(57)【要約】【課題】磁気光学効果が高く、垂直磁気異方性を有するが、保磁力の小さいＧｄ−Ｆｅ合金の保磁力を大きくして、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、ＭｇＯからなる障壁層２、ＧｄＦｅ層１１を備える磁化自由層１を順に積層してなり、磁化自由層１のＧｄＦｅ層１１は、ＭｇＯからなる障壁層２の上に成膜されることにより保磁力が大きくなる。【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、
前記磁化固定層および前記磁化自由層の少なくとも一方は、Ｇｄ−Ｆｅからなる層を備え、前記Ｇｄ−Ｆｅからなる層がＭｇＯ膜に積層されてい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ＭｇＯ膜を前記中間層とす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】
前記中間層の上に設けられた前記磁化固定層または前記磁化自由層はさらに、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備え、前記磁性金属膜と前記Ｇｄ−Ｆｅからなる層との間にＧｄ膜を備えることを特徴とする請求項２に記載のスピン注入磁化反転素子。
【請求項４】
前記磁化自由層が前記Ｇｄ−Ｆｅからなる層を備え、
前記磁化自由層上に、面内方向に互いに分離した２以上の前記磁化固定層がそれぞれ前記中間層を挟んで設けられてい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。
【請求項５】
前記中間層の下に設けられた前記磁化固定層または前記磁化自由層が、前記Ｇｄ−Ｆｅからなる層を備え、
前記Ｇｄ−Ｆｅからなる層の側面が、一対の電極の一方に接続され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６】
前記磁化固定層および前記磁化自由層は、Ｇｄ−Ｆｅからなる層を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のスピン注入磁化反転素子。
【請求項７】
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６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、磁性膜同士の磁化方向が同じである状態と異なる方向の状態とで上下に接続した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。そのため、スピン注入磁化反転素子、ならびに大容量磁気メモリとしてこれを用いたＭＲＡＭ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、膜面に垂直な磁化方向を示す（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。このような磁性材料で形成された、すなわち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】
磁気抵抗効果素子用には、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子よりも磁気抵抗比（ＭＲ比）の高いＴＭＲ素子が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膜を挟んだ構造を有する。ＴＭＲ素子の障壁層の材料には、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）が好適とされる。特に、ＴＭＲ素子は、２つの磁性膜の少なくとも一方が、ＭｇＯからなる障壁層との界面にＣｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂ等の磁性金属の薄膜を備えることで、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１〜５参照）。
【０００５】
また、スピン注入磁化反転素子の別の用途に、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。光変調素子用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、従来の液晶に代わる材料として、ＭＲＡＭと同様に高精細化および高速化のために、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。また、いっそう反転電流を低減するために、磁化自由層の両面のそれぞれに中間層や障壁層を挟んで磁化固定層を２つ備えたデュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子を備える磁気抵抗効果素子や光変調素子（特許文献４，５参照）、さらに、前記２つの磁化固定層を共に磁化自由層の一面側に設けることにより、光の入出射側に電極を接続しない並設デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子が開発されている（特許文献６，７参照）。
【０００６】
光変調素子に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、垂直磁気異方性を有する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６、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、光変調素子用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】
【０００７】
【特許文献１】特許第４８２９８５０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
【特許文献４】特許第３８２４６００号公報
【特許文献５】特許第４９３９５０２号公報
【特許文献６】特開２０１２−７８５７９号公報
【特許文献７】特開２０１３−１９５５９３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】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２】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３】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”, Journal of Applied Physics, vol.103, 07A710 (2008)
【非特許文献４】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５】D. D. Djayaprawira, et. al, “230% room-temperature magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions”, Appl. Phys. Lett. 86, 092502 (2005)
【非特許文献６】K. Aoshima et. al, “Spin transfer switching in current-perpendicular-to-plane spin valve observed by magneto-optical Kerr effect using visible light”, Applied Physics Letters, vol.91, 052507 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
スピン注入磁化反転素子は、保磁力が大小２種類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。さらに、デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子（特許文献４〜７参照）は、２つの磁化固定層が互いに逆向きの磁化方向に固定されるために、保磁力の大きさが異なる磁性膜を適用する等、材料の種類がさらに多くなる。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。
【００１０】
しかし、光変調素子に好適な磁性材料であるＧｄ−Ｆｅ合金は、保磁力が小さく、また垂直磁気異方性が比較的弱く、組成を調整することである程度保磁力を大きくしてスピン注入磁化反転素子の磁化自由層に適用することはできる（特許文献３参照）。それでも、特に微細化されたスピン注入磁化反転素子に適用するには、保磁力が十分であるとはいえず、さらに補償組成に近付けると、安定した磁気特性のＧｄ−Ｆｅ合金膜を得ることが困難になる。また、スピン注入磁化反転素子の磁化固定層は、磁化自由層に対して保磁力が十分に大きくないと磁化反転動作が安定しない。したがって、従来の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。
【００１１】
本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、Ｇｄ−Ｆｅ合金を適用して、安定した垂直磁気異方性のスピン注入磁化反転素子を提供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合金のような遷移金属と希土類金属との合金は、成膜環境により磁気特性が変化する場合がある。このことから、本願発明者らは鋭意研究の結果、ＭｇＯ膜上にＧｄ−Ｆｅ合金膜を成膜した場合に、このＧｄ−Ｆｅ合金膜の保磁力が大きくなることを見出した。
【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、前記磁化固定層および前記磁化自由層の少なくとも一方がＧｄ−Ｆｅからなる層を備え、前記Ｇｄ−Ｆｅからなる層がＭｇＯ膜に積層されていることを特徴とする。
【００１４】
かかる構成により、電極材料等の導電体上に形成された場合には保磁力が小さく、垂直磁気異方性が弱いＧｄ−Ｆｅ合金を適用しても、十分な保磁力で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。
【発明の効果】
【００１５】
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】
【００１６】
【図１】本発明の第１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る。
【図２】図１に示す光変調素子の製造方法を説明する模式図であり、（ａ）〜（ｄ）は光変調素子を配列した空間光変調器の部分拡大図に相当する。
【図３】本発明の第１実施形態に係る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図である。
【図４】本発明の第１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光変調素子の構成を示す断面図である。
【図５】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模式図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は底面図である。
【図６】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光変調素子の構成を示す断面図である。
【図７】図６に示す光変調素子の製造方法を説明する模式図であり、（ａ）〜（ｄ）は光変調素子を配列した空間光変調器の部分拡大図に相当する。
【図８】本発明の第３実施形態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９】図８に示す磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する模式図であり、（ａ）〜（ｄ）は磁気抵抗効果素子を配列した磁気ランダムアクセスメモリの部分拡大図に相当する。
【図１０】図８に示す磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する模式図であり、（ａ）〜（ｃ）は磁気抵抗効果素子を配列した磁気ランダムアクセスメモリの部分拡大図に相当する。
【図１１】本発明の第４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る。
【図１２】（ａ）、（ｂ）は、本発明の第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子のスピン注入磁化反転動作を説明する模式図である。
【図１３】本発明の第５実施形態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１４】中間層にＭｇＯ膜を有し、その上にＧｄ−Ｆｅからなる層を備える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ＭｇＯ膜厚１．５ｎｍ、（ｂ）はＭｇＯ膜厚２．０ｎｍ、（ｃ）はＭｇＯ膜厚５．０ｎｍ、（ｄ）はＭｇＯ膜厚１０ｎｍである。
【図１５】中間層に厚さ１．５ｎｍのＭｇＯ膜を有し、その上下それぞれにＧｄ−Ｆｅからなる層を備える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る。
【図１６】熱酸化Ｓｉ基板にＧｄ−Ｆｅからなる層を成膜したサンプルの、カー回転角の磁場依存性で表した磁化曲線である。
