(57)【要約】【課題】光変調素子による磁気光学効果を改善する。【解決手段】光変調素子１０は、１層以上の磁性膜１２を含む磁化固定層と、非磁性膜１３からなる中間層と、光の入射側に配置された１層以上の磁性膜１４を含む磁化反転層とがこの順番に積層された磁性多層膜４と、磁性多層膜４に電流を流すための磁化反転層側の透明電極７と、磁化固定層側の金属電極からなる下部電極３とを備え、透明電極７を介して磁性多層膜４に入射する光を変調する。この磁性多層膜４は、非磁性膜１３が、膜厚６ｎｍ以上２０ｎｍ以下のＡｇからなる。この光変調素子１０は、従来のＣｕスペーサを用いた光変調素子に比べてカー回転角が増加し、光変調度を大きくすることができる。また、Ａｇスペーサを用いた光変調素子１０は、従来のＣｕスペーサを用いた光変調素子に比べてＭＲ比が２倍に増加するので、磁化反転層の磁化方向を反転し易くすることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１層以上の磁性膜を含む磁化固定層と、非磁性膜からなる中間層と、光の入射側に配置された１層以上の磁性膜を含む磁化反転層とがこの順番に積層された磁性多層膜と、前記磁性多層膜に電流を流すための前記磁化反転層側の透明電極および前記磁化固定層側の金属電極とを備え、前記透明電極を介して前記磁性多層膜に入射する光を変調する光変調素子において、
前記磁性多層膜は、
前記非磁性膜が、膜厚６ｎｍ以上２０ｎｍ以下のＡｇからなることを特徴とする光変調素子。
【請求項２】
前記非磁性膜が、膜厚６ｎｍ以上１５ｎｍ以下のＡｇからなることを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。
【請求項３】
前記磁性多層膜は、
前記磁化反転層および前記磁化固定層に含まれる磁性膜が、垂直磁気異方性を有する磁性材料からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光変調素子。
【請求項４】
前記磁性多層膜は、
前記磁化反転層に含まれる磁性膜が、ＧｄＦｅから形成され、
前記磁化固定層が、ＴｂＦｅＣｏ膜と、このＴｂＦｅＣｏ膜に積層されて前記非磁性膜に接触したＣｏＦｅ膜とを含むことを特徴とする請求項３に記載の光変調素子。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の光変調素子をマトリクス状に並べて構成された空間光変調器であって、
前記マトリクスの行方向および列方向のうちの一方向に並べられた各光変調素子に共通となるように延設された複数の下部電極と、
前記マトリクスの行方向および列方向のうちの他方向に並べられた各光変調素子に共通となるように延設されると共に前記下部電極の配設間隔と同じ間隔で複数の貫通孔が設けられた複数の上部金属電極とを備え、
前記光変調素子の前記基板側の金属電極は、前記下部電極を構成し、
前記光変調素子の前記入射光側の透明電極は、前記上部金属電極に設けられた貫通孔に充填されて形成されている、
ことを特徴とする空間光変調器。
【請求項６】
前記下部電極と前記上部電極との交差点のそれぞれにおいて、水平方向に複数の前記光変調素子を設けたことを特徴とする請求項５に記載の空間光変調器。
【請求項７】
前記光変調素子の磁化反転層の磁化方向を変化させるために電流を注入する電流源と、前記マトリクス状に並べられた光変調素子を画素として選択する画素選択手段とをさらに備えることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の空間光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示装置やホログラフィー表示装置に用いられる光変調素子および空間光変調器に係り、特に、磁化の変化を用いた光変調素子および空間光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の位相や振幅を空間的に変調する光学素子は、ホログラフィーなどの画像露光装置に応用され、ディスプレイ技術や記録技術のなど分野で広く利用されている。また、このような光学素子は、２次元で並列に光情報を処理することができるため、光情報処理技術などへの応用も研究されている。
【０００３】
代表的なＳＬＭ（Spatial Light Modulator）に液晶パネルを用いた空間光変調器がある。液晶パネルは、油状で透明な液晶材料が２枚の透明な基板で挟まれた構造をしている。透明な基板としては主にガラスが用いられることが多いがプラスチックを用いることもある。この透明な基板の内面には、液晶に電圧を印加する電極として透明電極が設けられている。透明電極の材料には、抵抗値が低く形状を作製するのが容易なインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）が広く用いられている。これらを用いてホログラフィーを再現しようと試みられているが、応答速度の遅さや画素の高精細性が不足しているために、像の再生は限定的なものに限られていた（非特許文献１参照）。
【０００４】
画素の高精細化と応答速度の問題を解決するために、特許文献１または特許文献２に示すような磁性ガーネットのファラデー効果を利用した高速応答の磁気光学式空間光変調器（以降、ＭＯＳＬＭ：：Magneto-Optic SLM）の例が開示されている。
【０００５】
特許文献１には、各ピクセルに対応した領域毎に個別に光反射膜を形成し、局所熱処理と光反射鏡により印加される応力とで各ピクセル間が磁気的に分離したＭＯＳＬＭが記載されている。また、特許文献１には、各ピクセルの外形に一致するようにＸＹ駆動ラインを形成し、局所熱処理とＸＹ駆動ラインにより印加される応力とで、各ピクセル間が磁気的に分離されているＭＯＳＬＭが記載されている。これらにより、特許文献１に記載の技術は、ピクセル間の距離をピクセルサイズ以下に狭めることが可能となる。また、磁性ガーネットがシングルドメイン構造（単磁区構造）を形成されていれば、ＸＹ駆動ラインにパルス電流を印加することによって、磁性ガーネットの磁化を反転させることができる。
【０００６】
特許文献２に記載されたＭＯＳＬＭは、ＸＹ駆動ラインヘの通電が合致したピクセルに対して合成磁界を印加し、選択的に磁化反転をする構造となっている。
【０００７】
ところで、スピン注入磁化反転技術（ＳＴＳ：Spin Transfer Switching）は、サブミクロン以下の小さな磁性体の磁化を反転させる技術として注目されている（非特許文献２参照）。ＳＴＳを用いることで、ギガビット（Ｇbit）級の超高密度な磁気ランダムメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）への応用が期待されている。また、近年、メモリヘの応用だけでなく、磁気光学効果とＳＴＳとを組み合わせることで光を変調する光変調素子が提案されている。
【０００８】
本願発明者らは、これまでに、磁化方向の変化を用いて画素選択を行う撮像装置において、スピン注入により磁化反転されるスピン注入型磁化反転素子と、偏光手段とを用いて、画素選択を行うことを提案している（特許文献３参照）。この特許文献３に記載されたように、スピン注入により磁化反転を行う光変調器は、入射光の偏光面を変えることで、光を変調させる方式であるために高速・高精細が可能である。
【０００９】
また、本願発明者らは、磁気光学効果を用いた空間光変調器において、膜面に垂直な垂直磁気異方性を有する磁性材料から構成されている磁性膜を用いることを提案している（特許文献４参照）。特許文献４に記載された空間光変調器は、磁性膜の少なくとも１つが垂直磁気異方性を有する磁性材料から構成されているため、膜面に平行な面内磁気異方性を有する磁性材料と比較して磁気光学効果を大きくすることができる。そのため、入射光の光変調度（偏光度）を大きくすることが可能となり、かつ低消費電力にすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−７０７０１号公報
【特許文献２】特開２００５−２２１８４１号公報
【特許文献３】特開２００８−６０９０６号公報
【特許文献４】特開２００９−１３９６０７号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】T. Sonehara，H. Miura，and J. Amako: Proceeding of 12th International Display Research Conferences (1992)315.
