果により、磁性膜の磁化方向を反転させて光の偏光の向きを２値に変化させるものである。空間光変調器においても、高精細化および高速化のために、従来の液晶に代わる材料として、ＭＲＡＭと同様にスピン注入磁化反転素子の研究・開発が進められている（例えば、特許文献１〜３参照）。光変調素子として使用するスピン注入磁化反転素子は、偏光の向きの変化が大きい（光変調度が大きい）ことが望ましい。そのため、光変調素子においても、垂直磁気異方性のスピン注入磁化反転素子を用いて、膜面にほぼ垂直に光を入射することにより、極カー効果で光変調度を大きくすることが望ましい（例えば、非特許文献１、特許文献２，３参照）。このような、垂直磁気異方性を有し、かつ磁気光学効果の大きい磁性材料として、Ｇｄ−Ｆｅ系合金が知られ、光変調素子としてのスピン注入磁化反転素子の磁化自由層に好適である（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−８３６８６号公報
【特許文献２】特開２０１１−２５２２号公報
【特許文献３】特開２０１２−１０３６３４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】K. Aoshima et. al, “Spin transfer switching in current-perpendicular-to-plane spin valve observed by magneto-optical Kerr effect using visible light”, Appl. Phys. Lett. 91, 052507 (2007)
【非特許文献２】S. S. P. Parkin, C. Kaiser, A. Panchula, P. M. Rice, B. Hughes, M. Samant, S. H. Yang, “Giant tunnelling magnetoresistance at room temperature with MgO (100) tunnel barriers”, Nature Materials, vol.3, p.862, Dec. 2004
【非特許文献３】Shinji Yuasa, Taro Nagahama, Akio Fukushima, Yoshishige Suzuki, Koji Ando, “Giant room-temperature magnetoresistance in single-crystal Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions”, Nature Materials, vol.3, p.868, Dec. 2004.
【非特許文献４】M. Nakayama, T. Kai, N. Shimomura, M. Amano, E. Kitagawa, T. Nagase, M. Yoshikawa, T. Kishi, S. Ikegawa, H. Yoda, “Spin transfer switching in TbCoFe/CoFeB/MgO/CoFeB/TbCoFe magnetic tunnel junctions with perpendicular magnetic anisotropy”, J. Appl. Phys. 103, 07A710 (2008).
【非特許文献５】久保田均，他，“ＭｇＯバリアを用いたＭＴＪにおけるスピン注入磁化反転”，日本応用磁気学会研究会資料１４５巻, p.43-48, 2006.01.30
【非特許文献６】D. D. Djayaprawira, et. al, “230% room-temperature magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions”, Appl. Phys. Lett. 86, 092502 (2005)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
スピン注入磁化反転素子は、２つの磁性膜とその間の非磁性金属または絶縁体の膜とを少なくとも備え、さらに下地への密着性を付与する下地膜や製造工程におけるダメージから最上層を保護する保護膜も含めて、各層の材料を連続的に成膜して積層して製造される。このような積層構造は、一般的に、各層に対応した複数のターゲット（スパッタ源）をスパッタ装置に装着して、ターゲットを切り替えて順次成膜することにより得られる。また、合金膜は、合金を構成する２種以上の金属ターゲットを同時に使用して形成することもできる。したがって、スピン注入磁化反転素子の製造には、各層の材料の種類分のターゲットを装着することのできるスパッタ装置を要する。そして、スピン注入磁化反転素子は、２以上の層で共通の材料が適用されていれば、ターゲットの装着数の少ないスパッタ装置で製造することができる。
【０００９】
しかし、Ｇｄ−Ｆｅ合金は保磁力が小さく、組成を調整することでスピン注入磁化反転素子の磁化自由層とすることはできる（特許文献３参照）が、さらに保磁力を十分に大きくすることが困難で、磁化固定層に適用されると磁化反転動作が安定しない。したがって、スピン注入磁化反転素子において、Ｇｄ−Ｆｅ合金は磁化自由層にしか適用することができず、磁化固定層には異なる磁性材料を適用する必要がある。
【００１０】
また、光変調素子においても、空間光変調器を高精細化するべく画素数を増大しても好適に駆動し、かつ省電力化のために反転電流を低減できるＴＭＲ素子を適用することが望ましい。ところがＧｄ−Ｆｅ合金はスピン偏極率が低く、ＴＭＲ素子の磁性膜に適用されても、ＭＲ比がＴＭＲ素子本来の水準に至らず、磁気抵抗効果素子として不十分であり、また、反転電流が低減されない。一方で、Ｇｄ−Ｆｅ合金からなる層は、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂのような磁性金属膜を積層されると、Ｃｏ−Ｆｅ等と同じ面内磁気異方性になって垂直磁気異方性を示さなくなる。
【００１１】
本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、Ｇｄ−Ｆｅ合金を磁化固定層に適用したスピン注入磁化反転素子を提供することを目的として、安定した磁化反転動作とし、さらにＴＭＲ素子として、反転電流を低減し、ＭＲ比を十分に高くすることが課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
Ｇｄ−Ｆｅ合金は、Ｆｅ，Ｇｄのそれぞれの磁界成分のバランスにより磁気特性が変化し、組成を所定の範囲とすることで、フェリ磁性体として垂直磁気異方性を示す。そこで本発明者らは、Ｇｄ−Ｆｅ合金の層を、Ｇｄ膜と組み合わせることで、フェリ磁性体として機能させつつ、Ｇｄの磁界成分を強くして保磁力を大きくすることに想到した。
【００１３】
すなわち、本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、それぞれが垂直磁気異方性を有する磁化固定層と磁化自由層の間に中間層を積層してなり、前記磁化固定層が、Ｇｄ−Ｆｅからなる層を２層以上、Ｇｄ膜と交互に積層して備えることを特徴とする。さらに、本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、前記磁化自由層がＧｄ−Ｆｅからなる層を備えてもよい。
【００１４】
かかる構成により、単独では保磁力の小さいＧｄ−Ｆｅ合金を磁化固定層に適用しても、磁化反転動作の安定した、垂直磁気異方性を示すスピン注入磁化反転素子となる。また、磁化固定層と磁化自由層の両方にＧｄ−Ｆｅ合金を適用したスピン注入磁化反転素子とすることができる。
【００１５】
さらに、本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、前記中間層がＭｇＯからなり、前記磁化固定層が、前記中間層との界面にＣｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる磁性金属膜をさらに備え、前記磁性金属膜に接して前記Ｇｄ膜が設けられることを特徴とする。
【００１６】
かかる構成により、磁化固定層にＧｄ−Ｆｅ合金を適用して、その垂直磁気異方性を維持しつつ、反転電流が小さくＭＲ比の高いＴＭＲ素子となる。
【００１７】