【図１７】熱酸化Ｓｉ基板にＧｄ−Ｆｅからなる層を成膜したサンプルの、カー回転角の磁場依存性で表した磁化曲線であり、（ａ）は厚さ５ｎｍのＭｇＯ膜、（ｂ）は厚さ３ｎｍのＲｕ膜を、Ｇｄ−Ｆｅからなる層の下地に備えたサンプルである。
【図１８】Ｇｄ−Ｆｅからなる層の保磁力のＭｇＯ膜厚依存性のグラフであり、（ａ）はＧｄ：２０ａｔ％、Ｆｅ：８０ａｔ％、（ｂ）はＧｄ：２５ａｔ％、Ｆｅ：７５ａｔ％の組成である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
〔第１実施形態〕
本発明の第１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る。このような光変調素子は、上方から入射した光を反射させて異なる２値の光（偏光成分）に変調し、上方へ出射する。以下、本発明の第１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。
【００１９】
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に示すように、磁化固定層３、障壁層（中間層）２、磁化自由層１の順に積層された構成であり、一対の電極である上部電極７と下部電極６（以下、適宜まとめて、電極６，７）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、磁化方向が一方向に固定された磁化固定層３および磁化方向が回転可能な磁化自由層１を、ＭｇＯからなる障壁層２（ＭｇＯ膜）を挟んで積層してなるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子である。さらにスピン注入磁化反転素子５は、最上層にすなわち磁化自由層１の上に保護膜４３を備え、また、必要に応じて最下層にすなわち磁化固定層３の下に下地金属膜４１を備える。詳しくは後記製造方法にて説明するように、スピン注入磁化反転素子５を構成するこれらの各層は、例えばスパッタリング法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の公知の方法で、連続的に成膜されて積層される。
【００２０】
光変調素子１０は、空間光変調器の画素とするために、基板９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６，７の一方を行方向に、他方を列方向に、それぞれ延設する。図１においては、下部電極６が手前−奥方向（紙面垂直方向）に、上部電極７が左右方向に、それぞれ延設された帯状に形成され、複数の光変調素子１０に共有される。そのため、光変調素子１０を配列した空間光変調器においては、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６，７間、下部電極６，６間および上部電極７，７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。
【００２１】
本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５は、磁化自由層１および磁化固定層３が、障壁層２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。また、磁化自由層１が、ＧｄＦｅ層（Ｇｄ−Ｆｅからなる層）１１を主たる要素として備えると共に、ＧｄＦｅ層１１とＣｏＦｅ膜１３の間に、Ｇｄ膜１２を備える。一方、磁化固定層３が、主たる要素として磁性層３０を備える。すなわち、スピン注入磁化反転素子５は、下から、下地金属膜４１、磁性層３０、ＣｏＦｅ膜３３、障壁層２、ＣｏＦｅ膜１３、Ｇｄ膜１２、ＧｄＦｅ層１１、保護膜４３、を順に積層してなる。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。
【００２２】
（磁化自由層）
磁化自由層１は光変調素子１０における光変調層であり、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５において障壁層２の上に設けられ、前記した通り、障壁層２の側、すなわち下から、ＣｏＦｅ膜１３／Ｇｄ膜１２／ＧｄＦｅ層１１の３層構造を有する。
【００２３】
ＧｄＦｅ層１１は、磁化自由層１の主たる要素であり、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。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有するのに対し、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有する。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材料に適用される場合には、例えばＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金は、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が多い組成にして、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を有するようにして、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、一般的に、Ｆｅの含有率が高い組成にして、全体として＋ｚ方向の磁気モーメントを有するようにして磁性材料に適用される。具体的には、Ｇｄ−Ｆｅ合金は、Ｇｄ：１９〜２７ａｔ％（Ｆｅ：７３〜８１ａｔ％）の範囲の組成であることが好ましく、この範囲よりもＦｅが不足するとフェリ磁性体として機能しない（特許文献３参照）。所望の組成のＧｄ−Ｆｅ合金を得るために、ＧｄＦｅ層１１は、前記組成に対応したスパッタ源（ターゲット）を使用したり、所望の組成よりもＧｄの多いＧｄ−Ｆｅ合金のスパッタ源とＦｅスパッタ源とをそれぞれの出力を調整して、同時にスパッタリングすることで成膜される。
【００２４】
Ｇｄ−Ｆｅ合金は、前記した通り、垂直磁気異方性および高い磁気光学効果を有しているので、光変調素子の光変調層（磁化自由層）に好適である。しかし一方で、スピン注入磁化反転素子の磁化自由層としての必要な保磁力を有しているものの、特に微細化したスピン注入磁化反転素子において、磁化方向を安定して保持するためには保磁力がさらに大きいことが好ましい。そこで、本実施形態に係るＴＭＲ素子５は、磁化自由層１が障壁層２の上に設けられ、すなわちＧｄＦｅ層１１がＭｇＯ膜の上に設けられる。このように、Ｇｄ−Ｆｅ合金は、ＭｇＯ膜上に成膜されることにより保磁力が大きくなる。ＧｄＦｅ層１１は、厚いほど磁気光学効果が高くなるが、一方で厚くなると障壁層２（ＭｇＯ膜）から離れた上層部分でＭｇＯ膜による保磁力を増大させる効果が低下して、さらに過剰に厚膜化されると垂直磁気異方性を示し難くなるため、一般的なＴＭＲ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、１０ｎｍ以下がより好ましい。
【００２５】
また、Ｇｄ−Ｆｅ合金は、スピン偏極率が低いため、ＴＭＲ素子の磁性層に適用されても、当該ＴＭＲ素子が本来の高いＭＲ比を実現できず、また、反転電流が低減されない。ＴＭＲ素子は、ＭＲ比を向上させるために、磁化自由層や磁化固定層が、ＭｇＯからなる障壁層との界面に、Ｃｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる磁性金属膜を備えることが好ましい（非特許文献１〜５参照）。ところが、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に、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。そこで、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５は、磁化自由層１が、Ｃｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる磁性金属膜１３（まとめてＣｏＦｅ膜１３と称する）を備える場合には、ＧｄＦｅ層１１との間にＧｄ膜１２をさらに備える。このような構成により、Ｇｄ膜１２がＣｏＦｅ膜１３によるＦｅの影響を相殺し、ＧｄＦｅ層１１（磁化自由層１）が垂直磁気異方性を示すようになる。
【００２６】
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１と障壁層２の界面でのスピン偏極率を高くして、障壁層２を介して磁化自由層１（ＧｄＦｅ層１１）に注入されるスピンによるスピントルクが増大する。これにより、磁化自由層１の多くを占めるＧｄＦｅ層１１のスピン偏極率が低くても、ＴＭＲ素子５は、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。このような効果を十分に得るために、ＣｏＦｅ膜１３は、厚さを０．１ｎｍ以上とすることが好ましい。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、垂直磁気異方性を示す磁性体（ＧｄＦｅ層１１）に、影響を与えないようにＧｄ膜１２を介して積層されることで、この磁性体と一体に垂直磁気異方性を示す。Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂは一般的には厚さを２ｎｍ以下とするが（例えば、後記の磁化固定層３のＣｏＦｅ膜３３）、Ｇｄ−Ｆｅ合金は保磁力および垂直磁気異方性が小さいため、ＣｏＦｅ膜１３の厚さが０．３ｎｍを超えると、磁化自由層１（ＧｄＦｅ層１１）が面内磁気異方性を示すようになる場合がある。したがって、ＣｏＦｅ膜１３は、厚さを０．３ｎｍ以下とすることが好ましく、これにより、磁化自由層１は、ＣｏＦｅ膜１３がＧｄＦｅ層１１と一体になって垂直磁気異方性を示す。
【００２７】
Ｇｄ膜１２は、ＣｏＦｅ膜１３とＧｄＦｅ層１１の間に設けられ、ＣｏＦｅ膜１３（Ｆｅ）のＧｄＦｅ層１１への影響を相殺して、ＧｄＦｅ層１１が本来の垂直磁気異方性を示すように作用する。Ｇｄ膜１２は、ＧｄＦｅ層１１やＣｏＦｅ膜１３の厚さに応じて、ＧｄＦｅ層１１が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、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１は、ＣｏＦｅ膜１３との界面でＧｄ−ｒｉｃｈとなるＧｄ−Ｆｅ合金の層を備える。
【００２８】
（障壁層）
本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５において、障壁層２はＭｇＯで形成される。障壁層２がＭｇＯで形成されることにより、スピン注入磁化反転素子５は反転電流が低減されたＴＭＲ素子になると同時に、障壁層２の上に成膜される磁化自由層１（ＧｄＦｅ層１１）の保磁力が大きくなって、磁化反転動作が安定する。障壁層２は、一般的なＴＭＲ素子と同様に、厚さを０．１〜２ｎｍの範囲とすることが好ましく、厚くなるにしたがい、上に設けたＧｄＦｅ層１１の保磁力が大きくなる傾向があり、効果を十分なものにするために、厚さを１ｎｍ以上とすることがより好ましく、１．５ｎｍ超とすることがさらに好ましい。また、障壁層２は、特に（００１）面配向のＭｇＯとすることが好ましい。ＭｇＯのこのような結晶構造により、スピン注入磁化反転素子５において電子が散乱せずに注入されて、コヒーレントなトンネル電流が流れることにより、スピン注入磁化反転素子５の反転電流をいっそう低減させることができる。特に本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５においては、ＧｄＦｅ層１１の保磁力を大きくするために障壁層２が比較的厚いことが好ましく、その結果、反転電流が大きくなるので、障壁層２をこのような結晶構造のＭｇＯに形成することが好ましい。そのために、一例として、下地となる磁化固定層３（磁性層３０）を非晶質構造とし、さらに障壁層２との界面にＣｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂ（ＣｏＦｅ膜３３）を設けることが挙げられる。
【００２９】
（磁化固定層）
前記した通り、磁化固定層３は、下すなわち下部電極６の側から、磁性層３０／ＣｏＦｅ膜３３の２層構造を有する。スピン注入磁化反転素子５が安定した磁化反転動作をするために、磁化固定層３は、保磁力が磁化自由層１（ＧｄＦｅ層１１）に対して十分に大きく、具体的には０．５ｋＯｅ以上の差となることが好ましい。
【００３０】
磁性層３０は垂直磁気異方性を有するＴＭＲ素子の磁化固定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）、Ｌ１0系の規則合金としたＦｅＰｔ, ＦｅＰｄ等が挙げられる。さらに、磁性層３０は、前記した通り十分な大きさの保磁力になるように、磁化自由層１に応じて、厚さを３〜５０ｎｍの範囲で設定されることが好ましい。また、磁性層３０は、障壁層２として磁化固定層３の上に形成されるＭｇＯを（００１）面配向とすることを妨げないように、非晶質であることが好ましいため、ＲＥ−ＴＭ合金が好適で、保磁力の大きいＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏが特に好ましい。
【００３１】