【非特許文献２】E. B. Mayer, D. C. Ralph，J. A. Katine，R. N. Louie，and R. A. Buhrman :Science 285 (1999)867
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ＳＬＭにおいては、画素サイズ（画素ピッチ）を微細化すると共に、応答を高速化することが要望されている。しかしながら、液晶パネルを用いたＳＬＭでは、画素サイズを数μｍ以下とするような微細化が困難であると共に、印加電圧に対する応答時間が数十μｓ程度と比較的遅いという問題がある。
【００１３】
また、特許文献１に記載されたＭＯＳＬＭは、ＸＹ駆動ラインを、画素の内側に収まり且つ画素の外形に一致するように形成した構造となっているので、画素サイズを数μｍ以下とするような微細化が困難である。また、特許文献２に記載されたＭＯＳＬＭは、ＸＹ駆動ラインへの通電による合成磁界を利用するために、画素を微細化すると隣接した画素へのクロストークが大きくなってしまうという問題がある。
【００１４】
これに対して、特許文献３、４に記載されたスピン注入型の光変調素子は、印加電圧に対する応答時間が数ｎｓ程度であり、画素サイズもサブミクロンが可能であるので高性能である。しかしながら、ホログラフィー表示装置やホログラム記録装置への応用を考えた場合には、光変調度が充分に大きいとは言えず、そのため、コントラストが弱くなってしまう。つまり、特許文献３、４の技術には、光変調度を大きくする技術にさらなる改良の余地があり、光変調度を改善することが望まれていた。
【００１５】
光変調度は磁気光学効果と密接に関係しており、カー（Kerr）効果やファラデー効果による旋光の角度（カー回転角やファラデー回転角）が大きくなれば、光変調度も大きくなる。そのため、従来の磁気光学効果を用いた光変調素子の研究分野では、例えばＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）素子やＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）素子のようなスピン注入磁化反転素子を用いた光変調素子を構成する磁性膜部分において材料等の条件を工夫することで磁気光学効果の改善が図られてきた。つまり、光変調素子を構成する磁性膜部分として、例えばピンド層（磁化固定層）およびフリー層（磁化反転層）の材料等の条件が着目されてきた。一方で、ピンド層とフリー層とに挟まれた中間層であって、非磁性膜からなるスペーサ層については、磁気光学効果の改善という観点では着目されてこなかった。そのため、光変調素子を構成するスピン注入磁化反転素子のスペーサ層については、光変調度を大きくするために最適な材料等の条件がこれまで知られていないという問題があった。
【００１６】
そこで、本発明では、従来のスピン注入磁化反転素子のスペーサ層については、光変調度を大きくするために最適な材料等の条件が不明であったという問題を解決し、光変調素子による磁気光学効果を改善することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の光変調素子は、１層以上の磁性膜を含む磁化固定層と、非磁性膜からなる中間層と、光の入射側に配置された１層以上の磁性膜を含む磁化反転層とがこの順番に積層された磁性多層膜と、前記磁性多層膜に電流を流すための前記磁化反転層側の透明電極および前記磁化固定層側の金属電極とを備え、前記透明電極を介して前記磁性多層膜に入射する光を変調する光変調素子において、前記磁性多層膜は、前記非磁性膜が、膜厚６ｎｍ以上２０ｎｍ以下のＡｇからなることとした。
【００１８】
かかる構成によれば、光変調素子は、磁化固定層と磁化反転層との間の中間層を、従来のＣｕスペーサに代えてＡｇスペーサとして、Ａｇスペーサの膜厚を６〜２０ｎｍとすることで、磁気光学効果としてカー回転角を増大させることができる。このことは実験で確かめることができた。そのため、かかる構成によれば、光変調素子は、光変調度が向上する。また、かかる構成の光変調素子は、ＭＲ比（magneto resistance ratio）が従来のＣｕスペーサの光変調素子と比べて約２倍に増加することが実験で確かめることができた。したがって、磁化反転層が磁化反転し易くなる。
【００１９】
また、本発明の請求項２に記載の光変調素子は、請求項１に記載の光変調素子において、前記非磁性膜が、膜厚６ｎｍ以上１５ｎｍ以下のＡｇからなることとした。
【００２０】
かかる構成によれば、光変調素子は、磁化固定層と磁化反転層との間のＡｇスペーサの膜厚を１５ｎｍ以下とすることで、磁化反転層の保磁力の上昇を抑制し、磁気特性の劣化を防ぐことが可能となる。したがって、Ａｇスペーサの膜厚を１５ｎｍ以下とした範囲では、磁化反転層の保磁力の上昇を抑制するので、光変調素子では、磁化反転層の磁化方向が容易に反転（回転）する。そのため、所要磁化反転電流を下げることができ、スピン注入磁化反転を利用する場合に、スピン注入効率を高めることができる。
【００２１】
また、本発明の請求項３に記載の光変調素子は、請求項１または請求項２に記載の光変調素子において、前記磁性多層膜は、前記磁化反転層および前記磁化固定層に含まれる磁性膜が、垂直磁気異方性を有する磁性材料からなることとした。
【００２２】
かかる構成によれば、光変調素子は、磁化方向が膜面に垂直な垂直磁気異方性を有する磁性材料から形成されている磁性膜を含むので、磁化方向が膜面に平行な面内磁気異方性を有する磁性材料から形成されている場合に比べて、磁気光学効果が大きく、光変調度が高くなる。
【００２３】
また、本発明の請求項４に記載の光変調素子は、請求項３に記載の光変調素子において、前記磁性多層膜は、前記磁化反転層に含まれる磁性膜が、ＧｄＦｅから形成され、前記磁化固定層が、ＴｂＦｅＣｏ膜と、このＴｂＦｅＣｏ膜に積層されて前記非磁性膜に接触したＣｏＦｅ膜とを含むこととした。
【００２４】
かかる構成によれば、光変調素子は、磁化反転層に含まれる磁性膜がＧｄＦｅから形成されてＧｄを含むためその磁気異方性が小さく、磁化反転層の保磁力を小さくすることができる。そのため、磁化反転層は、スピン分極された電子の注入によって磁化が容易に反転し易い。また、光変調素子は、磁化固定層に含まれる磁性膜がＴｂＦｅＣｏ膜を含むため、Ｔｂによって磁化固定層の保磁力を大きくすることができる。そのため、磁化固定層は、磁化方向が外部磁界によって容易に変わらないように形成することができる。さらに、光変調素子は、磁化固定層がＣｏＦｅ膜とＴｂＦｅＣｏ膜とからなる２層構造を有しており、ＣｏＦｅ膜およびＴｂＦｅＣｏ膜は交換結合によって磁気的に結合しているために、面内に向きやすい性質をもったＣｏＦｅ膜の磁化は垂直方向に保たれる。そして、スピン分極の高いＣｏＦｅ層を通過することによってスピン分極した電子が磁化固定層から磁化反転層へ移動することができる。このことによってスピン注入磁化反転を利用する場合に、スピン注入効率を高めることができる。
【００２５】
また、前記課題を解決するために、本発明の請求項５に記載の空間光変調器は、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の光変調素子をマトリクス状に並べて構成された空間光変調器であって、前記マトリクスの行方向および列方向のうちの一方向に並べられた各光変調素子に共通となるように延設された複数の下部電極と、前記マトリクスの行方向および列方向のうちの他方向に並べられた各光変調素子に共通となるように延設されると共に前記下部電極の配設間隔と同じ間隔で複数の貫通孔が設けられた複数の上部金属電極とを備え、前記光変調素子の前記基板側の金属電極は、前記下部電極を構成し、前記光変調素子の前記入射光側の透明電極は、前記上部金属電極に設けられた貫通孔に充填されて形成されていることとした。
【００２６】