また、本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、入射した光の偏光の向きを変化させて出射する光変調素子に適用することができる。かかる構成により、極カー効果により光変調度が高く、かつ磁化反転動作の安定した光変調素子とすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るスピン注入磁化反転素子によれば、磁化固定層にＧｄ−Ｆｅ合金を適用することができ、磁化自由層との材料の共通化により生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態およびその変形例に係るスピン注入磁化反転素子を備えた光変調素子の構成を示す断面図であり、（ａ）は第１実施形態、（ｂ）は第１実施形態の変形例である。
【図２】スピン注入磁化反転素子の動作を説明する模式図であり、（ａ）、（ｂ）はスピン注入磁化反転を、（ｃ）、（ｄ）は光変調素子および磁気抵抗効果素子としての動作を説明する断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子を備えた光変調素子の構成を示す断面図であり、（ｂ）は本発明の第２実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子を備えた磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。
【図４】実施例のスピン注入磁化反転素子のサンプルのカー回転角の磁場依存性で表した磁化曲線であり、（ａ）は本発明に係るスピン注入磁化反転素子、（ｂ）は比較例のスピン注入磁化反転素子である。
【図５】実施例のスピン注入磁化反転素子のサンプルのカー回転角の磁場依存性で表した磁化曲線であり、（ａ）は参考例のスピン注入磁化反転素子、（ｂ）は比較例のスピン注入磁化反転素子である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係るスピン注入磁化反転素子を実現するための形態について、図を参照して説明する。
【００２１】
［第１実施形態］
本発明の一実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、上下に一対の電極を接続されて、空間光変調器の画素（空間光変調器による表示の最小単位での情報（明／暗）を表示する手段）を構成する光変調素子に適用され、上方から入射した光を異なる２値の光（偏光成分）に変調し、下に接続した電極で反射させて上方へ出射する。以下、本発明の実施形態に係るスピン注入磁化反転素子、およびこれを備えた光変調素子について説明する。
【００２２】
本発明の第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５は、図１（ａ）に示すように、磁化固定層３、中間層２、磁化自由層１の順に積層された構成であり、一対の電極である下部電極６１と上部電極６２（以下、適宜、電極６１，６２）に上下で接続されて、光変調素子１０を構成する。スピン注入磁化反転素子５は、磁化が一方向に固定された磁化固定層３および磁化の方向が回転可能な磁化自由層１を、非磁性金属からなる中間層２を挟んで積層してなるＣＰＰ−ＧＭＲ素子である。光変調素子１０はさらに必要に応じて、スピン注入磁化反転素子５（磁化自由層１）の上に、当該光変調素子１０の製造工程におけるダメージからスピン注入磁化反転素子５の各層を保護するために保護膜４２を、スピン注入磁化反転素子５（磁化固定層３）の下に、下部電極６１への密着性を得るために、下地膜４１を備える。
【００２３】
光変調素子１０は、空間光変調器の画素とするため、基板７上に、膜面方向において２次元アレイ状に配列されて（図示省略）、一対の電極６１，６２の一方を行方向に、他方を列方向に、図１（ａ）においては、下部電極６１が手前−奥方向に、上部電極６２が左右方向に、それぞれ延設して共有される。そのため、光変調素子１０，１０間に、具体的にはスピン注入磁化反転素子５，５間、電極６１，６２間、下部電極６１，６１間および上部電極６２，６２間（配線間）のそれぞれに、絶縁層８が充填される。スピン注入磁化反転素子５は、平面視が例えば矩形であり（図示省略）、好適に磁化反転するためには、３００ｎｍ×４００ｎｍ相当の面積以下とすることが好ましく、一方、光変調のために、一辺の長さを少なくとも入射光の回折限界（波長の１／２程度）以上とする。スピン注入磁化反転素子５を構成する各層１，２，３、ならびに下地膜４１、保護膜４２は、例えばスパッタリング法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の公知の方法で連続的に成膜されて基板７に積層され、電子線リソグラフィおよびイオンビームミリング法等で所望の平面視形状に加工される。
【００２４】
スピン注入磁化反転素子５は、磁化固定層３が、ＧｄＦｅ層（Ｇｄ−Ｆｅからなる層）３１とＧｄ膜３２を交互に積層したＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜３０からなり、さらに磁化自由層１が、ＧｄＦｅ層（Ｇｄ−Ｆｅからなる層）１１からなる。すなわちスピン注入磁化反転素子５は、磁化自由層１、磁化固定層３の両方にＧｄＦｅ層１１，３１を備える。以下、スピン注入磁化反転素子５を構成する要素について詳しく説明する。
【００２５】
（磁化自由層）
磁化自由層１（ＧｄＦｅ層１１）は、垂直磁気異方性を有する磁性材料である遷移金属（ＴＭ）と希土類金属（ＲＥ）との合金（ＲＥ−ＴＭ合金）の一種で、特に磁気光学効果の高いＧｄ−Ｆｅ合金で形成される。磁化自由層１は、一般的なスピン注入磁化反転素子の磁化自由層と同様に、厚さを１〜２０ｎｍの範囲とすることが好ましく、厚いほど磁気光学効果が高くなる。
【００２６】
Ｇｄ−Ｆｅ合金においては、遷移金属であるＦｅが一方向（＋ｚ方向とする）の磁気モーメントを示すのに対し、希土類金属であるＧｄは、この一方向の逆方向（−ｚ方向）の磁気モーメントを示す。ＲＥ−ＴＭ合金はフェリ磁性体の一種であり、スピン注入磁化反転素子の磁性層として適用する場合には、通常、例えばＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金については、ＴＭ，ＲＥのそれぞれの磁気モーメントが相殺される組成（補償組成）に対して僅かにＲＥが多い組成として、当該ＲＥ−ＴＭ合金全体として飽和磁化の小さい−ｚ方向の磁気モーメントとして、容易に垂直磁気異方性を示すようにし、かつ必要な保磁力を確保している。一方、Ｇｄ−Ｆｅ合金については、このような補償組成付近では、他のＲＥ−ＴＭ合金と比較して保磁力が小さく、さらに保磁力に対して、磁化自由層に適用した場合の反転電流が小さくはないことから、Ｆｅの含有率を高くして、全体として＋ｚ方向の磁気モーメントを示すようにする。
【００２７】
（中間層）
本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５において、中間層２は、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ａｕのような非磁性金属やＺｎＯ等の半導体で形成され、その厚さを１〜１０ｎｍの範囲とすることが好ましい。中間層２は、光反射率の高いＡｇを適用して、その厚さを６ｎｍ以上とすることが特に好ましく、スピン注入磁化反転素子５が、磁化自由層１の側（上）から入射した光を効率よく反射させて、出射する光の量を多くすることができる。
【００２８】
（磁化固定層）
磁化固定層３は、磁化自由層１（ＧｄＦｅ層１１）に対して保磁力が十分に大きく、具体的には０．５ｋＯｅ以上の差となることが好ましい。磁化固定層３を構成するＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜３０は、一体の磁性層として動作し、一般的なスピン注入磁化反転素子の磁化固定層と同様に、厚さを３〜５０ｎｍの範囲で設定されることが好ましい。Ｇｄ−Ｆｅ合金は、Ｇｄの組成を多くすると保磁力がある程度まで大きくなるが、多過ぎるとフェリ磁性体として機能しない。ＧｄＦｅ層３１はＧｄ−Ｆｅ合金からなるが、単層での厚さを抑えてＧｄ膜３２を積層してこれを繰り返し、全体を厚くすることで、Ｇｄ−Ｆｅ合金単体よりも保磁力の大きなＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜３０とする。ＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜３０は、図１（ａ）では一例として９層（ＧｄＦｅ層３１が５層）で示すが、ＧｄＦｅ層３１を２層以上積層されていればよく（ＧｄＦｅ層３１／Ｇｄ膜３２／ＧｄＦｅ層３１）、積層の繰り返し回数は特に規定されず、必要な保磁力等に応じて設定される。また、図１（ａ）に示すように、ＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜３０は、最上層と最下層にＧｄＦｅ層３１が設けられているが、Ｇｄ膜３２が設けられてもよい（図示せず）。