ＣｏＦｅ膜３３は、磁化自由層１におけるＣｏＦｅ膜１３と同様に、磁化固定層３と障壁層２の界面でのスピン偏極率を高くするので、磁化自由層１だけでなく磁化固定層３にも設けられることで、障壁層２を介して磁化自由層１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５の反転電流がいっそう低減される。ＣｏＦｅ膜３３は、その効果を十分に得るために、かつ、磁化固定層３全体を垂直磁気異方性にするために、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２）が（００１）面配向の結晶構造になり易い。
【００３２】
（下地金属膜）
下地金属膜４１は、スピン注入磁化反転素子５の最下層すなわち磁化固定層３の下に、下部電極６への密着性を付与するために設けられる。下地金属膜４１は、非磁性金属材料の中で、Ｒｕ，Ｔａを適用することが好ましく、これらの金属膜であれば、磁化固定層３に非晶質の磁性層３０を備えてその上に設けられる障壁層２とするＭｇＯについて、（００１）面配向とすることを妨げない。下地金属膜４１は、厚さが１ｎｍ未満であると連続した（ピンホールのない）膜を形成し難く密着性を付与する効果が十分に得られ難く、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、厚さを１〜１０ｎｍとすることが好ましい。
【００３３】
（保護膜）
保護膜４３は、最上層すなわち磁化自由層１の上に、当該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のＧｄＦｅ層１１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、例えばレジストパターン形成時の現像液の含浸等が挙げられ、特に酸化し易いＲＥ−ＴＭ合金であるＧｄＦｅ層１１を外部環境に曝さないように、保護膜４３が設けられる。保護膜４３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４３は、下地金属膜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）膜を形成し難いので、ＧｄＦｅ層１１等を保護する効果が十分に得られ難く、一方、１０ｎｍを超えて厚くしても、前記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４３は、厚さを１〜１０ｎｍとすることが好ましい。
【００３４】
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。
【００３５】
（下部電極）
下部電極６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。このような金属電極材料は、スパッタリング法等の公知の方法により成膜され、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。
【００３６】
（上部電極）
上部電極７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。これらの透明電極材料は、塗布法でも成膜されるが、後記するように下地に金属膜を設けて連続して成膜されることが好ましいため、連続的に成膜が可能なスパッタリング法や真空蒸着法等を適用することが好ましく、フォトリソグラフィおよびエッチング等でストライプ状等の所望の形状に一括に加工される。特に、上部電極７は、ＧｄＦｅ層１１を含むスピン注入磁化反転素子５の上に形成されるため、無加熱（室温等）成膜で比較的良好な導電性が得られるＩＺＯを適用することが好ましい。
【００３７】
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。すなわち上部電極７は、下に金属膜７４を設けて、その上に透明電極材料からなる層（透明電極層）７３を積層した構造とすることが好ましい。スピン注入磁化反転素子５との間に金属膜７４を介在させることで、金属電極材料よりも抵抗が大きい透明電極材料を主体として構成される上部電極７においても、上部電極７−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。
【００３８】
透明電極層７３とスピン注入磁化反転素子５を介在する金属膜７４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る。そして、金属膜７４は、その上の透明電極層７３との密着性をよくして接触抵抗をさらに低減するために、前記した通り、スパッタリング法等で、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７４の厚さは、保護膜４３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。
【００３９】
（絶縁層）
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６，７間（層間）、下部電極６，６間および上部電極７，７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、Ｏ（酸素）を浸入させ易いＳｉＯ2等の酸化物よりも、Ｓｉ窒化物やＭｇＦ2等のＯを含有しない非酸化物、あるいはＯを放出し難いＭｇＯ等を適用することが好ましい。
【００４０】
（基板）
基板９は、光変調素子１０を配列するための土台であり、公知の基板材料が適用でき、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。
【００４１】
（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、図２を参照して説明する。光変調素子１０は、前記したように、基板９上に２次元配列された空間光変調器として製造される。一般的に、スピン注入磁化反転素子は、磁性膜等の各材料を成膜、積層して、イオンミリング法等のエッチング異方性の高いエッチングで加工されて製造されることが多いが、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５は、耐熱性に劣るＧｄ−Ｆｅからなる層（ＧｄＦｅ層１１）を備えることから、以下の方法で製造されることが好ましい。
【００４２】
まず、図２（ａ）に示すように、下部電極６および下部電極６，６間を埋める絶縁層８を形成する。基板９の表面に、ＳｉＯ2等の絶縁膜を下部電極６の厚さに合わせて成膜する。この絶縁膜の上に、下部電極６を形成する領域を空けたレジストパターンを形成し、絶縁膜をエッチングして基板９を露出させる。この上から金属電極材料を成膜して、絶縁膜（絶縁層８）のエッチング跡に埋め込んで下部電極６を形成し、レジストパターンを除去する（リフトオフ）。
【００４３】
次に、スピン注入磁化反転素子５を形成する。下部電極６および絶縁層８の上に、Ｓｉ窒化物等の非酸化物の絶縁膜（図中、加工後における絶縁層８と同じ符号（８）で表す。第２実施形態以降も同様。）を、スピン注入磁化反転素子５（下地金属膜４１〜保護膜４３）の厚さに合わせて成膜する。この絶縁膜の上に、スピン注入磁化反転素子５を形成する領域を空けたレジストパターンＰＲを形成し（図２（ｂ））、絶縁膜をエッチングして下部電極６を露出させる（図２（ｃ））。このとき、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のような加工ダメージの比較的少ない方法を適用し、Ｒｕ等の金属材料（下部電極６の表面における材料）に対して絶縁膜（Ｓｉ窒化物）のエッチング選択性の高い条件でエッチングすることが好ましい。このような方法により、図２（ｃ）に示すようにエッチングで形成される絶縁層８の側壁の立ち上がりに丸みが残らないようにオーバーエッチングを施しても、エッチング面（下部電極６の表面）が粗くならず、下部電極６上に形成されるスピン注入磁化反転素子５の各層の特性が劣化しない。この上から、下地金属膜４１、磁性層３０、ＣｏＦｅ膜３３、障壁層２、ＣｏＦｅ膜１３、Ｇｄ膜１２、ＧｄＦｅ層１１、保護膜４３の各材料を連続して成膜して、絶縁層８に形成された孔に埋め込んでスピン注入磁化反転素子５を形成し、レジストパターンＰＲをその上の材料ごと除去する（リフトオフ、図２（ｄ））。
【００４４】
次に、上部電極７を形成する。スピン注入磁化反転素子５（保護膜４３）および絶縁層８の上に、上部電極７を形成する領域を空けたレジストパターンを形成し、この上から金属膜、透明電極材料を連続して成膜して、レジストパターンを除去し（リフトオフ）、下部電極６と直交するストライプ状の上部電極７とする。そして、上部電極７，７間にＳｉＯ2等の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。
【００４５】
このように、スピン注入磁化反転素子５を構成する材料に対してエッチングによる加工を行わずに成形することで、特にＧｄＦｅ層１１へのダメージが抑えられ、また、図２（ｄ）に示すように、ＧｄＦｅ層１１等が成膜と同時に側面（端面）を絶縁層８で封止されるので、特性の劣化を防止することができる。さらに、スピン注入磁化反転素子５の後に形成される上部電極７についても、透明電極材料等のエッチングではなく、リフトオフ法で形成することで、ＧｄＦｅ層１１等のスピン注入磁化反転素子５の各層へのダメージを避けることができる。
【００４６】
なお、下部電極６を、基板９上に絶縁膜（絶縁層８）を成膜する前に形成することもできる。具体的には、まず、基板９の表面に、下部電極６を形成する領域を空けたレジストパターンを形成し、この上から金属電極材料を成膜して、レジストパターンを除去し（リフトオフ）、下部電極６が形成される。この上から、Ｓｉ窒化物等の絶縁膜（絶縁層８）を堆積させて、下部電極６，６間を埋め、さらにスピン注入磁化反転素子５の厚さ以上に形成する。そして、この絶縁膜の表面を、化学的機械研磨（ＣＭＰ）等で研削、研磨して、下部電極６上の絶縁膜の厚さをスピン注入磁化反転素子５の厚さに調整する。その後は、絶縁膜の上に、レジストパターンＰＲを形成し（図２（ｂ））、前記と同様に、スピン注入磁化反転素子５、上部電極７を形成する。
【００４７】
（空間光変調器の初期設定）
空間光変調器におけるすべての画素の光変調素子１０のスピン注入磁化反転素子５は、磁化固定層３の磁化方向が同じ向きに固定されている必要がある。磁化固定層３は電極６，７を介した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３参照）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（磁性層３０／ＣｏＦｅ膜３３）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。
【００４８】
（磁化反転動作）
スピン注入磁化反転素子５の磁化反転動作を、図３（ａ）、（ｂ）を参照して、光変調素子１０にて説明する。なお、図３において、下地金属膜４１および保護膜４３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が逆向き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３（ａ）に示すように、上部電極７を「＋」、下部電極６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、磁化方向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の磁化方向と向きの異なる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、磁化方向が上向きに反転する。反対に、図３（ｂ）に示すように、上部電極７を「−」、下部電極６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の磁化方向は下向きに反転する。
【００４９】
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７，６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の磁化方向が平行、反平行のいずれかを示していれば、その磁化方向を反転させる大きさの電流（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方向が保持される。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。
【００５０】
（光変調動作）
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３（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７を透過してスピン注入磁化反転素子５に到達し、スピン注入磁化反転素子５や下部電極６で反射して、再び上部電極７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３（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６，７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。
【００５１】
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（電流源）と、それぞれ並設された下部電極６および上部電極７から選択的に、特定のスピン注入磁化反転素子５に接続する電極６，７を前記電流源に接続するスイッチを備える（図示省略）。空間光変調器（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、別の偏光子により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、他方に旋光した光が透過して取り出される（図示省略）。