かかる構成によれば、空間光変調器は、Ａｇスペーサの光変調素子を用いているので、磁気光学効果が増大し、光変調度が向上する。また、かかる構成によれば、空間光変調器は、複数の光変調素子に共通となるように延設された上部金属電極に設けた複数の貫通孔に充填された透明電極を介して、光変調素子に効率よく光を入射することができる。また、かかる構成によれば、空間光変調器は、上部電極をすべて透明電極とする場合に比べて抵抗を下げ、電流密度を高めることができる。したがって、スピン注入磁化反転を利用する場合に、スピン注入効率を高めることができる。
【００２７】
また、請求項６に記載の空間光変調器は、請求項５に記載の空間光変調器において、前記下部電極と前記上部電極との交差点のそれぞれにおいて、水平方向に複数の前記光変調素子を設けたこととした。
【００２８】
かかる構成によれば、空間光変調器では、下部電極と上部電極との交差点のそれぞれにおいて、隣り合う光変調素子同士で磁気的な影響を与え合うことができる。ホログラフィー表示に必要な高精細性確保には、下部電極と上部電極との幅や間隔は１μｍ以下であることが好ましい。同一画素内に１μｍ以下の間隔で配置した複数の光変調素子は、磁気的な影響を強く与え合うことができる。そして、この場合に、予め定められた大きさの電流を供給することで、隣り合う光変調素子それぞれの磁化反転層の磁化方向が異なる方向を安定的に示すことができる。つまり、空間光変調器では、電流の大きさを変化させて供給することで、画素内のすべての光変調素子を磁化反転させたり、一部の光変調素子のみ磁化反転させたりすることができる。そのため、上部電極の貫通孔に充填された透明電極の部分を単位とした１画素において、階調表示が可能となる。
【００２９】
また、請求項７に記載の空間光変調器は、請求項５または請求項６に記載の空間光変調器において、前記光変調素子の磁化反転層の磁化方向を変化させるために電流を注入する電流源と、前記マトリクス状に並べられた光変調素子を画素として選択する画素選択手段とをさらに備えることとした。
【００３０】
かかる構成によれば、空間光変調器において、画素選択手段と電流源とによって、選択された光変調素子に対して、スピン分極された電子を注入することができる。空間光変調器は、このようにスピン注入磁化反転を用いることで、光変調素子の状態変化に要する時間を短縮することができる。
【発明の効果】
【００３１】
請求項１に記載の発明によれば、光変調素子は、磁気光学効果としてカー回転角を増大させることができるため、光変調度が向上する。また、光変調素子は、ＭＲ比が従来に比べて約２倍に増加するので、磁化反転層が磁化反転し易くなる。
【００３２】
請求項２に記載の発明によれば、光変調素子は、磁化反転層の保磁力の上昇を抑制し、軟磁気特性の劣化を防ぐことが可能となる。また、光変調素子は、磁化反転層の磁化方向が容易に反転（回転）するため、所要磁化反転電流を下げることができる。
【００３３】
請求項３に記載の発明によれば、光変調素子は、面内磁気異方性を有する磁性材料から形成されている場合に比べて、磁気光学効果が大きく、光変調度が高くなる。
【００３４】
請求項４に記載の発明によれば、光変調素子は、磁化反転層および磁化固定層をなす磁性膜が好適な材料で形成されているため、磁化反転層は磁化が容易に反転し易く、磁化固定層は磁化方向が外部磁界の影響を受けにくい。また、光変調素子は、スピン分極された電子が垂直方向のスピン分極を保ったまま移動することができるので、スピン注入効率を高めることができる。
【００３５】
請求項５に記載の発明によれば、空間光変調器は、下部電極と上部電極との交差点に透明電極を配し、その他の部分に、透明電極よりも比抵抗の小さい金属電極を配することによって、光変調素子に効率よくスピン注入できる。その結果、画素サイズを微細化すると共に、光変調の高速応答が可能となる。
【００３６】
請求項６に記載の発明によれば、空間光変調器は、下部電極と上部電極との交差点のそれぞれに配された、隣り合う光変調素子同士で磁気的な影響を与え合うことができる。したがって、上部電極の貫通孔に充填された透明電極の部分を単位とした１画素において、階調表示が可能となる。
【００３７】
請求項７に記載の発明によれば、空間光変調器は、選択された光変調素子に対して、スピン分極された電子を注入することができる。したがって、空間光変調器は、光変調素子の状態変化に要する時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態に係る空間光変調器の構成を模式的に示す説明図であって、（ａ）は上から視た図、（ｂ）は横から視た図である。
【図２】図１に示した空間光変調器を構成する光変調素子のｘｚ平面の断面図である。
【図３】図２に示した磁性多層膜の一例を示す断面図である。
【図４】図１に示した空間光変調器を構成する光変調素子のｙｚ平面の断面図である。
【図５】本発明の実施例の光変調素子を構成する磁性多層膜の磁気光学特性を示す図であって、（ａ）は本発明の実施例のカー回転角、（ｂ）は比較例のカー回転角をそれぞれ示している。
【図６】本発明の実施例の光変調素子を構成する磁性多層膜の構造とその比較を示す図であって、（ａ）は本発明の実施例の構造、（ｂ）は比較例の構造をそれぞれ示している。
【図７】本発明の実施例の光変調素子を構成する磁性多層膜においてＧｄＦｅ膜厚を変化させたときのカー回転角とその比較を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例の光変調素子を構成する磁性多層膜においてＡｇ膜厚を変化させたときの特性を示すグラフであって、（ａ）はＡｇ膜厚とカー回転角との関係、（ｂ）はＡｇ膜厚とＧｅＦｅ膜の保持力との関係をそれぞれ示している。
【図９】本発明の実施例の光変調素子において素子サイズを変化させたときのＭＲ比とその比較を示すグラフであって、（ａ）は本発明の実施例、（ｂ）は比較例をそれぞれ示している。
【図１０】図９に示す光変調素子のうち素子サイズが同様な実施例および比較例に対して外部磁界を変化させたときの抵抗とその比較を示すグラフであって、（ａ）は本発明の実施例、（ｂ）は比較例をそれぞれ示している。
【図１１】本発明の実施例の光変調素子の磁気抵抗変化を示すグラフであって、（ａ）は外部磁界による磁気抵抗変化、（ｂ）はスピン注入による磁気抵抗変化をそれぞれ示している。
【図１２】図１に示した空間光変調器を構成する光変調素子の動作を模式的に示す説明図であって、（ａ）は初期状態、（ｂ）は反転状態をそれぞれ示している。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図面を参照して本発明の光変調素子および空間光変調器を実施するための形態について詳細に説明する。以下では、説明の都合上、１．空間光変調器の構成、２．光変調素子の構成、３．空間光変調器の製造方法、４．光変調素子の具体例、５．磁性多層膜の磁気光学効果の特性、６．空間光変調器の動作例の各章について順次説明することとする。
【００４０】
［１．空間光変調器の構成］
本発明の実施形態に係る空間光変調器の概要について図１〜図４を参照して説明する。図１および図４は、主として空間光変調器を示し、この空間光変調器を構成する光変調素子を図２および図３に示す。図２は、図１のＡ−Ａ線断面（ｘｚ平面の断面）を示し、図４は、図１のＢ−Ｂ線断面（ｙｚ平面の断面）を示す。
【００４１】
空間光変調器１は、図１（ａ）に示すように、平面視で、複数の上部電極５と複数の下部電極３とが互いに直交して、磁性多層膜４を挟んで上下に配設された構成を有している。上部電極５と下部電極３との交差点が画素を形成し、この画素には、２つの磁性多層膜４を備える。磁性多層膜４は、図２に示すように、その上下の電極と共に光変調素子１０を構成している。このように磁性多層膜４を所望の素子サイズに加工して電極を含めたときには光変調素子と呼称し、電極を含めないときには磁性多層膜と呼称する。
【００４２】
図１の空間光変調器１は、図２の光変調素子１０を１画素に例えば２素子ずつの組をマトリクス状に並べて構成されている。本実施形態の空間光変調器１において、１つの画素は、２つの光変調素子１０を備えるものに限定されるものではない。また、ここでは、一例として縦２×横４のマトリクス状に２次元配列した。