【００２９】
ＧｄＦｅ層３１は、磁化自由層１（ＧｄＦｅ層１１）と同様に、垂直磁気異方性を有するＧｄ−Ｆｅ合金で形成され、さらに同一組成であってもよい。ＧｄＦｅ層３１は、単層の厚さを、当該単層で磁性を示し得る１ｎｍ以上とすることが好ましく、ＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜３０においてＧｄ膜３２を挟んで２層以上設けられる厚さとすればよいが、厚過ぎると、Ｇｄ膜３２からの影響が弱くなってＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜３０の保磁力が十分に大きくならないので、２ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００３０】
Ｇｄ膜３２は、ＧｄＦｅ層３１，３１，…の各層に積層されることで、ＧｄＦｅ層３１を構成するＧｄ−Ｆｅ合金におけるＧｄの磁界成分を強くして、ＧｄＦｅ層３１のフェリ磁性体としての垂直磁気異方性を維持しつつ保磁力をＧｄ−Ｆｅ合金よりも大きくすると推測される。Ｇｄ膜３２は、ＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜３０が必要とする保磁力となるように、ＧｄＦｅ層３１の厚さ等に応じて、厚さを設定される。具体的には、Ｇｄ膜３２は、厚さを０．１ｎｍ以上とすることが好ましく、Ｇｄ原子１個分（０．１８ｎｍ）相当の０．２ｎｍ以上とすることがより好ましく、また、１ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００３１】
光変調素子１０を構成するスピン注入磁化反転素子５以外の要素について、以下に説明する。
【００３２】
（下地膜）
下地膜４１は、スピン注入磁化反転素子５（磁化固定層３）の下に設けて下部電極６１への密着性を付与するために設けられ、非磁性金属材料の中で、Ｒｕ，Ｔａを適用することが好ましい。これらの金属膜であれば、磁化固定層３を挟んで設けられる障壁層２とするＭｇＯについて、（００１）面配向とすることを妨げない。下地膜４１は、厚さが１ｎｍ未満であると連続した（ピンホールのない）膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えて厚くしても、密着性がそれ以上には向上しないので、厚さ１〜１０ｎｍとすることが好ましい。
【００３３】
（保護膜）
保護膜４２は、スピン注入磁化反転素子５の各層、特に最上層の磁化自由層１を、光変調素子１０の製造工程におけるダメージから保護するために、スピン注入磁化反転素子５の上に設けられる。製造工程におけるダメージとは、例えばレジスト形成時の現像液の含浸等が挙げられ、また、最上層の磁化自由層１のＧｄＦｅ層１１の酸化も含まれる。保護膜４２は、Ｒｕ，Ｔａ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ａｕ等の非磁性金属材料からなる単層膜、またはＣｕ／Ｔａ，Ｃｕ／Ｒｕ等の異なる金属材料からなる金属膜を２層以上積層した積層膜から構成される。保護膜４２は、下地膜４１と同様に、厚さが１ｎｍ未満であると連続した（ピンホールのない）膜を形成し難く、１０ｎｍを超えて厚くしても、ＧｄＦｅ層１１等を保護する効果がそれ以上には向上せず、また、光変調素子１０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、保護膜４２は、厚さを１〜１０ｎｍとすることが好ましい。
【００３４】
（下部電極）
下部電極６１は、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，Ｃｒ等の金属やその合金のような一般的な金属電極材料で形成され、また、前記金属や合金の２種類以上を積層してもよい。そして、スパッタリング法等の公知の方法により成膜、フォトリソグラフィ、およびエッチングまたはリフトオフ法等によりストライプ状等の所望の形状に加工される
【００３５】
（上部電極）
上部電極６２は、光が透過するように透明電極材料で構成される。透明電極材料は、例えば、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide：ＩＺＯ）、インジウム−スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化アンチモン−酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）等の公知の透明電極材料からなる。特に、比抵抗と成膜の容易さとの点からＩＺＯが最も好ましい。これらの透明電極材料は、スパッタリング法、真空蒸着法、塗布法等の公知の方法により成膜される。
【００３６】
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スピン注入磁化反転素子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６２においては、スピン注入磁化反転素子５との間の下地として金属膜を積層することが好ましい（図示せず）。スピン注入磁化反転素子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６２においても、上部電極６２−スピン注入磁化反転素子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。
【００３７】
透明電極の下地を構成する金属膜としては、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等を用いることができ、これらの金属はスパッタリング法等の公知の方法により成膜される。そして、金属膜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、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。金属膜の厚さは、保護膜４２と同様に、１ｎｍ未満であると連続した（ピンホールのない）膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えると光の透過量を低下させるので、１〜１０ｎｍが好ましい。
【００３８】
基板７は、光変調素子１０を２次元配列するための土台であり、光変調素子１０を製造するための広義の基板である。基板７は、例えば表面を熱酸化したＳｉ基板やガラス等の公知の基板が適用できる。
【００３９】
絶縁層８は、２次元アレイ状に配列された光変調素子１０，１０間に、すなわちスピン注入磁化反転素子５，５間、電極６１，６２間（層間）、下部電極６１，６１間および上部電極６２，６２間（配線間）を、それぞれ絶縁するために設けられる。絶縁層８は、例えばＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3等の酸化膜やＳｉ窒化物（Ｓｉ3Ｎ4）等の公知の絶縁材料を適用することができる。ただし、スピン注入磁化反転素子５が、ＧｄＦｅ層１１，３１のような極めて酸化し易いＲＥ−ＴＭ合金からなる層を含むため、スピン注入磁化反転素子５に接触する部分（スピン注入磁化反転素子５，５間）に設けられる絶縁層８は、Ｓｉ窒化物やＭｇＦ2等のＯ（酸素）を含有しない非酸化物を適用することが好ましい。
【００４０】
（光変調素子の製造方法）
次に、スピン注入磁化反転素子５を備える光変調素子１０の製造方法について、その一例を説明する。光変調素子は、前記したように、基板上に２次元アレイ状に配列された空間光変調器として製造される。
【００４１】