【００５２】
図３（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）にハーフミラーが配置され、出射光のみを側方へ反射させて、反射させた先に出射光用の偏光子が配置される。
【００５３】
第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５を備える光変調素子１０は、基板９をガラス等の透明基板に、また、下部電極６を上部電極７と同様に透明電極材料で形成して、透過型の空間光変調器の光変調素子に適用することもできる（図示せず）。これら光を透過する基板および下部電極については、後記第１実施形態の変形例（図４参照）にて説明する。
【００５４】
以上のように、本発明の第１実施形態に係る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、光変調度が大きく、コントラストのよい空間光変調器を構成することができ、さらに磁化自由層の保磁力が大きく、安定した動作とすることができる。
【００５５】
〔第１実施形態の変形例〕
第１実施形態においては、ＭｇＯ膜からなる障壁層の上に設けたＧｄ−Ｆｅ合金を磁化自由層に適用したが、Ｇｄ−Ｆｅ合金の組成により、さらに保磁力を大きくして磁化固定層に適用することもできる。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、およびこれを備えた光変調素子について説明する。第１実施形態（図１〜３参照）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。
【００５６】
図４に示すように、本発明の第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、磁化自由層１Ａ、障壁層（中間層）２、磁化固定層３Ａ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７Ａと下部電極６Ａ（以下、適宜まとめて、電極６Ａ，７Ａ）に上下で接続されて、光変調素子１０Ａを構成する。光変調素子１０Ａは、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５を備える光変調素子１０（図１参照）の、積層順を逆にした構造であり、反射型の空間光変調器の画素として透明な基板９Ａ上に２次元配列されて、下方から入射した光を反射させて下方へ出射する。
【００５７】
本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ａは、磁化自由層１Ａ、磁化固定層３Ａがそれぞれ、ＧｄＦｅ層（Ｇｄ−Ｆｅからなる層）１１，３１を主たる要素として備える。磁化自由層１Ａおよび磁化固定層３Ａはさらに、障壁層２との界面にＣｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる磁性金属膜１３，３３Ａ（まとめてＣｏＦｅ膜１３，３３Ａと称する）を備えると共に、ＧｄＦｅ層１１とＣｏＦｅ膜１３の間、ＧｄＦｅ層３１とＣｏＦｅ膜３３Ａの間に、Ｇｄ膜１２，３２を備える。さらにスピン注入磁化反転素子５Ａは、最上層に保護膜４３Ａを備え、また、必要に応じて最下層に下地金属膜４１Ａを備える。すなわち、スピン注入磁化反転素子５Ａは、下から、下地金属膜４１Ａ、ＧｄＦｅ層１１、Ｇｄ膜１２、ＣｏＦｅ膜１３、障壁層２、ＣｏＦｅ膜３３Ａ、Ｇｄ膜３２、ＧｄＦｅ層３１、保護膜４３Ａ、を順に積層してなる。以下、スピン注入磁化反転素子５Ａを構成する要素について詳しく説明する。
【００５８】
（磁化自由層）
磁化自由層１Ａは、スピン注入磁化反転素子５Ａにおいて障壁層２の下に設けられ、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５の磁化自由層１と同様に、障壁層２の側（障壁層２との界面）にＣｏＦｅ膜１３を備える。すなわち磁化自由層１Ａは、下から、ＧｄＦｅ層１１／Ｇｄ膜１２／ＣｏＦｅ膜１３の３層構造を有する。ＧｄＦｅ層１１、Ｇｄ膜１２、ＣｏＦｅ膜１３の各層の構成は、第１実施形態にて説明した通りである。ただし、本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ａにおいては、磁化自由層１Ａ（ＧｄＦｅ層１１）は、障壁層２すなわちＭｇＯ膜の上に設けられず、下地金属膜４１Ａ、または後記するように下部電極６Ａの金属膜６４の上に設けられているため、保磁力が増大せず、組成や厚さで調整される。
【００５９】
（障壁層）
障壁層２は、第１実施形態と同様の構成であり、特に本変形例においては、この上に成膜される磁化固定層３Ａ（ＧｄＦｅ層３１）の保磁力を十分に大きくするために、厚さを０．１〜２ｎｍの範囲において、反転電流が過大にならない程度により厚くすることが好ましい。また、障壁層２は、下地となる磁化自由層１Ａに、非晶質構造であるＲＥ−ＴＭ合金の一種のＧｄＦｅ層１１が適用され、さらに当該障壁層２との界面にＣｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂ（ＣｏＦｅ膜１３）が設けられることにより、（００１）面配向のＭｇＯになり易い。ＭｇＯのこのような結晶構造により、障壁層２が比較的厚く形成されていても、反転電流の増大が抑えられる。
【００６０】
（磁化固定層）
磁化固定層３Ａは、本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ａにおいて障壁層２の上に設けられ、前記した通り、障壁層２の側、すなわち下から、ＣｏＦｅ膜３３Ａ／Ｇｄ膜３２／ＧｄＦｅ層３１の３層構造を有する。スピン注入磁化反転素子５Ａが安定した磁化反転動作をするために、第１実施形態と同様に、磁化固定層３Ａは、保磁力が磁化自由層１Ａ（ＧｄＦｅ層１１）に対して十分に大きく、具体的には０．５ｋＯｅ以上の差となることが好ましい。
【００６１】
ＧｄＦｅ層３１は、磁化自由層１ＡにおけるＧｄＦｅ層１１と同様に、磁化固定層３Ａの主たる要素である。第１実施形態にて説明した通り、Ｇｄ−Ｆｅ合金は、他のＲＥ−ＴＭ合金と比較して保磁力が小さいが、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５の磁化自由層１（ＧｄＦｅ層１１）と同様に、ＭｇＯ膜からなる障壁層２の上に成膜されることにより保磁力が大きくなる。また、Ｇｄ−Ｆｅ合金は、前記のＧｄ：１９〜２７ａｔ％（Ｆｅ：７３〜８１ａｔ％）の範囲の組成において、Ｆｅの組成を少なくする（Ｇｄの組成を多くする）と保磁力が大きくなり、補償組成近傍で極大となる。したがって、ＧｄＦｅ層３１は、磁化固定層として十分な大きさの保磁力にするために、ＧｄＦｅ層１１よりも前記のＦｅの範囲の下限７３ａｔ％に近い組成にすることが好ましい。
【００６２】
磁性膜は厚膜化するにしたがい保磁力が大きくなる傾向があり、一般的なスピン注入磁化反転素子の磁化固定層は、厚さが３〜５０ｎｍの範囲で設定される。しかし、本変形例においては、ＧｄＦｅ層３１は、厚くなると障壁層２（ＭｇＯ膜）から離れた上層部分でＭｇＯ膜による効果が低下して保磁力が小さくなり、さらに垂直磁気異方性を維持することが困難になるため、厚さを２０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００６３】
磁化自由層１Ａと同様にＧｄＦｅ層３１を主たる要素とする磁化固定層３Ａは、障壁層２との界面すなわち最下層に、Ｃｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる磁性金属膜３３Ａ（まとめてＣｏＦｅ膜３３Ａと称する）を備えることが好ましく、その場合にはＧｄＦｅ層３１との間にＧｄ膜３２をさらに備えることが好ましい。Ｇｄ膜３２は、磁化自由層１のＧｄ膜１２と同様の構成とすることができる。ＣｏＦｅ膜３３Ａは、磁化自由層１のＣｏＦｅ膜１３と同様に、厚さ０．１ｎｍ以上とすることが好ましく、一方、ＧｄＦｅ層３１への障壁層２（絶縁膜）の影響を妨げないために、連続した膜を形成しないように厚さを１ｎｍ未満とすることが好ましく、１原子膜相当の０．３ｎｍ以下とすることがより好ましい。
【００６４】
（下地金属膜、保護膜）
下地金属膜４１Ａ、保護膜４３Ａは、それぞれ第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５の下地金属膜４１、保護膜４３と同様の構成とすることができ、すなわち非磁性金属材料で形成され、厚さを１〜１０ｎｍとすることが好ましい。ただし、本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ａは下から光を入射されるので、透過光量を減衰させないために、下地金属膜４１Ａが厚くないことが好ましい。
以下に、光変調素子１０Ａを構成するスピン注入磁化反転素子５Ａ以外の要素について説明する。
【００６５】
（電極）
光変調素子１０Ａは、第１実施形態の光変調素子１０（図１参照）とは反対に下方から光を入出射させるので、下部電極６Ａ、上部電極７Ａの構成が、第１実施形態の下部電極６、上部電極７と逆になる。したがって、下部電極６Ａは、光が透過するように、第１実施形態における上部電極７と同様に、透明電極材料で構成され、さらに、スピン注入磁化反転素子５Ａとの間に金属膜を設けられることが好ましく、すなわち透明電極材料からなる層（透明電極層）６３と、この上に積層した金属膜６４とからなることが好ましい。透明電極層６３、金属膜６４は、それぞれ第１実施形態における上部電極７の透明電極層７３、金属膜７４と同様の構成にすることができる。さらに下部電極６Ａは、ＧｄＦｅ層１１，３１を含むスピン注入磁化反転素子５Ａの前に形成されるので、透明電極層６３に、ポストアニール等により抵抗を低減することができるＩＴＯ等の結晶性の透明電極材料を適用してもよい。また、後記製造方法にて説明するように、金属膜６４が、下部電極６Ａ上の絶縁膜（スピン注入磁化反転素子５Ａ，５Ａ間の絶縁層８）をエッチングするときのエッチングストッパ膜になる。一方、上部電極７Ａは、第１実施形態における下部電極６と同様の金属電極材料を適用することができる。
【００６６】
（基板、絶縁層）
本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ａを備える光変調素子１０Ａは、基板９Ａの側から光を入出射するので、基板９Ａは光を透過させる材料からなる。このような基板９Ａとして、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（酸化マグネシウム）、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。絶縁層８は、第１実施形態と同様の構成とすることができる。
【００６７】
（光変調素子の製造方法）
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を備える光変調素子１０Ａは、積層順を入れ替えて、第１実施形態の光変調素子１０と同様に製造することができる（図２参照）。本変形例においては、スピン注入磁化反転素子５Ａの前に形成される下部電極６Ａの透明電極層６３については、例えばＩＴＯ等の結晶性の透明電極材料を適用して、加熱成膜、あるいは成膜または成形の後のポストアニールにより抵抗を低減することができる。また、絶縁層８をエッチングして、スピン注入磁化反転素子５Ａの各層を埋め込むための孔を形成する工程（図２（ｃ）参照）では、下部電極６Ａの表面の金属膜６４が絶縁層８に対するエッチングストッパ膜になる。
【００６８】
（磁化反転動作、光変調動作）
本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３（ａ）、（ｂ）に示す第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５とは、上下電極７Ａ，６Ａ（７，６）から供給される電流Ｉwの向きと磁化自由層１Ａ（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、図３（ｃ）、（ｄ）に示す光変調素子１０のスピン注入磁化反転素子５と同様に、旋光角−θk，＋θkで光変調動作をする。ただし、スピン注入磁化反転素子５Ａを備える光変調素子１０Ａは、磁化自由層１Ａの側から光を入射させるので、下部電極６Ａから光が入射する。
【００６９】
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を備える光変調素子１０Ａは、上部電極７Ａを上部電極７（図１参照）に置き換えて、透過型の空間光変調器の光変調素子とすることもできる（図示せず）。
【００７０】
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、磁化固定層３ＡにもＧｄ−Ｆｅ合金（ＧｄＦｅ層３１）が適用され、磁化自由層１Ａ（ＧｄＦｅ層１１）と材料を共通化されているが、これに限られず、磁化自由層について、垂直磁気異方性を有する公知の磁性材料を適用することができる。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５Ａ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。
【００７１】
以上のように、本発明の第１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大きく、安定した動作とすることができる。さらに本変形例に係るスピン注入磁化反転素子は、第１実施形態と同様に、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、光変調度が大きく、コントラストのよい空間光変調器を構成することができる。