【００４３】
図１に示す例では、金属電極である下部電極３（３ａ，３ｂ）は、マトリクスの行方向に並べられた各光変調素子１０に共通となるように延設されている。また、金属電極である上部電極５（５ａ〜５ｄ）は、マトリクスの列方向に並べられた各光変調素子１０に共通となるように延設されている。
【００４４】
上部電極５には、貫通孔である複数の孔部６が設けられている。孔部６は、下部電極３の上に位置しており、孔部６の間隔は、下部電極３の配設間隔と同じ間隔である。上部電極５の各孔部６には、透明電極７が充填されており、入射光用の窓となっている。このような構成によれば、仮に、上部電極の全体が透明電極で形成された場合と比較すると、電気抵抗を非常に小さくすることができ、非常に大きな電流密度の電流を流すことができるので、光変調素子１０にスピン注入することが可能となる。
【００４５】
また、光変調素子１０は、図１（ｂ）に示すように、正面視で、基板２上に形成された下部電極３と、下部電極３の上に形成された磁性多層膜４と、磁性多層膜４の上に形成された上部電極５とを備えている。
【００４６】
基板２は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ガラス等から成る。
下部電極３および上部電極５は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｃｒ等の金属や合金等からなる一般的な電極用金属材料で形成される。
【００４７】
透明電極７は、図４に示すように磁性多層膜４を覆うように配設されており、入射光が磁性多層膜４に効率よく到達できるように、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）等の一般的な透明電極材料を用いて構成されている。なお、図１（ｂ）に示す透明電極７は、その上端が上部電極５の上端から突出しているが、面一となるように形成することもできる。
【００４８】
図１（ｂ）に示すように、磁性多層膜４と、磁性多層膜４との間の空間は、絶縁部材８で充填されている。また、絶縁部材８は、図４に示すように、下部電極３と上部電極５との隙間や、互いに隣り合った下部電極３と下部電極３との隙間にも堆積されている。また、絶縁部材８は、図示は省略するが、互いに隣り合った上部電極５と上部電極５との隙間にも配設されている。これにより、空間光変調器１において、マトリクス状に配置された画素の部分（画素アレイ）、すなわち上部電極５と下部電極３とが交差する地点にしか電流が流れないようになっている。この絶縁部材８は、例えば、ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3等から成る。
【００４９】
本実施形態では、空間光変調器１は、図１（ｂ）に示すように、さらに、画素選択機構９と電流源９ａとを備える構成とした。画素選択機構９は、マトリクス状に並べられた光変調素子１０を画素として選択するものであり、図示を省略するが、行ドライバ、列ドライバ、各ドライバに信号を供給する信号処理回路等から構成されている。
【００５０】
ここでは、画素選択機構９は、電流源９ａを包含することとした。電流源９ａは、上部電極５および下部電極３に接続され、光変調素子１０にスピン注入するものである。電流源９ａは、パルス電流または直流電流を光変調素子１０に供給する。以上が、空間光変調器１の全体の概要である。
【００５１】
［２．光変調素子の構成］
ここでは、光変調素子の構成を、２−１．光変調素子の概要、および、２−２．磁性多層膜の概要の各節に分けて説明する。
【００５２】
＜２−１．光変調素子の概要＞
光変調素子１０は、図２に断面を示すように、下部電極３と、磁性多層膜４と、透明電極７とを備えている。なお、図２では、１画素の領域を示しているが空間光変調器１は、２次元マトリクス状に配列された複数の画素を有している。
磁性多層膜４は、例えば、ＣＰＰ（Current Perpendicular to the Plane）−ＧＭＲ素子から構成され、図２に示すように、下地層１１と、磁化固定層としての磁性膜１２と、中間層としての非磁性膜１３と、磁化反転層としての磁性膜１４と、保護層１５とをこの順に積層されて形成されている。
【００５３】
磁性膜１２は、基板２（図１参照）側に配置され、磁化方向が所定の方向に固定された磁化固定層（以下、ピンド層とよぶ）をなす磁性膜である。ピンド層は、１層以上の磁性膜１２を備える。また、磁性膜１２においては、例えば、図４に上向き矢印で示す方向に磁化方向が固定されている。
【００５４】
非磁性膜１３は、磁性膜１２と磁性膜１４とに挟まれた中間層（以下、スペーサ層とよぶ）をなす。この非磁性膜１３のスペーサ材料を従来のＣｕからＡｇに変え、非磁性膜１３を予め定められた膜厚で形成したことが本発明の特徴である。非磁性膜１３の詳細は後記する。
【００５５】
磁性膜１４は、光の入射側に配置され、磁化方向が予めピンド層の磁化方向と同一または反対方向に磁化された磁化反転層（以下、フリー層とよぶ）をなす磁性膜である。このフリー層の磁化方向は、固定されておらず、スピン分極された電子が注入されることによって容易に回転（反転）することができる。磁性膜１４は、磁気光学的カー効果が生じ、偏極率が比較的高い強磁性体から構成されることが好ましい。ここで、偏極率が低いほど磁化反転に必要な電流の値が大きくなる。
【００５６】
下地層１１は、必要に応じて設けられ、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｒｕ等で形成することができる。また、保護層（キャッピング層）１５は、微細加工プロセス中に磁性膜１４が受けるダメージを保護する層であり、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｒｕ等で形成することができる。
【００５７】
＜２−２．磁性多層膜の概要＞
光変調素子１０を構成する磁性多層膜４において、フリー層をなす磁性膜１２は、垂直磁気異方性を有する磁性材料で形成されている。
磁性多層膜４において、ピンド層をなす磁性膜１４は、垂直磁気異方性を有する磁性材料で形成されている磁性膜を含んでいる。
【００５８】
このようにピンド層およびフリー層を構成する磁性膜が、垂直磁気異方性を有する材料で構成されていることによって、スピン注入磁化反転によって、磁化方向が、磁性膜に垂直な方向に反転する。この磁性多層膜４における大きな磁気光学効果によって、大きな光変調度で出射光を変調して制御することが可能となると共に、飽和磁化の低減によって磁性膜における磁化反転に要する電流を低減して消費電力を低減できる。
【００５９】
垂直磁気異方性を有する磁性材料としては、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびその合金、ならびにＳｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ等の希土類金属を含む合金からなる群から選ばれる少なくとも１種が用いられる。
また、磁性膜を構成する磁性材料の磁化補償温度の前後では、磁化のスイッチング特性が逆転することから、そのスイッチング特性の逆転を防止するため、空間光変調器１の動作温度以下であることが好ましい。
【００６０】
また、ピンド層をなす磁性膜１２は、外部磁界によって磁化方向が変わらないように保磁力を大きくする観点から、Ｔｂを含むことが好ましく、例えば、Ｔｂと、Ｆｅ、Ｃｏ等の遷移金属とを含む合金で形成されていることが好ましい。
【００６１】
特に、ピンド層をなす磁性膜１２として、ＴｂＦｅＣｏ膜とＣｏＦｅ膜とからなる２層構造を有するピンド層は、ＣｏＦｅ膜を含むことによって、垂直方向のスピン分極を保ったまま、スピン注入効率を高めることができることから、好ましい。この場合、ＴｂＦｅＣｏ膜とＣｏＦｅ膜とは、通常、膜厚比がＴｂＦｅＣｏ膜／ＣｏＦｅ膜が２０／１で形成される。ここで、ＴｂＦｅＣｏ膜は、垂直磁化膜であって下地層１１側に積層され、ＣｏＦｅ膜は、面内磁化膜であって非磁性膜１３側に積層されるが、厚いＴｂＦｅＣｏ膜との交換結合により、薄いＣｏＦｅ膜の磁化は垂直方向に向く。