まず、下部電極６１を形成する。基板７の表面に、スパッタリング法等で金属電極材料を成膜して、ストライプ状の下部電極６１を形成する。そして、下部電極６１，６１間にＳｉＯ2等の絶縁膜（絶縁層８となる）を堆積させる。
【００４２】
次に、スピン注入磁化反転素子５を形成する。下部電極６１（および絶縁層８）の上に、下地膜４１、ＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜３０（ＧｄＦｅ層３１、Ｇｄ膜３２、ＧｄＦｅ層３１、…）、中間層２、磁化自由層１（ＧｄＦｅ層１１）、保護膜４２の各材料を連続して成膜し、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等により所望の平面視形状に成形加工して、スピン注入磁化反転素子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、Ｓｉ窒化物等の非酸化物の絶縁膜を成膜して、スピン注入磁化反転素子５，５間に堆積させ、レジストをその上の絶縁膜ごと除去して（リフトオフ）、絶縁層８とする。
【００４３】
次に、上部電極６２を形成する。スピン注入磁化反転素子５および絶縁層８の上に、下地としての金属膜、透明電極材料を連続して成膜し、下部電極６１と直交するストライプ状に形成して上部電極６２とする。最後に、上部電極６２，６２間に絶縁膜を堆積して絶縁層８とし、光変調素子１０が得られる。
【００４４】
空間光変調器におけるすべての画素の光変調素子１０は、磁化固定層３の磁化が同じ向きに固定されている必要がある。磁化固定層３は保磁力が大きく電流供給では磁化反転しないので、外部から磁化固定層３の保磁力よりも大きな磁界を印加して、磁化固定層３の磁化方向を、例えば上向きに（図２参照）揃える初期設定を行う。この初期設定は、完成した、すなわち製造後の光変調素子１０（空間光変調器）に限られず、製造工程途中において磁化固定層３（ＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜３０）用の磁性材料を成膜した後以降であれば、どの段階であっても実施することができる。
【００４５】
（磁化反転動作）
スピン注入磁化反転素子５の磁化反転の動作を、図２（ａ）、（ｂ）を参照して、光変調素子１０にて説明する。なお、図２において、下地膜４１および保護膜４２は図示を省略する。スピン注入磁化反転素子５は、磁化自由層１が逆方向のスピンを持つ電子を注入されることにより、その磁化方向が反転（スピン注入磁化反転、以下、適宜磁化反転という）する。具体的には、図２（ａ）に示すように、上部電極６２を「＋」、下部電極６１を「−」にして、スピン注入磁化反転素子５に、磁化自由層１側から磁化固定層３へ電流ＩWを供給して、磁化固定層３側から電子を注入する。すると、磁化を上向きに固定された磁化固定層３により当該磁化固定層３の磁化と逆方向の下向きのスピンを持つ電子ｄDが弁別されて、磁化自由層１は上向きのスピンを持つ電子ｄUが偏って注入されて、磁化が上向きに反転する。反対に、図２（ｂ）に示すように、上部電極６２を「−」、下部電極６１を「＋」にして、スピン注入磁化反転素子５に、磁化固定層３側から磁化自由層１へ電流ＩWを供給して、磁化自由層１側から電子を注入する。すると、下向きのスピンを持つ電子ｄDが磁化固定層３により弁別されて磁化自由層１に留まるため、磁化自由層１の磁化は下向きに反転する。
【００４６】
このように、スピン注入磁化反転素子５は、上下面に接続した一対の電極６２，６１で膜面垂直方向に電流を供給されることで、磁化自由層１の磁化方向が磁化固定層３と同じ方向（平行）または１８０°異なる方向（反平行）になる。また、スピン注入磁化反転素子５において、磁化自由層１の磁化が平行、反平行いずれかの磁化を示していれば、その磁化を反転させる電流（ＩW）が供給されるまでは、当該磁化自由層１の保磁力により磁化が保持される（図２（ｃ）、（ｄ）参照）。そのため、スピン注入磁化反転素子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（直流パルス電流）を用いることができる。
【００４７】
（光変調素子の動作）
本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子を備える光変調素子の動作を、図２（ｃ）、（ｄ）を参照して説明する。上方から光変調素子１０に入射した光は、上部電極６２を透過してスピン注入磁化反転素子５に到達し、下部電極６１により反射し、再び上部電極６２を透過して上方へ出射する。その際、磁性体である磁化自由層１（ＧｄＦｅ層１１）の磁気光学効果により、光はその偏光面が回転（旋光）して出射する。さらに、磁性体の磁化方向が１８０°異なると、当該磁性体の磁気光学効果による旋光の向きは反転する。したがって、図２（ｃ）、（ｄ）にそれぞれ示す、磁化自由層１の磁化方向が互いに１８０°異なるスピン注入磁化反転素子５における旋光角は−θk，＋θkで、互いに逆方向に偏光面が回転する。スピン注入磁化反転素子５の磁化反転動作は、前記の通りである。したがって、光変調素子１０は、その出射光の偏光の向きを、電極６１，６２から電流ＩWの向き（正負）を入れ替えて供給することで変化させる。なお、旋光角−θk，＋θkは、磁化自由層１での１回の反射による旋光（カー回転）に限られず、例えばスピン注入磁化反転素子５における多重反射により累積された角度も含める。
【００４８】
光変調素子１０は、画素として２次元配列して、公知の反射型の空間光変調器（例えば、特許文献２参照）と同様に動作させることができる。このような空間光変調器は、所望の画素（光変調素子１０）について、そのスピン注入磁化反転素子５を磁化反転動作させるために、電流供給源（電源）と、電極６１，６２のそれぞれから選択的に特定のスピン注入磁化反転素子５に接続する一対以上を前記電源に接続するスイッチを備える（図示省略）。光変調素子１０への入射光は、例えばレーザー光源から偏光子を透過させた特定の１つの偏光成分の光であり、出射光は別の偏光子で、前記入射光に対して−θk，＋θkの一方に旋光した光を遮光して、他方に旋光した光を取り出すことができる（図示省略）。
【００４９】
図２（ｃ）、（ｄ）においては、入射光と出射光の経路を識別し易くするために、入射光の入射角を傾斜させて示しているが、磁化自由層１の極カー効果でカー回転角を大きくするために、膜面により垂直に入射、すなわち入射角を０°に近付けることが好ましく、具体的には入射角を３０°以内にすることが好ましい。最も好ましくは、膜面に垂直に入射、すなわち入射角を０°とすることであり、この場合は入射光と出射光の経路が一致するため、光変調素子１０の上（入射光用の偏光子との間）にハーフミラーを配置して、出射光のみを側方へ反射させてもよく、反射させた先に出射光用の偏光子を配置する。
【００５０】
（変形例）
第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、上に磁化自由層を設けて上から光を入射する光変調素子としたが、磁化自由層と磁化固定層の積層順を入れ替えても同様に動作する。以下、第１実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子について説明する。第１実施形態（図１（ａ）、図２参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
【００５１】
図１（ｂ）に示すように、第１実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ａは、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５と積層順を逆にした構造であり、磁化自由層１、障壁層２、磁化固定層３の各要素は、スピン注入磁化反転素子５と同一である。スピン注入磁化反転素子５Ａは、下側に磁化自由層１を備えるため、下方から光を入出射する光変調素子１０Ａとする。具体的には、スピン注入磁化反転素子５Ａは、透明電極材料で形成された下部電極６１Ａと、金属電極材料で形成された上部電極６２Ａに接続され、また第１実施形態（図１（ａ）参照）等と同様に、下地膜４１および保護膜４２を積層されて、光変調素子１０Ａを構成する。このような光変調素子１０Ａは、光を透過する基板７Ａ上に２次元アレイ状に配列されて空間光変調器となる。
【００５２】