【００７２】
〔第２実施形態〕
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、Ｇｄ−Ｆｅ合金がＭｇＯ膜の上に設けられるように、ＭｇＯ膜を障壁層とするＴＭＲ素子としたが、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子についても同様の効果を得ることができる。以下、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子、およびこれを備えた光変調素子について説明する。第１実施形態およびその変形例（図１〜４参照）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。
【００７３】
本発明の第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂは、図５（ａ）に示すように、下から磁化自由層１Ｂ、中間層２Ａ、磁化固定層３Ｂの順に積層された構成であり、非磁性金属からなる中間層２Ａを備えるＣＰＰ−ＧＭＲ素子である。スピン注入磁化反転素子５Ｂは、さらに、必要に応じて、最上層にすなわち磁化固定層３Ｂの上に保護膜４３Ａを備える。本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂは、ＭｇＯ膜４２の上に直接に設けられ、さらに一対の電極である上部電極７Ａと下部電極６Ｂに上下で接続されて、光変調素子１０Ｂを構成する。このように、スピン注入磁化反転素子５Ｂの下面には絶縁体であるＭｇＯ膜４２が接触しているために、このＭｇＯ膜４２が下部電極６Ｂに形成された貫通孔に設けられ、スピン注入磁化反転素子５Ｂは、下面（磁化自由層１Ｂ）が周縁のみで下部電極６Ｂに接続する。
【００７４】
光変調素子１０Ｂは、スピン注入磁化反転素子５Ｂが、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４参照）と同様に磁化自由層１Ｂを下側に備えるため、下方から光が入出射され、反射型の空間光変調器の画素として透明な基板９Ａ上に２次元配列される。また、下部電極６Ｂは、前記貫通孔により、スピン注入磁化反転素子５Ｂに入射する光を遮らないので、上部電極７Ａと同様に、良導体である金属電極材料で形成することができる。
【００７５】
光変調素子１０Ｂにおいては、ＭｇＯ膜４２の平面視形状に合わせて下部電極６Ｂに形成された貫通孔が空間光変調器の画素の開口部になる。したがって、本実施形態において、ＭｇＯ膜４２は、平面視の一辺の長さが少なくとも入射光の回折限界（波長の１／２程度）以上に形成される。ところが、このようなＭｇＯ膜４２の上に設けられたスピン注入磁化反転素子５Ｂは、磁化自由層１ＢがＭｇＯ膜４２の周囲に設けられた下部電極６Ｂと電気的に接続するために、ＭｇＯ膜４２の外側へ拡張した平面視形状にすると、大き過ぎて磁化反転し難くなる場合がある。そこで、本実施形態においては、図５（ｂ）に示すように、スピン注入磁化反転素子５Ｂが２分割されて、すなわち２個のスピン注入磁化反転素子５Ｂ，５Ｂが光変調素子１０Ｂに備えられる。言い換えると、１つの光変調素子１０Ｂにおいて、２個のスピン注入磁化反転素子５Ｂ，５Ｂが、ＭｇＯ膜４２および電極６Ｂ，７Ａを共有する。なお、図５（ｂ）において、スピン注入磁化反転素子５Ｂ，５Ｂは網掛けを付した領域に形成され、また、基板９Ａおよび絶縁層８Ｂ（絶縁層８１，８２、ＭｇＯ膜４２）は図示を省略する。このような構成とすることにより、光変調素子１０Ｂは、下部電極６Ｂが十分な面積の開口部を有し、スピン注入磁化反転素子５Ｂが下部電極６Ｂに十分な面積で接続しつつ、平面視サイズを抑えられて好適に磁化反転する。なお、光変調素子１０Ｂにおけるスピン注入磁化反転素子５Ｂ，５Ｂ間の距離は、入射光の回折限界未満とすることが好ましい。以下、スピン注入磁化反転素子５Ｂを構成する要素について詳しく説明する。
【００７６】
（磁化自由層）
磁化自由層１Ｂは、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５（図１参照）の磁化自由層１のＧｄＦｅ層１１からなる。ＧｄＦｅ層１１の構成は、第１実施形態にて説明した通りであり、同様に厚さを１〜２０ｎｍの範囲とすることが好ましく、１０ｎｍ以下がより好ましい。本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂにおいては、磁化自由層１Ｂ（ＧｄＦｅ層１１）は、ＭｇＯ膜４２の上に直接に成膜されることにより保磁力が大きくなる。
【００７７】
また、磁化自由層１Ｂは、ＭｇＯ膜４２の周囲に設けられた下部電極６Ｂに電気的に接続されるように、平面視でＭｇＯ膜４２の外側へ拡張して形成されている。本実施形態のおいては、図５（ｂ）に示すように、１つのＭｇＯ膜４２の上に、２つの磁化自由層１Ｂ，１Ｂ（スピン注入磁化反転素子５Ｂ，５Ｂ）が離間して設けられているので、磁化自由層１Ｂ，１Ｂ同士が対向する側を除く３辺近傍（周縁）で下部電極６Ｂに直接に接続している。したがって、磁化自由層１Ｂ（ＧｄＦｅ層１１）は、下部電極６Ｂに接続する周縁の領域においては保磁力が小さいが、多くを占めるそれ以外の領域における保磁力が大きいことで、スピン注入磁化反転素子５Ｂにおいて、磁化方向を安定して保持することができる。なお、磁化自由層１Ｂは、下部電極６Ｂとの接続面積が確保されていればよく、例えば対向する２辺のみがＭｇＯ膜４２の外側に形成される形状でもよい。
【００７８】
（中間層）
中間層２Ａ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２Ａは、光反射率の高いＡｇを適用して、厚さを６ｎｍ以上とすることが特に好ましい。このような中間層２Ａを備えるスピン注入磁化反転素子５Ｂとすることで、光変調素子１０Ｂは、磁化自由層１Ｂの側（下）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。
【００７９】
（磁化固定層）
磁化固定層３Ｂは、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５（図１参照）の磁化固定層３の磁性層３０からなる。
【００８０】
（保護膜）
保護膜４３Ａは、第１実施形態の変形例（図４参照）と同様の構成であり、本実施形態においては、磁化固定層３Ｂ（磁性層３０）の材料に応じて設けられる。なお、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂは、磁化自由層１Ｂ（ＧｄＦｅ層１１）の保磁力を大きくするために、後記のＭｇＯ膜４２の上に直接に設けられる。したがって、スピン注入磁化反転素子５Ｂは、最下層に、下地膜として一般的に適用されるＲｕ等の金属膜（図４に示す下地金属膜４１Ａ）を備えない。
以下に、光変調素子１０Ｂを構成するスピン注入磁化反転素子５Ｂ以外の要素について説明する。
【００８１】
（ＭｇＯ膜）
ＭｇＯ膜４２は、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５，５Ａ（図１、図４参照）における障壁層２（ＭｇＯ膜）と同様に、厚くなるにしたがいＧｄＦｅ層１１の保磁力を大きくする。この効果を十分なものにするために、ＭｇＯ膜４２は厚さを１ｎｍ以上とすることが好ましく、１．５ｎｍ超とすることがより好ましく、２ｎｍ以上がさらに好ましい。一方、ＭｇＯ膜４２は５ｎｍを超えて厚くなると、効果が低下するため、厚さを５ｎｍ以下とすることが好ましい。特に、本実施形態において、ＭｇＯ膜４２は、第１実施形態の障壁層２と異なり、厚くしてもスピン注入磁化反転素子５Ｂの磁化反転動作への影響がないので、ＧｄＦｅ層１１の保磁力を所望の大きさにすることが容易である。また、密着性を得るために、ＭｇＯ膜４２の下に、Ｒｕ，Ｔａ等の下地金属膜をさらに設けてもよい（図示せず）。
【００８２】
ＭｇＯ膜４２は、磁化自由層１Ｂ（ＧｄＦｅ層１１）の保磁力を大きくするために、その下面全体に設けられていることが好ましい。しかし、光変調素子１０Ｂにおいては、前記した通り、スピン注入磁化反転素子５Ｂが下面の一部で下部電極６Ｂに接続されるように、ＭｇＯ膜４２は、平面視でスピン注入磁化反転素子５Ｂの一部が当該ＭｇＯ膜４２からはみ出すように形成される。また、光変調素子１０Ｂにおいては、ＭｇＯ膜４２の平面視形状が、空間光変調器の画素の開口部になる。
【００８３】
（電極）
上部電極７Ａは、第１実施形態の変形例（図４参照）と同様の構成であり、金属電極材料を適用することができる。一方、下部電極６Ｂは、光の入出射側に設けられるが、前記した通り、スピン注入磁化反転素子５Ｂの下面が周縁でのみ接続し、光変調素子１０Ｂにおける中央部には貫通孔が形成されて光を遮らないので、上部電極７Ａと同様に金属電極材料を適用することができる。すなわち下部電極６Ｂは、空間光変調器において光変調素子１０Ｂ毎に孔が開いた帯状に形成される。また、下部電極６Ｂは、光変調素子１０Ｂ毎に形成された貫通孔により断面の狭い配線になるため、また、ＭｇＯ膜４２によりスピン注入磁化反転素子５Ｂとの接続面積が小さいため、透明電極材料よりも低抵抗な金属電極材料を適用することが好ましいといえる。下部電極６Ｂの孔は、光変調素子として必要な開口を有し、かつスピン注入磁化反転素子５Ｂ，５Ｂ（磁化自由層１Ｂ，１Ｂ）の下面と電気的な接続に必要な面積で接続（平面視で重複）する形状に設計される。
【００８４】
（絶縁層）
絶縁層８Ｂは、図５（ａ）に示すように、下部電極６Ｂ，６Ｂ間および下部電極６Ｂの孔においては、絶縁層８１とＭｇＯ膜４２の２層構造であり、スピン注入磁化反転素子５Ｂ，５Ｂ間および上部電極７Ａ，７Ａ間においては、絶縁層８２が設けられる。絶縁層８１は、ＭｇＯ膜４２を過剰に厚膜化することが好ましくないため、ＭｇＯ膜４２と合わせた２層で下部電極６Ｂの厚さになるように形成され、第１実施形態における絶縁層８と同様に、ＳｉＯ2等の公知の絶縁材料を適用することができる。なお、ＭｇＯ膜４２は、下部電極６Ｂの孔に形成されていればよく、下部電極６Ｂ，６Ｂ間には絶縁層８１のみが形成されていてもよい。絶縁層８２も、第１実施形態における絶縁層８と同様に公知の絶縁材料を適用し、特にスピン注入磁化反転素子５Ｂ，５Ｂ間に設けられる部分にはＳｉ窒化物等を適用することが好ましい。
【００８５】
（基板）
基板９Ａは、第１実施形態の変形例（図４参照）と同様の構成である。
【００８６】
（光変調素子の製造方法）
第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂを備える光変調素子１０Ｂは、第１実施形態およびその変形例の光変調素子１０，１０Ａと同様に製造することができる（図２参照）。本実施形態においては、下部電極６Ｂ、および絶縁層８１／ＭｇＯ膜４２を形成する工程について、表面の下部電極６ＢとＭｇＯ膜４２に段差がなく、かつＭｇＯ膜４２が所望の厚さに制御されるように、例えば以下のように行う。
【００８７】
まず、基板９Ａの表面に、ＳｉＯ2等の絶縁膜（絶縁層８１）、ＭｇＯ膜を合計で下部電極６Ｂと同じ厚さになるように成膜する。このＭｇＯ膜の上に、下部電極６Ｂを形成する領域を空けたレジストパターンを形成し、ＭｇＯ膜、ＳｉＯ2膜をエッチングして基板９Ａを露出させる。この上から金属電極材料を成膜して、ＳｉＯ2膜／ＭｇＯ膜（絶縁層８１／ＭｇＯ膜４２）のエッチング跡に埋め込んで下部電極６Ｂを形成し、レジストパターンを除去する（リフトオフ）。
【００８８】
次に、第１実施形態（図２（ｂ）〜（ｄ）参照）と同様に、スピン注入磁化反転素子５Ｂ、およびスピン注入磁化反転素子５Ｂ，５Ｂ間の絶縁層８２を形成する。絶縁層８２（Ｓｉ窒化物膜）をエッチングしてスピン注入磁化反転素子５Ｂを埋め込むための孔を形成するときには、ＭｇＯ膜４２および下部電極６Ｂがエッチングストッパ膜になるように、エッチング条件を設定する。また、このエッチング跡にスピン注入磁化反転素子５Ｂを構成する各層を成膜するとき、本実施形態では特に、第１実施形態やその変形例のように密着性を得るための下地金属膜４１（４１Ａ）を設けることができないので、ＭｇＯ膜４２および下部電極６Ｂへの密着性を高くするために、スパッタ装置にて、ＧｄＦｅ層１１（磁化自由層１Ｂ）を成膜する前に、Ａｒ，Ｋｒ等のキャリアガスのイオンやプラズマによるクリーニングを、下部電極６Ｂ等の表面に行うことが好ましい。この上に、上部電極７Ａを第１実施形態と同様に形成して、光変調素子１０Ｂが得られる。
【００８９】
下部電極６Ｂ、絶縁層８１およびＭｇＯ膜４２の形成においては、基板９Ａ上にＳｉＯ2等の絶縁膜のみを下部電極６Ｂと同じ厚さに成膜して、前記と同様に下部電極６Ｂを形成することもできる。この場合は、その次に、下部電極６Ｂの孔の領域を空けたレジストパターンを形成し、下部電極６Ｂの孔のＳｉＯ2膜を所望の深さにエッチングして、その跡にＭｇＯ膜４２を成膜して埋め込み、その後にレジストパターンを除去する。あるいは、下部電極６Ｂの孔のＳｉＯ2膜をすべて除去して、透明電極材料とＭｇＯ膜４２を積層してもよい。すなわち、図５（ａ）に示す下部電極６Ｂの孔の絶縁層８１に代えて、透明電極層６３（第１実施形態の変形例参照）が設けられる（図示せず）。これらの場合は、下部電極６Ｂの孔の領域を空けたレジストパターンを形成する前に、ＣＭＰ等で表面を平坦化、平滑化してもよく、したがって、金属電極材料（下部電極６Ｂ）を成膜する前にレジストパターンを除去することもできる。
【００９０】
（磁化反転動作、光変調動作）