【００６２】
フリー層をなす磁性膜１４は、スピン分極された電子の注入によって磁化が容易に反転し易い観点から、保磁力を小さくするために、Ｇｄを含むことが好ましく、例えば、Ｇｄと、Ｆｅおよび／またはＣｏとを含む合金で形成されていることが好ましい。また、磁性膜を構成する磁化補償温度を、空間光変調器の動作温度以下にするために、ＧｄとＦｅの含有割合は、Ｇｄが２５ａｔ％以下であることが好ましい。
【００６３】
また、フリー層をなす磁性膜１４は、大きい磁気光学効果が得られることから、ＭｎおよびＢｉを含むことが好ましい。
【００６４】
［３．空間光変調器の製造方法］
ここでは、空間光変調器の製造方法を、３−１．光変調素子の製造方法の概要、３−２．空間光変調器の製造方法の概要、３−３．空間光変調器の製造方法の具体例の各節に分けて説明する。
【００６５】
＜３−１．光変調素子の製造方法の概要＞
光変調素子１０を製造する方法は、以下の通りである。光変調素子１０は、磁性多層膜４を形成する各層や電極を、例えば、スパッタリング法や蒸着法などで成膜することによって形成することができる。例えば、基板２上に、スパッタリング法や蒸着法によって、下部電極３を構成する金属膜を成膜した後、電子ビームやフォトリソグラフィを用いて下部電極３を形成する。次に、磁性多層膜４として、下地層１１、ピンド層となる磁性膜１２、スペーサ層となる非磁性膜１３、フリー層となる磁性膜１４および保護層１５となる材料を、この順で積層した後、その上に、電子ビームやフォトリソグラフィを用いて井桁状にレジストからなるパターンを形成し、イオンミリングやドライエッチングを用いてピンド層となる磁性膜１２がなくなるまでエッチングを行う。また、磁性膜１２をエッチングせず、スペーサ層までエッチングを行ってもよい。その後、上部電極５を形成し、透明電極７を形成することによって、光変調素子１０を形成することができる。
【００６６】
＜３−２．空間光変調器の製造方法の概要＞
空間光変調器１の各光変調素子１０を製造する方法は、以下の通りである。なお、空間光変調器１では、各画素の領域が一度に製造される。まず、光変調素子１０と隣接する光変調素子１０との間の空間を、例えば、ＳｉＯ2等の絶縁部材８で封止して、ＤＣスパッタ法により金属電極である上部電極５を積層した後に、フォトリソグラフィ法等によって、積層した金属電極を所望の形状にパターニングして、金属電極に所定数（図１では４個）の孔部６を形成する。そして、ＲＦスパッタ法により各孔部６に透明電極材料を積層して透明電極７とすることで各画素を形成する。
【００６７】
＜３−３．空間光変調器の製造方法の具体例＞
図１に示す空間光変調器１は、Ｓｉなどの基板２の上に、幅ＷBが１．０［μｍ］、間隔が０．３［μｍ］となるようにＣｕで作製した下部電極３（３ａ，３ｂ）を具備している。下部電極３がこのサイズの場合に、上部電極は、幅ＷTを例えば０．９［μｍ］にすることができる。この場合、孔部６の一辺の長さＬHを例えば０．６［μｍ］にすることができる。この場合、磁性多層膜４を平面視で、例えば、０．１５×０．４［μｍ］の大きさにすることで、２つの磁性多層膜４を１画素内に、例えば０．１［μｍ］程度の間隔を空けて配置することができる。
【００６８】
下部電極３は、例えば、以下の手順で作製できる。まず、基板２の上にレジストのパターンを作製し、ドライエッチングなどの方法でエッチングを行い、Ｃｕなどの低抵抗材料をメッキにて成膜する。この後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing；化学機械研磨）などの方法で平たん化することで電極パターンが形成される。
【００６９】
この下部電極３が作製された後、図１に示す下部電極３上には、２層の磁性膜１２，１４および非磁性膜１３の３層を含む巨大磁気抵抗多層膜（ＧＭＲ多層膜）である磁性多層膜４が積層される。そして、１画素領域において、磁性多層膜４を、例えば、０．１５×０．４［μｍ］の大きさにそれぞれ加工することで、２つの光変調素子１０を形成する。ここで、素子のサイズは、０．１−０．５×０．１−０．５［μｍ］程度が望ましい。その理由は、素子が単磁区を形成し易いからである。この場合、１画素領域において、２つの光変調素子１０が所定間隔をあけて磁気的な影響を与え合うことができるように、細長い形状とする。このＧＭＲ膜は、例えば、スパッタなどの方法にて作製する。
【００７０】
素子は、例えば、以下の手順で加工することができる。まず、電子ビーム描画装置などを用いて、例えば、０．１５×０．４［μｍ］の大きさに加工したレジストパターンを形成し、イオンミリングなどの方法でピンド層までをエッチングし、エッチングした分とほぼ同じ厚さになるように、ＳｉＯ2などの絶縁部材８を製膜する。この後、レジスト剥離液中で超音波洗浄を行うことでレジストをリフトオフする。続いて、例えばＣｕを金属材料として上部電極５を形成する。このとき、同様のフォトリソグラフィ、Ｃｕ製膜、およびリフトオフにより形成する。なお、パターニングにより孔部６を形成する。さらに、同様な方法で、孔部６を充填するように透明電極７を形成し、図１に示すような空間光変調器１の構造を得ることができる。
【００７１】
［４．光変調素子の具体例］
作製した光変調素子の具体例を図３に示す。なお、図３では、従来のＣｕスペーサに代えてＡｇスペーサとした光変調素子による磁気光学効果の増大を説明するため、透明電極７や上部電極５を省略した磁性多層膜を示した。磁性多層膜４０は、図１に示す磁性多層膜４の１つの具体例のＣＰＰ−ＧＭＲ膜である。
【００７２】
図３に示すように、磁性多層膜４０は、下地層１１にＲｕを用い、ピンド層としての磁性膜１２をＴｂＦｅＣｏおよびＣｏＦｅの２層構造とし、スペーサ層としての非磁性膜１３にＡｇを用い、フリー層としての磁性膜１４にＧｄＦｅを用い、保護層１５にＲｕを用いたものである。
【００７３】
ここで、各層の膜厚は、以下のように設定することが好ましい。ＧｄＦｅの膜厚は、５〜２０［ｎｍ］、ＴｅＦｅＣｏの膜厚は、１０〜３０［ｎｍ］程度がよい。Ａｇの膜厚は、６〜２０［ｎｍ］、好ましくは、８〜１５［ｎｍ］程度がよい。下地層１１の膜厚は、通常、１〜１０［ｎｍ］程度であり、保護層１５の膜厚は、通常、１〜５［ｎｍ］程度である。以下では、このＡｇスペーサの磁性多層膜４０を単に、Ａｇスペーサの素子という。
【００７４】
［５．磁性多層膜の磁気光学効果の特性］
ここでは、磁性多層膜の磁気光学効果の特性を、５−１．Ａｇスペーサの素子のカー回転角、５−２．ＧｄＦｅ膜厚を変更したときのカー回転角、５−３．Ａｇ膜厚を変更したときのカー回転角、５−４．Ａｇ膜厚を変更したときの保磁力、５−５．Ａｇスペーサの素子のＭＲ特性、５−６．Ａｇスペーサの素子のスピン注入磁化反転の各節に分けて説明する。
【００７５】
＜５−１．Ａｇスペーサの素子のカー回転角＞
ここでは、作製した光変調素子の磁気光学効果として、図３の膜構造の磁性多層膜に、波長７８０［ｎｍ］のレーザ光を照射し、外部から、−１．０〜＋１．０［ｋＯｅ］の範囲で磁界をかけたときのカー回転角を測定した。このときの測定結果を図５（ａ）に示す。つまり、図５（ａ）は、スペーサ材料を従来のＣｕからＡｇに変えたＡｇスペーサのＧＭＲ多層膜の磁気光学特性としてカー回転角θkを示す。図５のグラフにおいて、横軸は、磁界［ｋＯｅ］を示し、縦軸は角度θ［deg］を示す。なお、１［Ｏｅ］＝７９．５７７［Ａ／ｍ］で換算可能である。
【００７６】
このような磁気光学特性を示す磁性多層膜４１の膜構造を図６（ａ）に示す。図６（ａ）において、材料名の横のカッコ内の数字は、膜厚を示しており、その単位はｎｍである。例えば、非磁性膜１３は、膜厚６［ｎｍ］のＡｇで構成され、磁性膜１４は、膜厚１０［ｎｍ］のＧｄＦｅで構成されている。
【００７７】