下部電極６１Ａは、第１実施形態における上部電極６２と同様の透明電極材料を、上部電極６２Ａは下部電極６１と同様の金属電極材料を、それぞれ適用することができる。基板７Ａは、公知の透明基板材料が適用でき、具体的には、ＳｉＯ2（酸化ケイ素、ガラス）、ＭｇＯ、サファイア、ＧＧＧ（ガドリニウムガリウムガーネット）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、Ｇｅ（ゲルマニウム）単結晶基板等を適用することができる。
【００５３】
第１実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ａは、磁化反転動作が、図２（ａ）、（ｂ）に示すスピン注入磁化反転素子５とは、上下電極６２Ａ（６２），６１Ａ（６１）から供給される電流ＩWの向きと磁化自由層１の磁化方向との関係が逆になり、それ以外は同様である。また、スピン注入磁化反転素子５Ａは、スピン注入磁化反転素子５を備える光変調素子１０と同様に、旋光角−θk，＋θkで光変調動作をする（図２（ｃ）、（ｄ）参照）。
【００５４】
以上のように、本発明の第１実施形態およびその変形例に係るスピン注入磁化反転素子は、磁化自由層と磁化固定層の両方にＧｄ−Ｆｅ合金が適用されているので生産性がよく、また、磁化固定層の保磁力が十分に高く、安定した動作とすることができる。さらにスピン注入磁化反転素子は、磁化自由層に垂直磁気異方性を有し、かつ磁気光学効果の高いＧｄ−Ｆｅ合金が適用されているので、極カー効果により光変調度が大きく、コントラストのよい空間光変調器となる。
【００５５】
本発明の第１実施形態およびその変形例に係るスピン注入磁化反転素子は、磁化自由層にＧｄ−Ｆｅ合金が適用され、磁化固定層と材料を共通化されているがこれに限られず、垂直磁気異方性を有する磁化自由層として公知の磁性材料を適用することができる（後記第２実施形態参照）。
【００５６】
［第２実施形態］
本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、中間層を絶縁膜（障壁層）にして、ＴＭＲ素子とすることもできる。以下、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子について、これを備える光変調素子において説明する。第１実施形態およびその変形例（図１、図２参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
【００５７】
図３（ａ）に示すように、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂは、磁化固定層３Ａ、障壁層２Ａ、磁化自由層１Ａの順に積層された構成であり、第１実施形態（図１（ａ）参照）と同様に、電極６１，６２に上下で接続され、また下地膜４１および保護膜４２を積層されて、光変調素子１０Ｂを構成する。スピン注入磁化反転素子５Ｂは、絶縁体であるＭｇＯからなる障壁層２Ａを備えるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子である。
【００５８】
ここで、図２（ａ）、（ｂ）を参照して説明したように、スピン注入磁化反転素子５Ｂ（５）は、磁化自由層１Ａ（１）が特定の向きのスピンを持つ電子を偏って注入されることで磁化反転するため、この偏りの程度が大きいほど、すなわち磁化自由層１Ａや磁化固定層３Ａのスピン偏極率が高いほど、より小さい電流で磁化反転する。なお、スピン注入磁化反転素子５Ｂの障壁層２Ａは、絶縁体であるが、数ｎｍ以下と極めて薄いため、微小な電流（トンネル電流）が流れる。
【００５９】
ＴＭＲ素子は、一般的に、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子よりもＭＲ比が高く磁気抵抗効果素子（後記変形例参照）に好適であり、また反転電流が小さく省電力化に好適であるが、Ｇｄ−Ｆｅ合金はスピン偏極率が低いため、ＴＭＲ素子の磁性膜に適用されても、これらの効果がＴＭＲ素子本来の水準に至らない。そこで、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂは、以下の構成とする。
【００６０】
スピン注入磁化反転素子５Ｂは、磁化固定層３Ａが第１実施形態と同様に、ＧｄＦｅ層（Ｇｄ−Ｆｅからなる層）３１とＧｄ膜３２を交互に積層したＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜３０Ａを備える。さらに、スピン注入磁化反転素子５Ｂは、磁化自由層１Ａ、磁化固定層３Ａが、それぞれ障壁層２Ａとの界面に、Ｃｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる磁性金属膜１３，３３（まとめてＣｏＦｅ膜１３，３３と称する）を備える。このような構成により、スピン注入磁化反転素子５Ｂは、磁化自由層１Ａ、磁化固定層３Ａの障壁層２Ａの界面でのスピン偏極率を高くする。
【００６１】
（磁化自由層）
磁化自由層１Ａは、主たる要素として磁性層１１Ａを備え、さらにスピン注入磁化反転素子５Ａにおいて、障壁層２Ａとの界面（最下層）にＣｏＦｅ膜１３を備えてもよく、すなわち磁性層１１ＡとＣｏＦｅ膜１３からなる２層構造を有する。
【００６２】
磁性層１１Ａは、一般的なスピン注入磁化反転素子の磁化自由層と同様に、厚さを１〜２０ｎｍの範囲とすることが好ましい。そして、磁性層１１Ａは、垂直磁気異方性を有する磁化自由層として公知の磁性材料にて形成することができる。具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属とＰｔ，Ｐｄ等の貴金属とを含む、例えば[Ｃｏ／Ｐｔ]×ｎ、[Ｃｏ／Ｐｄ]×ｎの多層膜、あるいは前記遷移金属とＮｄ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ等の希土類金属との合金（ＲＥ−ＴＭ合金）が挙げられ、スピン注入磁化反転素子５Ｂへの電流供給により磁化反転可能な程度に保磁力の小さい材料が適用される。なお、磁性層１１Ａは、Ｇｄ−Ｆｅ合金を適用する、すなわちＧｄＦｅ層１１とすることもできるが、その場合は、ＣｏＦｅ膜１３を積層すると垂直磁気異方性を示さなくなるので、ＣｏＦｅ膜１３を設けないことが好ましい（後記変形例参照）。
【００６３】
Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂはスピン偏極率が高いため、ＣｏＦｅ膜１３が設けられることにより、磁化自由層１Ａと障壁層２Ａの界面でのスピン偏極率を高くして、障壁層２Ａを介して磁化自由層１Ａ（磁性層１１Ａ）に注入されるスピンによるスピントルクが増大する。なお、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂは、本来は面内磁気異方性を有するが、相対的に厚さを抑えて、十分に強い垂直磁気異方性を示す磁性体（磁性層１１Ａ）に積層されることで、この磁性体と一体に垂直磁気異方性を示す。これは、ＣｏＦｅ層３３を備える磁化固定層３Ａにおいても同様である。したがって、ＣｏＦｅ膜１３は、厚さを０．１〜２ｎｍの範囲とすることが好ましい。また、Ｃｏ−Ｆｅは、特に（００１）面配向のＭｇＯとの格子整合がよく、障壁層２Ａがかかる結晶構造のＭｇＯであれば、スピン注入磁化反転素子５Ｂは、コヒーレントなトンネル電流が流れることにより、いっそう反転電流を低減することができる。また、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂは、成膜後に熱処理されるとＭｇＯの層との界面から結晶化して（００１）面配向を示すようになるため、Ｃｏ−Ｆｅと同様の効果を有する。
【００６４】
（障壁層）
本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂにおいて、障壁層２Ａは、ＭｇＯで形成され、その厚さを０．１〜２ｎｍとすることが好ましい。障壁層２Ａは、特に（００１）面配向のＭｇＯとすることが好ましく、このような結晶構造により、スピン注入磁化反転素子５Ｂにおいて電子が散乱せずに注入されるために、スピン注入磁化反転素子５Ｂの反転電流をいっそう低減させることができる。スピン注入磁化反転素子５Ｂをこのような結晶構造のＭｇＯに形成するためには、一例として、下地となる磁化固定層３Ａが非晶質構造であることが挙げられる。
【００６５】
（磁化固定層）