スピン注入磁化反転素子５Ｂ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４参照）と、積層順が同じ（磁化自由層が下側）であるので、磁化反転動作および光変調動作が同じになる。すなわち、磁化反転動作については、図３（ａ）、（ｂ）に示す第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５とは、上下電極７Ａ，６Ｂ（７，６）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。
【００９１】
第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂを備える光変調素子１０Ｂは、上部電極７Ａを上部電極７（図１参照）に置き換えて、透過型の空間光変調器の光変調素子とすることもできる（図示せず）。この場合には、中間層２Ａは、光透過性の比較的高い材料を適用されることが好ましい。
【００９２】
以上のように、本発明の第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、第１実施形態と同様に、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、光変調度が大きく、コントラストのよい空間光変調器を構成することができ、さらに磁化自由層の保磁力が大きく、安定した動作とすることができる。
【００９３】
〔第２実施形態の変形例〕
第２実施形態においては、下部電極に孔を空けてＭｇＯ膜を埋め込むことにより、スピン注入磁化反転素子において下側に設けられた磁化自由層のＧｄ−Ｆｅ合金について保磁力を大きくすることができ、中間層（障壁層）がＭｇＯ膜に限定されないので、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子とすることができる。第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子の積層順を入れ替えることにより、第１実施形態の変形例と同様に、Ｇｄ−Ｆｅ合金を磁化固定層に適用することもできる。以下、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光変調素子について説明する。第１、第２実施形態（図１〜５参照）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。
【００９４】
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、図６に示すように、下から磁化固定層３Ｃ、中間層２Ａ、磁化自由層１Ｃの順に積層された構成であり、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂ（図５（ａ）参照）と同様に、非磁性金属からなる中間層２Ａを備えるＣＰＰ−ＧＭＲ素子である。スピン注入磁化反転素子５Ｃは、さらに、最上層にすなわち磁化自由層１Ｃの上に保護膜４３を備える。本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃは、ＭｇＯ膜４２の上に直接に設けられ、さらに一対の電極である下部電極６Ｃと上部電極７に接続されて、光変調素子１０Ｃを構成する。このように、光変調素子１０Ｃにおいては、スピン注入磁化反転素子５Ｃの下面には絶縁体であるＭｇＯ膜４２が接触しているために、下部電極６Ｃには磁化固定層３Ｃ（ＧｄＦｅ層３１）が側面で接続する。
【００９５】
光変調素子１０Ｃは、スピン注入磁化反転素子５Ｃが、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５（図１参照）と同様に磁化自由層１Ｃを上側に備えるため、上方から光が入出射され、反射型の空間光変調器の画素として基板９上に２次元配列される。また、下部電極６Ｃは、前記したように磁化固定層３Ｃの側面に接続するために、スピン注入磁化反転素子５Ｃの下部（磁化固定層３Ｃ）をその下のＭｇＯ膜４２と共に収容する穴が形成されている。以下、スピン注入磁化反転素子５Ｃを構成する要素について詳しく説明する。
【００９６】
（磁化自由層）
磁化自由層１Ｃ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４参照）の磁化自由層１ＡのＧｄＦｅ層１１からなる。ＧｄＦｅ層１１の構成は、第１実施形態とその変形例にて説明した通りであり、特に本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃにおいては、第１実施形態の変形例と同様に、磁化自由層１Ｃ（ＧｄＦｅ層１１）は、ＭｇＯ膜の上に設けられていないため、保磁力が組成や厚さで調整される。
【００９７】
（中間層）
中間層２Ａは、第２実施形態と同様の構成であり、特に、光反射率の高いＡｇを適用することが好ましく、このような構成により、光変調素子１０Ｃは、磁化自由層１Ｃ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。
【００９８】
（磁化固定層）
磁化固定層３Ｃ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４参照）の磁化固定層３ＡのＧｄＦｅ層３１からなる。ＧｄＦｅ層３１の構成は、第１実施形態の変形例にて説明した通りであり、同様に厚さを３〜２０ｎｍの範囲とすることが好ましい。本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃにおいては、磁化固定層３Ｃ（ＧｄＦｅ層３１）は、ＭｇＯ膜４２の上に直接に成膜されることにより保磁力が大きくなる。また、磁化固定層３Ｃ（ＧｄＦｅ層３１）は、下面が全面でＭｇＯ膜４２に接触しているので、光変調素子１０Ｃにおいては、側面で下部電極６Ｃに接続するように構成される。
【００９９】
（保護膜）
保護膜４３は、第１実施形態（図１参照）と同様の構成である。なお、本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃは、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂ（図５（ａ）参照）と同様に、最下層にＲｕ等の金属膜（図１に示す下地金属膜４１）を備えない。
以下に、光変調素子１０Ｃを構成するスピン注入磁化反転素子５Ｃ以外の要素について説明する。
【０１００】
（ＭｇＯ膜）
ＭｇＯ膜４２は、第２実施形態と同様の構成であり、特に本変形例においては、この上に成膜される磁化固定層３Ｃ（ＧｄＦｅ層３１）の全体の保磁力を大きくするために、磁化固定層３Ｃ等のスピン注入磁化反転素子５Ｃの各層と同一の平面視形状に形成され、さらに保磁力を十分に大きくするために、厚さを１〜５ｎｍの範囲においてより厚くすることが好ましい。
【０１０１】
（電極）
上部電極７は、第１実施形態（図１参照）と同様の構成であり、透明電極層７３およびその下地の金属膜７４からなる。一方、下部電極６Ｃは、金属電極材料からなり、下面をＭｇＯ膜４２で被覆されている磁化固定層３Ｃに接続するために、スピン注入磁化反転素子５Ｃの平面視形状に上面で開口した穴を形成されて、図６に示す断面形状が凹字型となり、この穴の内壁で磁化固定層３Ｃの側面に接続する。このとき、下部電極６Ｃは、磁化固定層３Ｃ上の中間層２Ａや磁化自由層１Ｃと短絡しないために、上面の位置が磁化固定層３Ｃの上面よりも低くなるように、穴の深さが制御される。そのために、下部電極６Ｃは、穴の側壁を構成する、スピン注入磁化反転素子５Ｃの平面視形状の貫通孔を形成された第２層６２と、その下の、穴の底面を構成する第１層６１とからなる。第２層６２は、磁化固定層３ＡとＭｇＯ膜４２の合計の厚さよりも薄く、好ましくは３ｎｍ以上薄く形成される。一方、第１層６１は、下部電極６Ｃを十分に低抵抗とするために必要な厚さに形成される。下部電極６Ｃ（６１，６２）は、第１実施形態における下部電極６と同様の金属電極材料を適用することができ、特に第２層６２が、第１層６１に対してエッチング選択性が高くなるように金属材料を選択して適用することが好ましい。このような構成とすることで、後記製造方法にて説明するように、下部電極６Ｃは、第２層６２の厚さと同じ深さの穴が形成され、この穴にスピン注入磁化反転素子５Ｃが埋め込まれて磁化固定層３Ｃが内壁で接続する。このとき、下部電極６Ｃは、上面が、磁化固定層３Ｃの上面（中間層２Ａとの界面）から３ｎｍ以上低い位置になり、すなわち磁化固定層３Ｃ（ＧｄＦｅ層３１）以外の導体（中間層２Ａ等）に対して３ｎｍ以上の距離が空くので、リーク電流やトンネル電流が流れることがない。
【０１０２】
（絶縁層、基板）
絶縁層８、基板９は、それぞれ第１実施形態と同様の構成である。
【０１０３】
（光変調素子の製造方法）
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を備える光変調素子１０Ｃの製造方法について、その一例を、図７を参照して説明する。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（図４参照）と同様に耐熱性に劣るＧｄＦｅ層１１，３１を備え、さらに磁化固定層３Ｃの側面に下部電極６Ｃが接続されることから、以下の方法で製造されることが好ましい。
【０１０４】
まず、下部電極６Ｃを形成する。基板９の表面に、ＳｉＯ2等の絶縁膜を、下部電極６Ｃの厚さに合わせて成膜する。この絶縁膜の上に、下部電極６Ｃを形成する領域を空けたレジストパターンを形成し、絶縁膜をエッチングしてストライプ状の溝を有する絶縁層８を形成する。この上に、２種類の金属電極材料を連続して成膜して、絶縁層８の溝に埋め込み、ストライプ状の第１層６１／第２層６２の２層膜（下部電極６Ｃ）を形成し、レジストパターンをその上の金属電極材料ごと除去する（リフトオフ、図７（ａ））。
【０１０５】
次に、下部電極６Ｃを加工して穴を形成し、さらにスピン注入磁化反転素子５Ｃを形成する。下部電極６Ｃの第２層６２および絶縁層８の上に、Ｓｉ窒化物等の非酸化物の絶縁膜を、スピン注入磁化反転素子５Ｃの上面（保護膜４３）の高さ位置に合わせた厚さに成膜する。この絶縁膜の上に、スピン注入磁化反転素子５Ｃを形成する領域を空けたレジストパターンＰＲを形成し（図７（ｂ））、絶縁膜をエッチングし、引き続いて下部電極６Ｃの第２層６２をエッチングして、第１層６１の上面（第２層６２と第１層６１との界面）を底面とする穴を形成する（図７（ｃ））。この上から、ＭｇＯ膜４２、磁化固定層３Ｃ（ＧｄＦｅ層３１）、中間層２Ａ、磁化自由層１Ｃ（ＧｄＦｅ層１１）、保護膜４３の各材料を連続して成膜して、絶縁層８から下部電極６Ｃの第２層６２までに形成された孔に埋め込んでスピン注入磁化反転素子５Ｃを形成し、レジストパターンＰＲをその上の材料ごと除去する（リフトオフ、図７（ｄ））。この上に、第１実施形態の光変調素子１０と同様に上部電極７を形成して、光変調素子１０Ｃが得られる。
【０１０６】
このように、光変調素子１０Ｃの製造において、スピン注入磁化反転素子５Ｃを構成する各層を、その側面に接触する絶縁層８および下部電極６Ｃを成形した後に成膜するため、ＧｄＦｅ層１１，３１等の特性の劣化を防止することができる。
【０１０７】
（磁化反転動作、光変調動作）
スピン注入磁化反転素子５Ｃは、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５（図１参照）と積層順が同じ（磁化自由層１（１Ｃ）が上側）であるので、磁化反転動作および光変調動作が同じになる（図３参照）。
【０１０８】
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を備える光変調素子１０Ｃ（図６参照）は、透明な基板９Ａ上に配列して、透過型の空間光変調器の光変調素子に適用することもできる。このとき、下部電極６Ｃは、第１層６１を透明電極材料で形成して、光が透過するように構成したり、あるいは、第２実施形態の下部電極６Ｂ（図５参照）のように貫通孔を形成する（図示せず）。また、この場合には、中間層２Ａは、光透過性の比較的高い材料を適用されることが好ましい。
【０１０９】
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４参照）と同様に、磁化自由層について、Ｇｄ−Ｆｅ合金（ＧｄＦｅ層１１）以外の垂直磁気異方性を有する公知の磁性材料を適用することができる（図示せず）。
【０１１０】
以上のように、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は、第１実施形態の変形例と同様に、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大きく、安定した動作とすることができる。さらに本変形例に係るスピン注入磁化反転素子は、第１、第２実施形態と同様に、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、光変調度が大きく、コントラストのよい空間光変調器を構成することができる。
【０１１１】
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５Ｂ，５Ｃにおいて、中間層２Ａは、ＧｄＦｅ層１１，３１（磁化自由層１Ｂ、磁化固定層３Ｃ）の下地ではなく、ＧｄＦｅ層１１，３１の保磁力に影響しないので、公知のスピン注入磁化反転素子の中間層や障壁層を適用することができる。したがって、スピン注入磁化反転素子５Ｂ，５Ｃは、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子に限られず、中間層２ＡをＭｇＯ以外の絶縁膜（障壁層）としたＴＭＲ素子としてもよい。障壁層は、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することができる。また、磁化固定層、磁化自由層は、障壁層との界面に設けられる磁性金属膜は、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。