また、このＡｇスペーサの磁性多層膜４１の比較として、スペーサ材料を従来のＣｕに変えたＣｕスペーサの磁性多層膜１４０の構造を図６（ｂ）に示す。また、このＣｕスペーサの磁性多層膜１４０の磁気光学特性としてカー回転角θkを図５（ｂ）に示す。
【００７８】
図５（ａ）に示すように、Ａｇスペーサの磁性多層膜４１に対して、−１．０〜＋１．０［ｋＯｅ］の範囲で磁界を変化させたとき、磁界が負の方向のときには角度θの最小値が−０．１３９３［ｄｅｇ］であり、磁界が正の方向のときには角度θの最大値が＋０．１４０５［ｄｅｇ］であった。素子に磁界を印加したときの反射光の偏光の角度変化を示すカー回転角θkは、磁界印加時の角度の絶対値の平均として、これら最大値と最小値との差分の１／２から求められ、０．１４０［ｄｅｇ］であった。
【００７９】
一方、Ｃｕスペーサの磁性多層膜１４０に対して、−１．０〜＋１．０［ｋＯｅ］の範囲で磁界を変化させたとき、磁界が負の方向のときには角度θの最小値が−０．１１１３［ｄｅｇ］であり、磁界が正の方向のときには角度θの最大値が＋０．１１３０［ｄｅｇ］であった。その結果、カー回転角θkは、０．１１２［ｄｅｇ］であった。
【００８０】
つまり、スペーサ材料を従来のＣｕからＡｇに変えた素子構造とすることで、カー回転角θkは２７％増加することが分かった。光の変調度は、このカー回転角θｋに大きく依存することが知られており、スペーサ材料を従来のＣｕからＡｇに変えた素子構造とすることで、変調度を改善できることが分かった。
【００８１】
＜５−２．ＧｄＦｅ膜厚を変更したときのカー回転角＞
続いて、Ａｇスペーサの上のＧｄＦｅ膜の膜厚を変更した場合に、カー回転角が増加する現象が同様に観測されるか確かめる実験を行った。ここでは、Ａｇスペーサの上のＧｄＦｅ膜の膜厚を変更して素子サイズが１２０×１２０［ｎｍ２］〜１２０×３００［ｎｍ２］の複数種類の素子を、ＤＣマグネトロンスパッタにて製膜を行った。また、ＣＰＰ−ＧＭＲ作製プロセスは１９０℃以下で行われるが、このプロセスにおいて特性変化がないようにするために、製膜後１９０℃で１時間の熱処理（アニール）を行った。そして、作製した各素子に対して同様に磁界を印加したときのそれぞれのカー回転角を求めた。その結果を図７に示す。なお、Ａｇスペーサの膜厚は６［ｎｍ］のままである。
【００８２】
Ａｇスペーサの上に積層されるＧｄＦｅ膜の膜厚を、それぞれ、７，１０，１２，１５［ｎｍ］とした４種類の素子では、ＧｄＦｅ膜の膜厚を大きくしていくと、カー回転角も同様に大きくなった。また、比較例として、Ｃｕスペーサの上に積層されるＧｄＦｅ膜の膜厚を、それぞれ、７，１０，１３［ｎｍ］とした３種類の素子では、ＧｄＦｅ膜の膜厚を大きくしていくと、カー回転角も同様に大きくなった。これら測定したいずれのＧｄＦｅ膜厚においても、Ａｇスペーサの磁性多層膜が、Ｃｕスペーサの磁性多層膜と比較して、およそ２０％程度大きいカー回転角を示した。これにより、Ａｇスペーサの上のＧｄＦｅ膜の膜厚を変更した場合であっても、カー回転角が増加する現象が同様に観測されることが分かった。
【００８３】
スペーサ材料を従来のＣｕからＡｇに変えた素子構造とすることで、カー回転角が増加する原因はまだ解明されてはいない。実験で作製したＧｄＦｅのそれぞれの膜厚は、光の侵入長より小さいものであった。そのため、スペーサ層(ＡｇまたはＣｕ)に到達した光が反射される割合の違いが、カー回転角に影響したのではないかと考えることができる。つまり、Ａｇの反射率がＣｕの反射率よりも大きいことが、カー回転角が増加した原因ではないかと考えることができる。
【００８４】
＜５−３．Ａｇ膜厚を変更したときのカー回転角＞
Ａｇの反射率がＣｕの反射率よりも大きいことが、カー回転角が増加した原因であることを確認するために次の実験を行った。この実験では、Ａｇの膜厚を増加させれば、スペーサ層に到達した光が反射される割合が増加するので、カー回転角が増加するはずであるという仮説をたて、これを検証した。
【００８５】
Ａｇ膜の膜厚を、それぞれ、８，１０，１５，２０［ｎｍ］として同様に４種類の磁性多層膜を作製し、アニール前の各試料のカー回転角θkを同様に測定した後、アニール後の各試料のカー回転角θkを同様に測定した。Ａｇの各膜厚に対してカー回転角θkをプロットした実験結果（図中、四角）を図８（ａ）に示す。なお、図８（ａ）において、ダイヤは、アニール前（as depo）の試料に対する測定結果を示し、三角は、Ｃｕスペーサの場合の結果を示す。
【００８６】
図８（ａ）に示すように、Ａｇの膜厚を増加させてスペーサ層に到達した光が反射される割合を増加させたとしても、測定されたカー回転角θkの値はほとんど変化しなかった。この実験では、仮説の予想に反した実験結果が得られたので、カー回転角が増加した原因が、Ａｇの大きな反射率に起因したものであると断定することはできない。しかしながら、図８（ａ）に示す結果に基づいて、図３の構造の磁性多層膜４０のＡｇの膜厚を６〜２０［ｎｍ］とした光変調素子を作製すれば、従来のＣｕスペーサを用いた光変調素子よりもカー回転角を増大させることができる。
【００８７】
ところで、従来のＧＭＲ膜では、スペーサ層の膜厚は、例えば、偏極スピン電子がスピン偏極を保ったまま通過できる厚さ（２〜３０［ｎｍ］）が好ましいとされている。図８（ａ）に示すように、作製した４種類のＡｇスペーサの磁性多層膜では、その膜厚が６〜２０［ｎｍ］の場合に、カー回転角θkの値がほとんど変化せずに、従来のＣｕスペーサの場合よりも良好であった。そのため、Ａｇスペーサの磁性多層膜４０は、その膜厚が６〜２０［ｎｍ］の場合に、光変調度を従来よりも向上させることが可能である。
【００８８】
＜５−４．Ａｇ膜厚を変更したときの保磁力＞
次に、磁性多層膜４０の磁気特性として、光変調度に密接に関係したカー回転角θk以外の特性に着眼して、Ａｇの膜厚の好ましい範囲を探索する実験を行った。具体的には、Ａｇの膜厚と、Ａｇスペーサの上のＧｄＦｅ膜の保磁力Ｈcとの相関を確かめる実験を行った。
【００８９】
Ａｇ膜の膜厚を、それぞれ、８，１０，１５，２０［ｎｍ］とした４種類の磁性多層膜において、Ａｇスペーサの上のＧｄＦｅ膜の保磁力Ｈcをプロットした実験結果（図中、四角）を図８（ｂ）に示す。なお、図８（ｂ）において、ダイヤは、アニール前（as depo）の試料のＧｄＦｅ膜の保磁力Ｈcを示し、三角は、Ｃｕスペーサの場合の結果を示す。
【００９０】
図８（ｂ）に示すように、Ａｇの膜厚が大きくなるにしたがって、ＧｄＦｅ膜の保磁力Ｈcの値が大きくなった。特に、Ａｇの膜厚が１５［ｎｍ］を超えると、保磁力Ｈcの値が著しく大きくなることが分かる。この原因は、Ａｇを厚くすると、Ａｇの表面粗さが増大するためであると考えられる。その検証として、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic force microscopy）により、素子の保護層１５を介して表面粗さを測定した。Ａｇを厚くしたときに、ＡｇとＧｄＦｅとの界面が荒れているために、Ａｇ膜の上に成長したＧＦｅの表面も粗くなり、保護層１５の表面粗さが増大した。
【００９１】
ＧｄＦｅ膜はフリー層として機能する磁性膜１４であり、磁化反転が容易である必要がある。しかし、保磁力Ｈcの値が大きいほど、磁化反転が容易ではなくなってしまう。そこで、この磁性多層膜４０のＡｇの膜厚を１５［ｎｍ］以下とした光変調素子を作製することとする。これにより、ＧｄＦｅ膜の保磁力の上昇を抑制し、軟磁気特性の劣化を防ぐことができる。また、このように作製した光変調素子は、ＧｄＦｅ膜の磁化方向が容易に反転（回転）するため、所要磁化反転電流を下げることができる。
また、スピン注入によってフリー層の磁化反転を行うというスピン注入磁化反転では、スペーサ層が厚くなればなるほど、偏極スピン電子がそのままのスピンを維持したままフリー層に到達することが容易ではなくなるので、スピン注入効率が悪くなる。
このことから、Ａｇの膜厚は、Ａｇスペーサの下に位置するピンド層である磁性膜１２との結合が切れる範囲でなるべく薄い方がよく、６［ｎｍ］以上１５［ｎｍ］以下が望ましい。
【００９２】
＜５−５．Ａｇスペーサの素子のＭＲ特性＞