磁化固定層３Ａは、ＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜３０Ａと、その上に積層されたＣｏＦｅ層３３からなる。ＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜３０Ａは、磁化固定層３Ａの主たる要素であり、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５のＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜３０（磁化固定層３）と同様に、一体の磁性層として動作し、垂直磁気異方性と十分な保磁力を有する。
【００６６】
ＣｏＦｅ層３３は、磁化自由層１ＡにおけるＣｏＦｅ層１３と同様に、磁化固定層３Ａと障壁層２Ａの界面でのスピン偏極率を高くする。これにより、磁化固定層３Ａの多くを占めるＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜３０ＡがＧｄＦｅ層３１によりスピン偏極率が低くても、障壁層２Ａを介して磁化自由層１Ａへ注入するスピンによるスピントルクが増大して、スピン注入磁化反転素子５Ｂは、ＴＭＲ素子として反転電流が低減される。ＣｏＦｅ膜３３は、ＣｏＦｅ膜１３と同様に、厚さを０．１〜２ｎｍの範囲とすることが好ましい。また、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂは、前記した通り、（００１）面配向の結晶のＭｇＯとの格子整合がよく、特に成膜時において非晶質のＣｏ−Ｆｅ−Ｂを適用することで、その上に成膜されるＭｇＯ（障壁層２Ａ）が（００１）面配向の結晶構造になり易い。
【００６７】
ここで、Ｇｄ−Ｆｅ合金は、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂと組み合わされると、垂直磁気異方性を示さず、Ｃｏ−Ｆｅ等と同じ面内磁気異方性を示すようになる。これは、Ｃｏ−Ｆｅ等のＦｅによって、Ｇｄ−Ｆｅ合金におけるＦｅの反磁界成分の影響が強くなることによると考えられる。したがって、磁化固定層３Ａにおいて、ＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜３０Ａは、ＣｏＦｅ層３３とＧｄＦｅ層３１との間にＧｄ膜３２が設けられるように、すなわち最上層（障壁層２Ａの側）にＧｄ膜３２が積層されるように形成される。このような構造により、ＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜３０Ａにおける最上段のＧｄＦｅ層３１が、その上のＧｄ膜３２により、さらにその上のＣｏＦｅ層３３からの影響が相殺され、垂直磁気異方性を維持する。その他のＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜３０Ａの構造、ならびにＧｄＦｅ層３１およびＧｄ膜３２のそれぞれの厚さ等は、第１実施形態におけるＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜３０と同様である。
【００６８】
スピン注入磁化反転素子５Ｂにおいては、障壁層２Ａが磁化固定層３Ａの上、すなわち非晶質のＧｄＦｅ層３１の多層膜であるＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜３０Ａの上に形成され、さらにＣｏＦｅ層３３を下地とするので、（００１）面配向のＭｇＯとなり易い。
【００６９】
（変形例）
本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、ＭＲＡＭのメモリセルの磁気抵抗効果素子に適用されてもよい。特に、前記の第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子はＴＭＲ素子であり、磁化固定層にＧｄ−Ｆｅ合金を適用してもＭＲ比を十分高いものとすることができる。以下、本発明の第２実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子、およびこれを備えた磁気抵抗効果素子について説明する。第１、第２実施形態（図１、図２、図３（ａ）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。
【００７０】
図３（ｂ）に示すように、本発明の第２実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃは、第１実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ａ（図１（ｂ）参照）と同様に、磁化自由層１Ｂを下に、障壁層２Ａ、磁化固定層３Ａの順に積層してなり、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂを、磁化自由層１Ａの磁性層１１ＡをＧｄＦｅ層１１とＧｄ膜１２に代えて、積層順を逆にした構造である。
【００７１】
スピン注入磁化反転素子５Ｃは、磁気抵抗効果素子１０Ｃに適用されるので、第１、第２実施形態とは異なり、光変調のための平面視の大きさの下限（最小面積）がなく、磁化自由層１Ｂの磁化が保持されればよい。具体的には、スピン注入磁化反転素子５Ｃは、より好適に磁化反転するために、平面視が一般的なスピン注入磁化反転素子の大きさである３００ｎｍ×１００ｎｍ程度相当の面積であることが好ましい。また、スピン注入磁化反転素子５Ｃを備える磁気抵抗効果素子１０Ｃは、光を透過する必要がないので、上下電極６２Ａ，６１Ｂ共に、第１実施形態の下部電極６１と同様の金属電極材料で形成される。
【００７２】
磁気抵抗効果素子１０Ｃは、選択トランジスタ型のＭＲＡＭのメモリセルとして、下部電極６１Ｂを介してトランジスタ（図示省略）に接続され、光変調素子１０と同様に２次元配列され、上部電極６２Ａが面内における一方向（図３（ｂ）における左右方向）に延設されてビット線として共有される。なお、メモリセルのトランジスタは、例えばＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）であり、下部電極６１Ｂはドレインに接続され、ソースおよびゲートは、上部電極６２Ａ（ビット線）と直交するソース線、ワード線（図示省略）にそれぞれ接続される。
【００７３】
スピン注入磁化反転素子５Ｃは、スピン注入磁化反転素子５Ｂと同様に、磁化自由層１Ｂ、磁化固定層３Ａが、それぞれ障壁層２Ａとの界面に、ＣｏＦｅ膜（磁性金属膜）１３，３３を備える。また、スピン注入磁化反転素子５Ｃは、磁化自由層１Ｂが、主たる要素として、第１実施形態と同様にＧｄＦｅ層１１を備え、さらにＧｄＦｅ層１１とＣｏＦｅ膜１３の間にＧｄ膜１２を備える。すなわち磁化自由層１Ｂは、下から、ＧｄＦｅ層１１／Ｇｄ膜１２／ＣｏＦｅ膜１３の３層構造を有する。以下、磁化自由層について説明する。
【００７４】
（磁化自由層）
第２実施形態において説明した通り、Ｇｄ−Ｆｅ合金は、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂと組み合わされると垂直磁気異方性を示さなくなる場合がある。そこで、磁化自由層１Ｂにおいて、ＧｄＦｅ層１１は、磁化固定層３ＡのＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜３０Ａにおける最上段のＧｄＦｅ層３１と同様に、ＣｏＦｅ膜１３との間にＧｄ膜１２が積層される。ＧｄＦｅ層１１、ＣｏＦｅ膜１３は、それぞれの厚さ等は第１、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５，５Ｂと同様である。
【００７５】
Ｇｄ膜１２は、ＧｄＦｅ層１１やＣｏＦｅ膜１３の厚さに応じて、ＧｄＦｅ層１１がＣｏＦｅ膜１３（Ｆｅ）からの影響を相殺されて本来の垂直磁気異方性を示すように、厚さを設定される。具体的には、Ｇｄ膜１２は、磁化固定層３Ａ（３）のＧｄ膜３２と同様に厚さを０．１ｎｍ以上とすることが好ましく、Ｇｄ原子１個分（０．１８ｎｍ）相当の０．２ｎｍ以上とすることがより好ましく、また、２ｎｍ以下とすることが好ましい。言い換えると、磁化自由層１Ｂは、ＣｏＦｅ膜１３との界面でＧｄ−ｒｉｃｈとなるＧｄ−Ｆｅ合金の層を備える。
【００７６】