【０１１２】
〔第３実施形態〕
本発明の第１、第２実施形態およびそれぞれの変形例に係るスピン注入磁化反転素子は、ＭｇＯ膜からなる障壁層の上に成膜したＧｄ−Ｆｅ合金、または当該スピン注入磁化反転素子の下側に設けられたＭｇＯ膜の上に成膜したＧｄ−Ｆｅ合金について、それぞれ保磁力を大きくすることができる。したがって、スピン注入磁化反転素子の磁化自由層および磁化固定層の両方について、Ｇｄ−Ｆｅ合金を備えて、さらにそれぞれの保磁力を大きくすることができる。以下、第３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１〜６参照）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。
【０１１３】
本発明の第３実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄは、図８に示すように、下から、磁化固定層３Ｄ、障壁層２、磁化自由層１の順に積層された構成であり、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５（図１参照）と同様に、ＴＭＲ素子である。スピン注入磁化反転素子５Ｄは、さらに、最上層に保護膜４３Ａを備える。本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄは、ＭｇＯ膜４２の上に直接に設けられ、さらに一対の電極である上部電極７Ａと下部電極６Ｄに上下で接続されて、磁気抵抗効果素子１０Ｄを構成する。このように、スピン注入磁化反転素子５Ｄの下面には絶縁体であるＭｇＯ膜４２が接触しているために、その上の磁化固定層３Ｄが、下部電極６Ｄに電気的に接続するように、平面視形状をＭｇＯ膜４２の外側へ拡張させて大きく形成されている。したがって、スピン注入磁化反転素子５Ｄは、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂ（図５（ａ）参照）と同様に、下面（本実施形態では磁化固定層３Ｄ）が周縁のみで下部電極６Ｄに接続する。また、スピン注入磁化反転素子５Ｄは、平面視で、磁化自由層１がＭｇＯ膜４２と略同一形状に形成されているため、磁化固定層３Ｄおよびその上の障壁層２が、磁化自由層１の外側へも拡張して形成されている。
【０１１４】
磁気抵抗効果素子１０Ｄ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６Ｄを経由してトランジスタ（図示省略）に接続され、光変調素子１０（図１参照）等と同様に２次元配列され、上部電極７Ａが面内における一方向（図８においては左右方向）に延設されてビット線として共有される。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６Ｄはドレインに接続され、ソースおよびゲートに、互いに直交する配線であるソース線とワード線（図示省略）がそれぞれ接続される。
【０１１５】
スピン注入磁化反転素子５Ｄは、磁気抵抗効果素子１０Ｄに適用されるので、第１、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５等とは異なり、光変調のための平面視の大きさ（一辺の長さ）の下限が規定されず、磁化自由層１の磁化方向が保持される面積であればよい。具体的には、スピン注入磁化反転素子５Ｄ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。なお、本明細書において、スピン注入磁化反転素子の平面視形状とは、磁化固定層、中間層（障壁層）、磁化自由層のすべてが積層された領域を指す。
【０１１６】
スピン注入磁化反転素子５Ｄ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４参照）と同様に、磁化自由層１、磁化固定層３Ｄがそれぞれ、ＧｄＦｅ層（Ｇｄ−Ｆｅからなる層）１１，３１を主たる要素として備え、ＭｇＯからなる障壁層２を備えるＴＭＲ素子である。したがって、磁化自由層１および磁化固定層３Ｄが、障壁層２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、磁化自由層１が、ＧｄＦｅ層１１とＣｏＦｅ膜１３の間にＧｄ膜１２を備える。すなわち、スピン注入磁化反転素子５Ｄは、下から、ＧｄＦｅ層３１、ＣｏＦｅ膜３３、障壁層２、ＣｏＦｅ膜１３、Ｇｄ膜１２、ＧｄＦｅ層１１、保護膜４３Ａ、を順に積層してなり、また、最下層のＧｄＦｅ層３１がＭｇＯ膜４２の上に直接に形成される。スピン注入磁化反転素子５Ｄの各要素は、第１実施形態やその変形例と同様の構成であり、また、ＭｇＯ膜４２は第２実施形態の変形例と同様の構成である。以下、スピン注入磁化反転素子５Ｄを構成する要素について詳しく説明する。
【０１１７】
（磁化自由層）
磁化自由層１は、スピン注入磁化反転素子５Ｄにおいて障壁層２の上に設けられることも含めて、第１実施形態と同様の構成である。したがって、磁化自由層１（ＧｄＦｅ層１１）は、障壁層２により保磁力が大きくなる。
【０１１８】
（障壁層）
障壁層２は、第１実施形態と同様の構成であり、この上に成膜される磁化自由層１（ＧｄＦｅ層１１）の保磁力を大きくする。さらに本実施形態においては、後記製造方法にて説明するように、障壁層２は、スピン注入磁化反転素子５Ｄの形成時における磁化固定層３Ｄの保護膜であり、かつ、当該障壁層２上の絶縁膜（磁化自由層１同士の間の絶縁層８）をエッチングするときのエッチングストッパ膜になる。そのために、図８に示すように、スピン注入磁化反転素子５Ｄにおいて、障壁層２は、その下の磁化固定層３Ｄと同一の平面視形状に形成され、また、厚さを１ｎｍ以上とすることが好ましい。
【０１１９】
（磁化固定層）
磁化固定層３Ｄは、下すなわち下部電極６Ｄの側から、ＧｄＦｅ層３１／ＣｏＦｅ膜３３の２層構造を有し、これは、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５（図１参照）の磁化固定層３（磁性層３０／ＣｏＦｅ膜３３）の磁性層３０を、第１、第２実施形態の各変形例の磁化固定層３Ａ，３ＣのＧｄＦｅ層３１に置き換えたものといえる。ＣｏＦｅ膜３３、ＧｄＦｅ層３１の構成は、第１実施形態とその変形例にて説明した通りである。スピン注入磁化反転素子５Ｄにおいて、磁化固定層３Ｄ（ＧｄＦｅ層３１）は、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（図６参照）における磁化固定層３Ｃと同様に、ＭｇＯ膜４２の上に直接に成膜されることにより保磁力が大きくなる。
【０１２０】
前記したように、磁化固定層３Ｄは、ＭｇＯ膜４２の下の下部電極６Ｄに電気的に接続されるように、平面視でＭｇＯ膜４２の外側へ拡張して大きく形成されているので、周縁を除く中央部でのみＭｇＯ膜４２上に形成されている。したがって、磁化固定層３Ｄ（ＧｄＦｅ層３１）は、下面が下部電極６Ｄに接続している周縁の領域においては、Ｇｄ−Ｆｅ合金本来の小さな保磁力を示す。そのため、スピン注入磁化反転素子５Ｄは、磁化固定層３Ｄのこの周縁の領域上には磁化自由層１を設けず、膜面垂直方向の電流経路が形成されないように、すなわちスピン注入磁化反転素子の領域外とする。このような構成とすることにより、スピン注入磁化反転素子５Ｄは、磁化固定層３Ｄの一部の保磁力が小さくても、磁化反転動作の安定性が阻害されない。なお、磁化固定層３Ｄは、下部電極６Ｄとの接続面積が確保されていれば、面内の四方すべてに拡張されてなくてもよく、例えば対向する２辺のみがＭｇＯ膜４２の外側に形成される形状でもよい。
【０１２１】
（保護膜）
保護膜４３Ａは、第１実施形態の変形例（図４参照）と同様の構成である。なお、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄは、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５Ｂ，５Ｃ（図５（ａ）、図６参照）と同様に、最下層にＲｕ等の金属膜（図１に示す下地金属膜４１）を備えない。
以下に、磁気抵抗効果素子１０Ｄを構成するスピン注入磁化反転素子５Ｄ以外の要素について説明する。
【０１２２】
（ＭｇＯ膜）
ＭｇＯ膜４２は、第２実施形態やその変形例と同様の構成であり、この上に成膜される磁化固定層３Ｄ（ＧｄＦｅ層３１）の保磁力を大きくするために設けられる。前記した通り、スピン注入磁化反転素子５Ｄにおいては、磁化固定層３Ｄが、一部（周縁）でＭｇＯ膜４２の上に形成されず、保磁力が大きくならない上、ＭｇＯ膜４２の厚みにより段差を有して局所的に磁気特性に変化を生じている場合がある。そこで、この磁化固定層３Ｄの、ＭｇＯ膜４２から外側にはみ出した領域がスピン注入磁化反転素子の領域外になるようにするために、スピン注入磁化反転素子５Ｄにおいて、ＭｇＯ膜４２は、平面視形状が磁化自由層１と同一または磁化自由層１よりも大きく形成される。
【０１２３】
（電極）
磁気抵抗効果素子１０Ｄは光を透過する必要がないので、上部電極７Ａ、下部電極６Ｄ、ならびにソース線、ワード線（図示省略）は、第１実施形態の下部電極６等と同様の金属電極材料で形成される。
【０１２４】
（絶縁層）
絶縁層８は、第１、第２実施形態と同様の構成とすることができる。ただし、スピン注入磁化反転素子５Ｄ，５Ｄ間に設けられる絶縁層８は、障壁層２およびＭｇＯ膜４２とは異なるすなわちＭｇＯ以外の絶縁材料で形成され、特にＭｇＯよりもエッチング選択性の高い材料、具体的にはＳｉ窒化物で形成されることが好ましい。
【０１２５】
（基板）
磁気抵抗効果素子１０Ｄが形成される基板（図示省略）は、磁気抵抗効果素子１０Ｄ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）基板が適用される。
【０１２６】
（磁気抵抗効果素子の製造方法）
第３実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄは、ＭｇＯからなる障壁層２を境に、障壁層２およびその下の磁化固定層３Ｄと、これらとは平面視形状の異なる上側の磁化自由層１と、をそれぞれに接触する絶縁層８も含め、分けて形成することで製造することができる。また、スピン注入磁化反転素子５Ｄを備える磁気抵抗効果素子１０Ｄは、前記したように、表層にＭＯＳＦＥＴを形成された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、絶縁膜を介して形成される。以下、磁気抵抗効果素子１０Ｄの製造方法について、その一例を、図９および図１０を参照して説明する。
【０１２７】
ＭＯＳＦＥＴを形成したＳｉ基板（図示省略）上に、このＭＯＳＦＥＴと電気的に接続するソース線、ワード線、および下部電極６Ｄ、ならびにこれらの配線同士の間を埋める絶縁層８を形成して、表面に下部電極６Ｄを露出させ、また、下部電極６Ｄのない領域を絶縁層８で埋める。この下部電極６Ｄおよび絶縁層８の上にＭｇＯ膜を成膜し、レジストパターンを形成して、エッチングにてＭｇＯ膜４２を成形し、レジストパターンを除去する（図９（ａ））。
【０１２８】
次に、スピン注入磁化反転素子５Ｄを形成する。まず、磁化固定層３Ｄおよび障壁層２を形成する。図９（ａ）に示すＭｇＯ膜４２、下部電極６Ｄ、および絶縁層８の上に、Ｓｉ窒化物膜を、スピン注入磁化反転素子５Ｄ（磁化固定層３Ｄ〜保護膜４３Ａ）の厚さに合わせて成膜する。このＳｉ窒化物膜の上に、磁化固定層３Ｄを形成する領域を空けたレジストパターンＰＲ１を形成し（図９（ｂ））、Ｓｉ窒化物膜をエッチングして、ＭｇＯ膜４２およびその周囲の下部電極６Ｄを露出させる（図９（ｃ））。このとき、第１実施形態（図２（ｃ）参照）等と同様に、ＲＩＥのようなエッチング選択性の高い方法を適用して、ＭｇＯ膜４２や下部電極６Ｄがエッチングされないようにする。この上から、ＧｄＦｅ層３１、ＣｏＦｅ膜３３、障壁層２の各材料を連続して成膜して、Ｓｉ窒化物膜（絶縁層８）に形成された孔に埋め込んで、磁化固定層３Ｄおよび障壁層２を形成する。引き続いて、障壁層２の上に、Ｓｉ窒化物膜を、磁化自由層１と保護膜４３Ａの合計の厚さに合わせて成膜する。なお、ＧｄＦｅ層３１を成膜する前に、第２実施形態と同様に、スパッタ装置にてキャリアガスのイオンやプラズマによるクリーニングを下部電極６Ｄ等の表面に行うことが好ましい。そして、レジストパターンＰＲ１をその上の材料ごと除去する（リフトオフ）。これにより、図９（ｄ）に示すように、ＭｇＯ膜４２の上にそれよりも大きな磁化固定層３Ｄおよび障壁層２が形成され、さらにその上に絶縁層８（Ｓｉ窒化物膜）が全面を被覆して形成される。
【０１２９】
次に、磁化自由層１を形成する。Ｓｉ窒化物膜（絶縁層８）の上に、磁化自由層１（スピン注入磁化反転素子５Ｄ）を形成する領域を空けたレジストパターンＰＲ２を形成する（図１０（ａ））。そして、先のエッチングと同様に、エッチング選択性の高い方法により、障壁層２（ＭｇＯ膜）をエッチングストッパ膜として絶縁層８（Ｓｉ窒化物膜）をエッチングして、障壁層２を露出させる（図１０（ｂ））。障壁層２表面を磁化固定層３Ｄの形成時と同様にクリーニングして、続けて、ＣｏＦｅ膜１３、Ｇｄ膜１２、ＧｄＦｅ層１１、保護膜４３Ａの各材料を連続して成膜して、絶縁層８に形成された孔に埋め込んで、障壁層２上に磁化自由層１および保護膜４３Ａを形成する。そして、レジストパターンＰＲ２をその上の材料ごと除去する（リフトオフ）。これにより、図１０（ｃ）に示すように、スピン注入磁化反転素子５Ｄ、およびスピン注入磁化反転素子５Ｄ，５Ｄ間の絶縁層８が形成される。
【０１３０】