次に、Ａｇスペーサの素子において、スピン注入磁化反転に重要な要因であるＭＲ特性（磁気抵抗変化）を調べた。具体的には、Ａｇスペーサの素子において、Ａｇの膜厚は６［ｎｍ］のままにして、素子サイズＡ（ＡAg）が約０．０１５〜０．０４８［μｍ２］の数十種類のＣＰＰ-ＧＭＲ素子を同様に作製し、各素子のＭＲ比を測定した。そして、各素子におよそ−３０００［Ｏｅ］〜３０００［Ｏｅ］の範囲で磁界を変化させて印加したときに、抵抗Ｒ（ＲAg）の変化を測定し、その抵抗変化からＭＲ比を算出した。その結果を図９（ａ）に示す。
【００９３】
比較として、Ｃｕスペーサの磁性多層膜（以下、Ｃｕスペーサの素子という）において、Ｃｕの膜厚は６［ｎｍ］のままにして、素子サイズＡ（ＡCu）が約０．００９〜０．０２４５［μｍ２］の数十種類のＣＰＰ-ＧＭＲ素子を同様に作製し、抵抗Ｒ（ＲCu）の変化を測定し、各素子のＭＲ比を測定した。その結果を図９（ｂ）に示す。
【００９４】
Ａｇスペーサの素子とＣｕスペーサの素子についての図９（ａ）および図９（ｂ）の全試料を比較する前に、全試料の中から一例として選択した、Ａｇスペーサの素子とＣｕスペーサの素子の概ね同程度の面積のサンプルのＭＲ特性について比較する。
【００９５】
選択したＡｇスペーサの素子の素子サイズＡAgは、１１８［ｎｍ］×１２７［ｎｍ］＝０．０１５０［μｍ2］である。Ｃｕスペーサの素子の素子サイズＡCuは、９４［ｎｍ］×１５２［ｎｍ］＝０．０１４３［μｍ2］である。また、選択したＡｇスペーサの素子において抵抗ＲAgの最小値は４．５５０８［Ω］であり、Ｃｕスペーサの素子において抵抗ＲCuの最小値は４．４９３７［Ω］であった。つまり、選択したＡｇスペーサの素子と、Ｃｕスペーサの素子とは、面積抵抗ＲＡ［Ωμｍ2］が、ほぼ同程度である。
【００９６】
このとき測定された抵抗変化を図１０（ａ）および図１０（ｂ）にそれぞれ示す。図１０（ａ）および図１０（ｂ）のグラフにおいて、横軸は磁界［Ｏｅ］を示し、縦軸は抵抗［Ω］を示す。なお、図１０（ａ）および図１０（ｂ）のグラフを比較し易いように、グラフの縦軸のスケールを揃えたので、横軸のスケールは異なっている。両グラフから一目瞭然のように、Ａｇスペーサの素子のＭＲ比は、Ｃｕスペーサの素子の場合の約２倍であった。
【００９７】
詳細には、図１０（ａ）に示すように、この選択したＡｇスペーサの素子の抵抗の最小値は、４．５５０８［Ω］であり、その抵抗の最大値は、４．５８０２［Ω］であった。Ａｇスペーサの素子のＭＲ比は、最小値に対する、これら最大値と最小値との差分の割合から求められ、０．１４２１［％］であった。
【００９８】
また、図１０（ｂ）に示すように、この選択したＣｕスペーサの素子の抵抗の最小値は、４．４９３７［Ω］であり、その抵抗の最大値は、４．４９７２［Ω］であった。よって、Ｃｕスペーサの素子のＭＲ比は、０．０７７４［％］であった。
【００９９】
前記したように、Ａｇスペーサの素子とＣｕスペーサの素子とは、面積抵抗ＲＡ［Ωμｍ2］がほぼ同程度であるため、素子の抵抗として、形状に起因するような特性の変化は無いはずであり、このようにＭＲ比が２倍に向上した理由は、材料に起因する。
【０１００】
次に、図９（ａ）および図９（ｂ）を参照して、Ａｇスペーサの素子とＣｕスペーサの素子についての全試料を比較する。図９（ａ）に示すように、Ａｇスペーサの数十種類の素子は、素子サイズＡ（ＡAg）が約０．０１５［μｍ２］のグループと、約０．０３［μｍ２］のグループと、約０．０３４［μｍ２］のグループと、約０．０４８［μｍ２］のグループに大別される。すべてのグループは、ＭＲ比が０．１〜０．１６［％］の範囲に含まれ、多くのＡｇスペーサの素子は、ＭＲ比が０．１３〜０．１４［％］の範囲に含まれている。
【０１０１】
一方、図９（ｂ）に示すように、Ｃｕスペーサの数十種類の素子は、素子サイズＡ（ＡCu）が約０．００９［μｍ２］のグループと、約０．０１４３［μｍ２］のグループと、約０．０２２［μｍ２］のグループと、約０．０２４５［μｍ２］のグループに大別される。すべてのグループは、ＭＲ比が０．０４〜０．１［％］の範囲に含まれ、多くのＣｕスペーサの素子は、ＭＲ比が０．０７〜０．０８［％］の範囲に含まれている。
【０１０２】
図９（ａ）および図９（ｂ）に示す結果から、Ａｇスペーサの素子の方が、ＭＲ比はおよそ２倍程度大きくなることが分かった。つまり、スペーサ材料を従来のＣｕからＡｇに変えた素子構造とすることで、カー回転角が増加するだけではなく、ＭＲ比が約２倍に増加することが分かった。
【０１０３】
このうち、スペーサ材料をＡｇに変えることでＭＲ比が約２倍に増加する現象が生じた原因は、ＡｇとＧｄＦｅとの界面が急峻になったことが原因の１つであると考えられる。図１０を参照して比較したように、Ａｇスペーサの素子とＣｕスペーサの素子とが面積抵抗ＲＡがほぼ同程度のときに、ＭＲ比が約２倍に増加していることから、スピン依存散乱が増加したことも原因の１つであると考えられる。
【０１０４】
＜５−６．Ａｇスペーサの素子のスピン注入磁化反転＞
次に、スペーサ材料を従来のＣｕからＡｇに変えた素子構造としたとしても、従来のＣｕスペーサの素子のようにスピン注入磁化反転ができることを確かめる実験を行った。このとき選択したＡｇスペーサの素子は、Ａｇの膜厚が６［ｎｍ］であり、素子サイズＡAgが、１１８［ｎｍ］×１２７［ｎｍ］＝０．０１５０［μｍ2］である。この素子に、外部から、およそ−２０００［Ｏｅ］〜２０００［Ｏｅ］の範囲で磁界を変化させて印加したときに、抵抗Ｒ（ＲAg）の変化を測定した。その結果を図１１（ａ）に示す。図１１（ａ）のグラフにおいて、横軸は磁界［Ｏｅ］を示し、縦軸は抵抗［Ω］を示す。
【０１０５】
また、図１１（ｂ）は、この素子に、パルス幅１０［μｓ］のパルス電流（スピン注入電流）を印加したときの、電流の大きさと、そのときの素子の抵抗値の関係を表したグラフである。図１１（ｂ）のグラフにおいて、横軸はスピン注入電流［ｍＡ］を示し、縦軸は抵抗［Ω］を示す。図１１（ａ）および図１１（ｂ）のグラフを比較し易いように、グラフの縦軸のスケールを揃えた。両グラフから一目瞭然のように、外部磁界を印加したことによる磁気抵抗変化と、スピン電流を注入したことによる磁気抵抗変化とは、ほぼ同じ抵抗変化となっている。つまり、Ａｇスペーサを用いたＣＰＰ-ＧＭＲ素子において、スピン注入によってフリー層の磁化方向が反転していることが分かる。つまり、スペーサ材料を従来のＣｕからＡｇに変えた素子構造としたとしても、従来のＣｕスペーサの素子のようにスピン注入磁化反転ができることを確かめることができた。このことから、Ａｇスペーサを用いた光変調素子にスピン注入することで、フリー層の磁化方向を反転させ、入射光を変調することができる。そして、この場合、Ａｇスペーサの素子は、Ｃｕスペーサの素子よりも、カー回転角が増大する。したがって、Ａｇスペーサを用いた光変調素子は、従来よりも光変調度を向上させることが可能である。
【０１０６】
［６．空間光変調器の動作例］
ここでは、空間光変調器の動作例を、６−１．明暗状態の割当、６−２．明暗の中間状態の割当、６−３．スピン注入時間反転動作の各節に分けて説明する。
【０１０７】
＜６−１．明暗状態の割当＞
次に、本実施形態の空間光変調器１の動作について、図１２を参照して説明する。ここでは、説明を簡単にするために、空間光変調器１は、１つの画素に１つの光変調素子１０を有し、また、１つの画素のみを備えているものとして説明する。図１２は、図２に示した光変調素子１０の動作を模式的に示す説明図であって、（ａ）は初期状態、（ｂ）は反転状態をそれぞれ示している。ただし、図１２では、空間光変調器１の動作の概念を分かり易く示すことを主眼としているため、光変調素子１０の保護層や下地層を図示していない。
【０１０８】
前提として、光変調素子１０の磁性膜１２は、磁化方向が所定方向（図では模式的に上方向の矢印で示す）に固定されている。また、磁性膜１４は、初期状態では、図１２（ａ）に示すように、例えば、磁化方向が磁性膜１２における向きと反対方向（図では模式的に下方向の矢印で示す）に予め揃えられている。