スピン注入磁化反転素子５Ｃは、磁化自由層１Ｂが障壁層２Ａとの界面にＣｏＦｅ膜１３を設けられることで、その多くを占めるＧｄＦｅ層１１のスピン偏極率が低くても、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂと同様に、反転電流が低減され、ＭＲ比がＴＭＲ素子本来の高いものとなる。また、スピン注入磁化反転素子５Ｃにおいては、障壁層２Ａが磁化自由層１Ｂの上、すなわち非晶質のＧｄＦｅ層１１の上に形成され、さらにＣｏＦｅ層１３を下地とするので、（００１）面配向のＭｇＯとなり易い。
【００７７】
本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃを備える磁気抵抗効果素子１０Ｃは、積層順を入れ替えて、第１、第２実施形態の光変調素子（空間光変調器）と同様に製造することができる。ただし、磁気抵抗効果素子１０Ｃは、スピン注入磁化反転素子５Ｃがトランジスタに接続されるために、表層にＭＯＳＦＥＴを形成されたｐ型シリコン（Ｓｉ）基板上に、ソース線およびワード線を金属電極材料で形成された上に、絶縁層８を介して形成される。
【００７８】
（抵抗変化）
スピン注入磁化反転素子５Ｃ（５）の磁化反転に伴う抵抗の変化を、図２（ｃ）、（ｄ）を参照して説明する。スピン注入磁化反転素子５は磁気抵抗効果素子であり、その積層方向における抵抗、すなわち上下に接続した電極６２Ａ，６１Ｂ（６２，６１）間の抵抗が、磁化自由層１の磁化方向により変化する。詳しくは、スピン注入磁化反転素子５は、図２（ｃ）に示す磁化が平行な状態よりも、図２（ｄ）に示す磁化が反平行な状態の方が、抵抗が高く（ＲP＜ＲAP）、磁化反転しない大きさの電流ＩTSTを供給されたときに電流が流れ難い。このスピン注入磁化反転素子５の抵抗の変化量（ＲAP−ＲP）は磁化自由層１や磁化固定層３のスピン偏極率が高いほど大きく、具体的には、ＭＲ比(ＲAP−ＲP)／ＲPは磁化自由層１、磁化固定層３のスピン偏極率の積に比例する。
【００７９】
このように、スピン注入磁化反転素子５Ｃ（５）は、磁化自由層１Ｂ（１）および磁化固定層３Ａ（３）の少なくとも一方の、好ましくは両方のスピン偏極率を高くすることで、反転電流を低減し、かつＭＲ比を高くすることができる。そして、磁化自由層１Ｂおよび磁化固定層３Ａのスピン偏極率は、当該磁化自由層１Ｂおよび磁化固定層３Ａの層全体におけるものに限られず、障壁層２Ａとの界面において高いものとすれば、その効果が得られる。これは、前記の第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂ（図３（ａ）参照）についても同様である。
【００８０】
（磁気抵抗効果素子の動作）
メモリセルの書込みとして、磁気抵抗効果素子１０Ｃにおけるスピン注入磁化反転素子５Ｃの磁化反転が行われる。スピン注入磁化反転素子５Ｃの磁化反転動作は、図２（ａ）、（ｂ）に示すスピン注入磁化反転素子５とは、上下電極６２Ａ，６１Ｂ（６２，６１）から供給される電流ＩWの向きと磁化自由層１Ｂ（１）の磁化方向との関係が逆になる以外は同様である。一方、メモリセルの読出しは、一般的な選択トランジスタ型のＭＲＡＭと同様に、スピン注入磁化反転素子５Ｃが磁化反転しない所定の大きさの電流ＩTSTを供給したときの電極６１，６２間の電圧から、スピン注入磁化反転素子５Ｃの抵抗がＲP，ＲAPのいずれであるかを判定する。なお、図２（ｃ）、（ｄ）に示すスピン注入磁化反転素子５は、磁化自由層１側から磁化固定層３へ電流ＩTSTを供給されているが、電流ＩTSTの向きは逆でもよい。また、磁気抵抗効果素子１０Ｃにおいて、下部電極６１Ｂは、トランジスタを経由して、上部電極６２Ａ（ビット線）と直交して延設するソース線に接続し、この接続はワード線からの電流ＩTSTとは別の電流の供給によりＯＮ／ＯＦＦする。したがって、書込み、読出しの電流ＩW，ＩTSTは、上部電極６２Ａ（ビット線）とソース線を一対の電極としてスピン注入磁化反転素子５Ｃに供給される。
【００８１】
本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃは、第１実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ａと同様に、下から光を入出射する光変調素子に適用されてもよい（図１（ｂ）参照）。また、スピン注入磁化反転素子５Ｃは、積層順を逆にして、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂ（図３（ａ）参照）と同様に、障壁層２Ａの下に磁化固定層１Ａを設けた構造としてもよく、このようなスピン注入磁化反転素子を光変調素子に備えてもよいし、磁気抵抗効果素子に備えてもよい。また、スピン注入磁化反転素子５Ｂを磁気抵抗効果素子に備えてもよい（図示せず）。
【００８２】
磁気抵抗効果素子１０Ｃは、ＭＯＳＦＥＴに代えて、ダイオードを接続してメモリセルとしてもよい（図示せず）。ダイオードについても、ＭＯＳＦＥＴと同様に、Ｓｉ基板の表層に形成することができる。
【００８３】
あるいは、磁気抵抗効果素子１０Ｃは、第１実施形態における光変調素子１０等と同様にトランジスタを接続せず、下部電極をワード線とするクロスポイント型のＭＲＡＭのメモリセルとしてもよい（図示せず）。クロスポイント型のＭＲＡＭにおいては、抵抗を測定していない、すなわち電流ＩTSTを供給していない（非選択の）メモリセルにおける磁気抵抗効果素子１０Ｃのスピン注入磁化反転素子５Ｃに漏れ電流が流れるため、磁気抵抗効果素子１０Ｃの搭載個数が多い、すなわち大容量になるほど検出される１個の磁気抵抗効果素子１０Ｃの抵抗変化量が実際の値よりも小さくなる。本実施形態やその変形例におけるスピン注入磁化反転素子５Ｂ，５Ｃは、ＭＲ比(ＲAP−ＲP)／ＲPが高いため、このようなクロスポイント型のＭＲＡＭに適用されても、配線（電極）を書込みと共有した一対の電極６１Ｂ，６２Ａによる読出しを可能とし得る。
【００８４】
第２実施形態（またはその変形例）に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂ（５Ｃ）を備えた光変調素子１０Ｂを画素とする空間光変調器は、クロスポイント型のＭＲＡＭと同じ回路構造であるので、ＭＲＡＭのメモリセルの読出しと同様に、所望の画素すなわち光変調素子１０Ｂの磁化自由層１Ａ（１Ｂ）の磁化方向を電気的に検出して、磁化反転動作（書込み）が正常になされたかを検査することができる。あるいは、光変調素子１０Ｂは、スピン注入磁化反転素子５Ｂをトランジスタに接続して、磁気抵抗効果素子１０Ｃと同様に選択トランジスタ型のＭＲＡＭのメモリセルの構造として、漏れ電流のない構造としてもよい（図示せず）。このようなトランジスタを備えた光変調素子を２次元配列した空間光変調器とすることで、書込みエラー検出が容易になり、磁化反転動作においても、電流ＩWを供給する光変調素子以外に電流が流れないので、漏れ電流による損失が抑えられる。また、このようなトランジスタに接続した構造は、第１実施形態やその変形例に係るスピン注入磁化反転素子５，５Ａ（図１参照）に適用されてもよい。
【００８５】
以上のように、本発明の第２実施形態およびその変形例に係るスピン注入磁化反転素子は、磁化固定層にＧｄ−Ｆｅ合金を適用しても、ＴＭＲ素子としてＭＲ比が高く、また反転電流を低くすることができ、さらに第１実施形態と同様に、磁化固定層の保磁力が十分に高く、安定した動作とすることができる。さらに本発明の第２実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子は、磁化自由層にもＧｄ−Ｆｅ合金を適用しているので、第１実施形態と同様に光変調度が大きく、また生産性がよく、一方でスピン注入効率に優れたＴＭＲ素子となる。
【００８６】
本発明の第２実施形態およびその変形例は、障壁層にＭｇＯを適用したが、これに限られず、Ａｌ2Ｏ3，ＨｆＯ2のような絶縁体や、Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇのような絶縁体を含む積層膜を適用したＴＭＲ素子としてもよい。また、磁性金属膜は、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂに限られず、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｎｉ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｓｉ等の遷移金属またはこれを含む合金を適用して、スピン偏極率を高くすることもできる。