【０１０９】
レーザ光源２１から照射された光は、様々な偏光成分を含んでいるが、偏光フィルタ２２によって、ある方向の偏光成分だけを含むようにフィルタリングされる。このフィルタリングされた光は、上部電極５の孔部６に設けられた透明電極７を介して光変調素子１０の内部に入射し、この光変調素子１０によって所定方向に反射される。なお、この所定方向には、スクリーン２４が配置される。
【０１１０】
図１２（ａ）に示す初期状態では、例えば、電流源９ａは電流を流していない。あるいは、電流源９ａは、電流を下部電極３から、磁性膜１２，１４および非磁性膜１３を介して上部電極５（金属電極部および透明電極７）に向かう方向に流している。この初期状態では、反射光は、磁性膜１４の磁化方向（図では模式的に下方向の矢印で示す）に従って偏光面を変えることがない。つまり、反射光は入射光と同じ偏光成分を有しており、偏光フィルタ２３（偏光フィルタ２２と同特性）を透過して、スクリーン２４に到達して表示される。その結果、スクリーン２４には、明るい映像が表示されることとなる。
【０１１１】
一方、図１２（ｂ）に示す反転状態では、例えば、電流源９ａは電流を流している。あるいは、電流源９ａは、電流を上部電極５（金属電極部および透明電極７）から、磁性膜１２，１４および非磁性膜１３を介して下部電極３に向かう方向に流している。この電流によって、磁性膜１２から非磁性膜１３を介して磁性膜１４へ電子がスピンを保ったまま注入されるため、磁性膜１４の磁化方向は、磁性膜１２と同じ向き（図では模式的に上方向の矢印で示す）となるように回転（反転）する。この反転状態では、反射光は、磁性膜１４の磁化方向（図では模式的に上方向の矢印で示す）に従って磁気光学的カー効果により偏光面が回転する。つまり、反射光は入射光とは異なる偏光成分を有し、偏光フィルタ２３を透過しないので、スクリーン２４に到達できない。その結果、スクリーン２４は暗くなることとなる。
【０１１２】
＜６−２．明暗の中間状態の割当＞
以上の空間光変調器１の動作は、１つの光変調素子１０の動作として説明したが、１つの画素に２つの光変調素子１０を有する場合は、同様に明暗状態を割り当てることができると共に、隣り合う光変調素子同士で磁気的な影響を与え合うために、その中間状態（明るさが弱い状態）を実現することができる。これについて図４を参照して説明する。
【０１１３】
前提として、磁性多層膜４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの各磁性膜１２は、磁化方向が所定方向（図では模式的に上方向の矢印で示す）に固定されているとする。また、各磁性膜１４は、初期状態では、例えば、磁化方向が磁性膜１２における向きと反対方向に予め揃えられているものとする。つまり、初期状態では、１つの画素に対応した透明電極７ａの下の磁性多層膜４ａ，４ｂのように、２素子とも反平行（ＡＰ：anti parallel）であるものとする。このとき、反転状態では、図示は省略するが、各磁性膜１４は、例えば、磁化方向が磁性膜１２における向きと同じ方向、つまり、２素子とも平行（Ｐ：parallel）となる。
【０１１４】
一方、中間状態では、１つの画素に対応した透明電極７ｂの下の磁性多層膜４ｃ，４ｄのように、一方がＡＰ、他方がＰの状態で安定になることがある。電流の大きさを変化させて供給することで、画素内のすべての光変調素子を磁化反転させたり、一部の光変調素子のみ磁化反転させたりすることができる。
【０１１５】
＜６−３．スピン注入時間反転動作＞
空間光変調器１の光変調素子１０における磁性膜１４の反転動作は、例えば、図１に示すように、上部電極５に孔部６を設けて当該孔部６に透明電極７を充填することにより実現できる。空間光変調器１では、上部電極全体を透明電極材料で形成した場合と比べて、光変調素子においてカー効果による磁化方向の反転（回転）が起こり易くなる。つまり、光変調の高速応答が可能となる。
【０１１６】
このように孔部６に透明電極７を配置するのは、電極の電気抵抗を下げることで、所要電圧を下げ、また高周波（短パルス）での駆動をやり易くする効果が顕著であるからである。また、上部電極５の孔部６以外の金属電極部は、透明電極７と比較して比抵抗が非常に小さいので、上部電極５と下部電極３とが対向する領域に配置された各画素に電流が行き渡り易くなる。このような構成によれば、仮に、上部電極５の全体が透明電極７で形成された場合と比較すると、例えば、９桁ほど大きな電流密度の電流を流すことができるので、光変調素子１０に対してスピン注入することが可能となる。その結果、空間光変調器１は、スピン注入によって光変調素子を磁化反転させる構造とすることによって、画素サイズが微細化されると共に、光変調の高速応答が可能となる。
【０１１７】
以上説明したように、本実施形態によれば、光変調素子１０は、スペーサ材料を従来のＣｕからＡｇに変えた素子構造にしたことで、磁気光学効果としてカー回転角を増大させることができる。その結果、変調度を改善できる。さらに、光変調素子１０は、ＭＲ比が従来に比べて約２倍に増加するので、磁化反転層が磁化反転し易くなる。
【０１１８】
また、本実施形態によれば、空間光変調器１は、Ａｇスペーサの素子をマトリクス状に配置したので、変調度を高めることができる。また、空間光変調器１は、上部電極５の一部に透明電極７を充填したので、画素サイズが微細化されると共に、光変調の高速応答が可能となる。また、空間光変調器１は、１画素内に、Ａｇスペーサの素子を複数設けたので、Ａｇスペーサの素子の磁化状態を、明暗およびその中間状態に割り当てることで、階調表示を実現できる。さらに、空間光変調器１は、選択された光変調素子に対して、スピン分極された電子を注入するので、光変調素子の状態変化に要する時間を短縮することができる。
【０１１９】
以上、本実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、光変調素子を構成する磁性多層膜の磁性膜１２を２層構造としたが、１層でもよいし、３層以上でもよい。例えば、ピンド層が１層の場合には、ＴｂＦｅＣｏ膜だけを用いてもよい。また、ピンド層が２層の場合には、その組み合わせは、ＴｂＦｅＣｏ膜とＣｏＦｅ膜とに限定されるものではない。
【０１２０】
また、光変調素子を構成する磁性多層膜の磁性膜１４をＧｄＦｅとしたが、材料はこれに限定されず、例えば、ＭｎＢｉでもよい。
また、例えば、磁性膜１２，１４は、それぞれ多層構造を有するものでもよい。例えば、Ｃｏからなる層と、Ｐｔからなる層とを交互に５層ずつ積層した構成の多層構造、または、Ｃｏからなる層と、Ｐｄからなる層とを交互に５層ずつ積層した構成の多層構造などでもよい。
また、図面に示した構成要素等の厚みや長さは、配置を明確に説明するために誇張して示してあるので、これに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
本発明は、ホログラフィー等の画像露光装置、ディスプレイ技術や記録技術、光コンピューティングに関連した技術分野に好適に適用されうる。
【符号の説明】
【０１２２】
１      空間光変調器
２      基板
３（３ａ，３ｂ）  下部電極
４      磁性多層膜
４０    磁性多層膜
４１    磁性多層膜
１４０  磁性多層膜
５（５ａ〜５ｄ）  上部電極
６（６ａ，６ｂ）  孔部
７（７ａ，７ｂ）  透明電極
８      絶縁部材
９      画素選択機構
９ａ    電流源
１０    光変調素子
１１    下地層
１２    磁性膜（ピンド層）
１３    非磁性膜（スペーサ層）
１４    磁性膜（フリー層）
１５    保護層（キャップ層）
ＷB      下部電極の幅
ＷT      上部電極の幅
ＬH      孔部の長さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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