【００８７】
本発明の第１、第２実施形態、およびそれらの変形例においては、磁化自由層、中間層（障壁層）、磁化固定層を１層ずつ備えるスピン注入磁化反転素子について説明したが、これに限られず、例えば、１つの磁化自由層の両面に中間層または障壁層を介して２つの磁化固定層を設けたデュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子においても適用し得て、同様の効果を有する。
【００８８】
以上、本発明を実施するための形態について述べてきたが、以下に、本発明の効果を確認した実施例を、本発明の要件を満たさない比較例と対比して具体的に説明する。
【実施例１】
【００８９】
本発明に係るスピン注入磁化反転素子について、Ｇｄ−Ｆｅ合金を適用した磁化固定層の構造による保磁力への効果を確認するために、ＴＭＲ素子を模擬したサンプルを作製して、磁気特性および磁気光学効果を観察した。詳しくは、熱酸化Ｓｉ基板に、表１に示すように、下部電極（Ｃｕ／Ｔａ多層膜）を形成した上に、下地膜から保護膜までの材料を下から順にイオンビームスパッタリング法にて連続して成膜して積層し、成形加工せず、上部電極のないサンプルとした。
【００９０】
Ｎｏ．１は、本発明の第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子（図３（ａ）参照）のサンプルであり、ただし、磁化自由層を第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子（図１（ａ）参照）と同様のＧｄ−Ｆｅ合金単層とした。Ｎｏ．２は、磁化固定層をＧｄ−Ｆｅ合金単層とした比較例のサンプルである。なお、Ｎｏ．１の磁化固定層の「ＧｄＦｅ／Ｇｄ」は、下から、[ＧｄＦｅ：１．４ｎｍ／Ｇｄ：０．２ｎｍ]×１０の多層膜であり、表１に示す膜厚は総厚である。また、下部電極は、下から、Ｔａ：５ｎｍ／[Ｃｕ：１５ｎｍ／Ｔａ：３ｎｍ]×２／Ｒｕ：３ｎｍの多層膜である。
【００９１】
【表１】
2014175429.tif 000003
【００９２】
作製したサンプルについて、レーザー光を用いた偏光変調法にてカー回転角を測定し、印加磁界による磁化反転を観察した。詳しくは、まず、作製したサンプルに、初期化磁界−５ｋＯｅを印加して、全体（磁化固定層および磁化自由層）の磁化方向を下向きに揃えた。そして、波長７８０ｎｍのレーザー光を入射角３０°で入射して、サンプルからの反射光の偏光の向き（カー回転角）を、垂直磁界Ｋｅｒｒ効果測定装置で測定しながら、初期化磁界と反対方向の磁界Ｈ（＞０）をその大きさ（絶対値）を５ｋＯｅまで（Ｎｏ．２は１ｋＯｅまで）漸増させながら印加して、偏光の向きの変化を観察した。さらに反対方向の磁界Ｈ（＜０）を印加して、同様に偏光の向きの変化を観察した。Ｎｏ．１，２について、カー回転角の磁場（印加磁界）依存性を、磁化曲線として図４（ａ）、（ｂ）に示す。
【００９３】
図４（ｂ）に示すように、磁化固定層、磁化自由層がそれぞれＧｄ−Ｆｅ合金単層構造のＮｏ．２は、磁場が絶対値約０．１ｋＯｅ以下の範囲において、カー回転角が２段階で変化した。これは、磁場（印加磁界）が大きくなるにしたがい、磁化自由層、磁化固定層の両層が順次、磁化反転したことを示し、磁化固定層が磁化自由層と同一組成のＧｄ−Ｆｅ合金で形成されたために、保磁力が、膜厚の違いにより磁化自由層よりは大きいものの、その差が小さいことによる。
【００９４】
一方、Ｎｏ．１は、図４（ａ）に示すように、Ｎｏ．２と同じくカー回転角が２段階で変化しているが、磁化自由層が絶対値約５０Ｏｅの磁場で磁化反転しているのに対し、磁化固定層は、負の側で約０．８ｋＯｅ、正の側で約１．８ｋＯｅの磁場で磁化反転し、保磁力が磁化固定層の厚さによる以上に大きく、そして磁化自由層に対して十分に差を有し、スピン注入磁化反転素子として安定した動作を示した。また、Ｎｏ．１は、２段階の変化のそれぞれにおいて急激にカー回転角が変化したことから、磁化自由層だけでなく、磁化固定層もＣｏ−Ｆｅのような磁性金属膜が積層されても垂直磁気異方性を有することが確認された。なお、磁化自由層（ＧｄＦｅ層）と磁化固定層（ＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜）とは、同じ磁化方向であるときに、それぞれの旋光の向きが互いに逆になると考えられ、Ｎｏ．１において、磁化自由層のみが磁化反転して磁化固定層と磁化が反平行な状態の方が、磁化固定層も磁化反転して磁化が平行な状態よりも、カー回転角が大きかった。また、Ｎｏ．１，２の各磁性層、特にＮｏ．１の磁化固定層について、磁化反転した磁場が正にシフトしたのは、磁化固定層と磁化自由層の層間結合による影響と推測される。
【実施例２】
【００９５】
本発明に係るスピン注入磁化反転素子について、Ｇｄ膜によるＧｄ−Ｆｅ合金の磁気特性への効果を確認するために、磁化反転し易い磁化自由層にＧｄＦｅ層を適用したＴＭＲ素子を模擬したサンプルを作製して、磁気光学効果を観察した。詳しくは、前記実施例１のサンプルと同様に、熱酸化Ｓｉ基板に、表２に示すように、下部電極を形成した上に、下地膜から保護膜までの材料を下から順にイオンビームスパッタリング法にて連続して成膜して積層し、上部電極のないサンプルとした。
【００９６】
Ｎｏ．３は、本発明の第２実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子（図３（ｂ）参照）の、磁化自由層（ＣｏＦｅＢ膜／Ｇｄ膜／ＧｄＦｅ層）を適用したサンプル、Ｎｏ．４はＧｄ膜を積層しない比較例のサンプルである。また、観察し易いように、磁化自由層のみを磁化反転させるために、磁化固定層に保磁力の比較的大きいＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏを適用した。下部電極は、下から、Ｔａ：５ｎｍ／[Ｃｕ：１５ｎｍ／Ｔａ：３ｎｍ]×ｎ／Ｒｕ：３ｎｍ（Ｎｏ．３はｎ＝２、Ｎｏ．４はｎ＝１０）の多層膜である。
【００９７】
【表２】
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【００９８】
作製したサンプルについて、実施例１と同様に、レーザー光を用いた偏光変調法にてカー回転角を測定し、印加磁界を１ｋＯｅまで漸増させながら印加して、偏光の向きの変化を観察した。Ｎｏ．３，４について、カー回転角の磁場（印加磁界）依存性を、磁化曲線として図５（ａ）、（ｂ）に示す。
【００９９】
磁化自由層においてＧｄＦｅ層にＣｏＦｅＢ膜を積層したＮｏ．４は、図５（ｂ）に示すように、カー回転角の最大値（絶対値）および変化量が極めて小さく、また磁場の増加に伴って急激に変化することがなかった。これは、入射角３０°で入射した光に対して、磁化自由層の磁化方向が垂直に近く（６０°）、極カー効果が得られなかったためであり、磁化自由層が垂直磁気異方性を有していないことを示す。一方、ＧｄＦｅ層とＣｏＦｅＢ膜の間にＧｄ膜を設けたＮｏ．３は、図５（ａ）に示すように、急激にカー回転角が変化し、また絶対値が十分に大きいことから、磁化自由層が垂直磁気異方性を有することが確認された。
【符号の説明】
【０１００】
１０，１０Ａ，１０Ｂ  光変調素子
１０Ｃ  磁気抵抗効果素子
１，１Ａ  磁化自由層
１１    ＧｄＦｅ層（Ｇｄ−Ｆｅからなる層）
１１Ａ  磁性層
１２    Ｇｄ膜
１３    ＣｏＦｅ膜（磁性金属膜）
２      中間層
２Ａ    障壁層
３，３Ａ  磁化固定層
３０，３０Ａ  ＧｄＦｅ／Ｇｄ多層膜
３１    ＧｄＦｅ層（Ｇｄ−Ｆｅからなる層）
３２    Ｇｄ膜
３３    ＣｏＦｅ膜（磁性金属膜）
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ  スピン注入磁化反転素子
６１，６１Ａ，６１Ｂ  下部電極
６２，６２Ａ  上部電極
７，７Ａ  基板
８      絶縁層
【図１】
2014175429.tif 000005
【図２】
2014175429.tif 000006
【図３】
2014175429.tif 000007
【図４】
2014175429.tif 000008
【図５】
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