次に、第１実施形態と同様に、上部電極７Ａをリフトオフ法により形成し、上部電極７Ａ，７Ａ間の絶縁層８を形成して、磁気抵抗効果素子１０Ｄが得られる。
【０１３１】
このように、スピン注入磁化反転素子５Ｄを、磁化固定層３Ｄおよび障壁層２と、磁化自由層１と、に２段階（２層）に分けて形成する際に、絶縁層８の、磁化固定層３Ｄおよび障壁層２に接触する部分、あるいは磁化自由層１に接触する部分を成形してから、磁化固定層３Ｄ、磁化自由層１等の材料を成膜することにより、ＧｄＦｅ層３１，１１へのダメージが抑えられる。また、ＭｇＯ膜である障壁層２が磁化固定層３Ｄの保護膜になって、磁化固定層３Ｄと磁化自由層１とで異なる平面視形状に形成することができる。さらに、磁化自由層１の側面に接触する絶縁層８を成形する際に、障壁層２をエッチングストッパ膜にすることで、比較的加工ダメージの少ない方法でエッチングすることができ、磁化固定層３Ｄ（ＧｄＦｅ層３１）へのダメージが抑えられる。
【０１３２】
（ＭＲＡＭの初期設定）
磁気抵抗効果素子１０Ｄを配列したＭＲＡＭについても、空間光変調器と同様に、すべてのメモリセルの磁気抵抗効果素子１０Ｄが、スピン注入磁化反転素子５Ｄの磁化固定層３Ｄの磁化方向を同じ向きに固定されている必要がある。したがって、第１実施形態と同様に、外部から磁化固定層３Ｄの保磁力よりも大きな磁界を印加して、磁化固定層３Ｄの磁化方向を、例えば上向きに（図３参照）揃える初期設定を行う。
【０１３３】
（抵抗変化）
スピン注入磁化反転素子５Ｄ（５）の磁化反転に伴う抵抗の変化を、図３（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７Ａ，６Ｄ（７，６）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３（ｃ）に示す磁化方向が平行な状態における抵抗ＲPよりも、図３（ｄ）に示す磁化方向が反平行な状態における抵抗ＲAPの方が高く（ＲP＜ＲAP）、磁化反転しない大きさの電流Ｉrを供給されたときに電流が流れ難い。
【０１３４】
（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１０Ｄにおけるスピン注入磁化反転素子５Ｄの磁化反転が行われる。スピン注入磁化反転素子５Ｄの磁化反転動作は、図３（ａ）、（ｂ）に示すスピン注入磁化反転素子５と同様である。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５Ｄが磁化反転しない所定の大きさの電流Ｉrを供給したときの電極６Ｄ，７Ａ間の電圧の値から、スピン注入磁化反転素子５Ｄの抵抗がＲP，ＲAPのいずれであるかを判定する。なお、図３（ｃ）、（ｄ）に示すスピン注入磁化反転素子５は、磁化固定層３側から磁化自由層１へ電流Ｉrを供給されているが、電流Ｉrの向きは逆でもよい。また、磁気抵抗効果素子１０Ｄにおいて、下部電極６Ｄは、トランジスタを経由してソース線に接続し、この接続はワード線からの電流Ｉr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，Ｉrは、上部電極７Ａ（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５Ｄに供給される。
【０１３５】
磁気抵抗効果素子１０Ｄは、ＭＯＳＦＥＴに代えて、ダイオードを接続されてメモリセルとしてもよい。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。あるいは、磁気抵抗効果素子１０Ｄは、トランジスタに接続されずに、下部電極６Ｄ（下部電極６）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）。
【０１３６】
本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄは、上部電極７Ａを、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５（図１参照）と同様に上部電極７に置き換えて、上から光を入出射する光変調素子に適用することができる（図示せず）。この場合にも、磁気抵抗効果素子１０Ｄと同様に、下部電極６Ｄにトランジスタを接続していることにより、漏れ電流（非選択の画素（光変調素子）への電流の回り込み）がなく、電流の消費が抑制された空間光変調器の光変調素子となる。あるいは、上部電極７と直交する下部電極６（図１参照）が接続されてもよい。
【０１３７】
第３実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄ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４参照）と同様に、磁化自由層について、Ｇｄ−Ｆｅ合金（ＧｄＦｅ層１１）以外の垂直磁気異方性を有する公知の磁性材料を適用することができる（図示せず）。
【０１３８】
以上のように、本発明の第３実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、第１、第２実施形態の各変形例と同様に、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、磁化自由層、磁化固定層の保磁力がそれぞれ大きく、安定した動作とすることができる。
【０１３９】
本発明の第１、第２実施形態、およびその各変形例に係るスピン注入磁化反転素子５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、第３実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄ（図８参照）と同様に、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。この場合、下部電極６と上部電極７Ａのように、一対の電極の両方に金属電極材料を適用することができ、さらに、表層にＭＯＳＦＥＴを形成されたＳｉ基板上に形成されて、下部電極６等でトランジスタのドレインに接続してもよい（図示せず）。あるいは、スピン注入磁化反転素子５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、光変調素子に適用される場合においてもトランジスタを接続して、電流の消費が抑制された空間光変調器を構成することができる。ただし、スピン注入磁化反転素子５Ａ，５Ｂは、下方から光を入射する光変調素子１０Ａ，１０Ｂ（図４、図５（ａ）参照）に適用されるため、光変調素子１０Ａ，１０Ｂを配列した基板９Ａに、ＭＯＳＦＥＴやソース線等の配線を形成されたＳｉ基板を、水酸基接合等の常温接合により貼り合わせて、上部電極７Ａでトランジスタのドレインに接続する。また、光変調素子１０等においても、メモリセルの読出しと同様に、一対の電極６，７間の抵抗ＲP，ＲAPにより（図３（ｃ）、（ｄ）参照）、磁化反転動作が正常に行われたかの書込みエラー検出を行うことができる。
【０１４０】
〔第４実施形態〕
本発明の第１、第２、第３実施形態、およびそれぞれ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つの磁化自由層の上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並設デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子（特許文献６，７参照）においても適用し得て、同様の効果を有する。以下、第４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。第１、第２、第３実施形態（図１〜１０参照）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。
【０１４１】
本発明の第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｅは、図１１に示すように、１つの磁化自由層１とその上に積層された障壁層２のさらに上に、膜面方向に離間した２つの磁化固定層３，３Ａが積層された構成であり、２つの磁化固定層３，３Ａ上に一対の電極である第１電極７１と第２電極７２が接続されて、光変調素子１０Ｅを構成する。スピン注入磁化反転素子５Ｅは、さらに、磁化固定層３，３Ａのそれぞれの上に保護膜４３Ａ，４３Ａを備える。本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｅは、ＭｇＯ膜４２の上に直接に設けられ、すなわち磁化自由層１がＭｇＯ膜４２の上に形成されている。スピン注入磁化反転素子５Ｅは、一対の電極７１，７２の両方が磁化固定層３，３Ａ上に接続されて、磁化自由層１には電極が接続されないので、このように下側に絶縁体であるＭｇＯ膜４２が設けられても電気的な接続が妨げられない。したがって、磁化自由層１（ＧｄＦｅ層１１）の全体がＭｇＯ膜４２の上に直接に成膜されることにより保磁力が大きくなる。さらに、障壁層２がＭｇＯからなることにより、その上にＧｄＦｅ層３１を備えた磁化固定層３Ａを適用することができる。
【０１４２】
光変調素子１０Ｅは、スピン注入磁化反転素子５Ｅが下側に磁化自由層１を備え、さらにその下に電極が接続されていないため、第１実施形態の変形例の光変調素子１０Ａ（図４参照）と同様に、反射型の空間光変調器の画素として透明な基板９Ａ上に２次元配列されて、下方から入射した光を反射させて下方へ出射する。光変調素子１０Ｅにおいて、一対の電極７１，７２は、第１実施形態の光変調素子１０における一対の電極６，７（図１参照）と同様に、一方を行方向に、他方を列方向に、それぞれ延設される。図１１においては、磁化固定層３，３Ａが左右方向に並んで設けられているため、下側（スピン注入磁化反転素子５Ｅに近い側）に設けられて磁化固定層３に接続する第１電極７１は、手前−奥方向（紙面垂直方向）に延設された帯状に形成されている。一方、その上方で、第１電極７１と直交して左右方向に延設された帯状に形成された第２電極７２は、コンタクト部（第２電極７２の帯状部分と第１電極７１の層間部）を経由して磁化固定層３Ａに接続する。
【０１４３】
障壁層２は絶縁体であるＭｇＯからなるので、スピン注入磁化反転素子５Ｅは、１つの磁化自由層１の上に、膜面方向に並んで２つの磁化固定層３，３Ａがそれぞれ障壁層２，２を挟んで積層された構成であるといえる。また、スピン注入磁化反転素子５Ｅは、磁化自由層１／障壁層２／磁化固定層３、磁化自由層１／障壁層２／磁化固定層３Ａの各３層からなる２つのスピン注入磁化反転素子（ＴＭＲ素子）を磁化自由層１で接続した構成である。これら３層が積層された各領域がスピン注入磁化反転素子として機能するので、それぞれの平面視形状がスピン注入磁化反転素子として好適なものであればよく、磁化固定層３，３Ａについては、例えば各１００ｎｍ×３００ｎｍにすることができる。一方、磁化自由層１は、詳しくは後記するように、スピン注入磁化反転素子として機能する磁化固定層３，３Ａが積層された２つの領域と、これら２つの領域に挟まれた領域とにおいて、磁化反転し、すなわち光変調素子として機能するので、これらを合わせた平面視サイズを例えば３００ｎｍ×３００ｎｍにして、光変調素子に好適なサイズにすることができる。なお、磁化固定層３，３Ａ間の距離については特に規定されない。
【０１４４】
また、図１１に示すように、スピン注入磁化反転素子５Ｅにおいて、磁化自由層１は、２つ並んだ磁化固定層３，３Ａの外側へ張り出して拡張して形成されていることが好ましい。これは、後記製造方法にて説明するように、磁化自由層１と同一平面視形状に形成される障壁層２を、磁化固定層３，３Ａを形成するためのエッチングストッパ膜にするためである。磁化自由層１は、この張り出した領域においては磁化反転しない。また、磁化自由層１の張り出した長さは特に規定されず、隣り合うスピン注入磁化反転素子５Ｅ，５Ｅ間で短絡しなければよいが、磁性膜は面積がある程度以上大きくなると保磁力が減少する傾向があるので、磁化自由層１の保磁力が減少しない程度にすることが好ましい。以下、スピン注入磁化反転素子５Ｅを構成する要素について詳しく説明する。
【０１４５】
（磁化自由層）
磁化自由層１は、第１実施形態（図１参照）と同様の構成で、積層順を逆にしたものであり、第１実施形態の変形例（図４参照）と同じ積層順になる。ただし、本実施形態においては、ＧｄＦｅ層１１が、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂ（図５（ａ）参照）における磁化自由層１Ｂと同様に、ＭｇＯ膜４２の上に直接に成膜されることにより保磁力が大きくなる。
【０１４６】
（障壁層）
障壁層２は、第１実施形態やその変形例（図１、図４参照）と同様の構成であり、この上に成膜される磁化固定層３Ａ（ＧｄＦｅ層３１）の保磁力を大きくするものである。さらに本実施形態においては、後記製造方法にて説明するように、障壁層２は、第３実施形態と同様に、スピン注入磁化反転素子５Ｅの形成時における磁化自由層１の保護膜であり、かつ、当該障壁層２上の絶縁膜（磁化固定層３，３Ａ間等の絶縁層８）をエッチングするときのエッチングストッパ膜になる。そのために、図１１に示すように、スピン注入磁化反転素子５Ｅにおいて、障壁層２は、その下の磁化自由層１と同一の平面視形状に形成され、また、厚さを１ｎｍ以上とすることが好ましい。
【０１４７】
（磁化固定層）
磁化固定層３および磁化固定層３Ａは、第１実施形態およびその変形例（図１、図４参照）とそれぞれ同様の構成である。磁化固定層３は、障壁層２の上に設けられた磁化固定層３Ａ（ＧｄＦｅ層３１）よりも保磁力が大きくなるように、磁性層３０の材料や厚さを設計する。
【０１４８】
（保護膜）
保護膜４３Ａは第１実施形態の変形例（図４参照）と同様の構成であり、本実施形態においては、磁化固定層３Ａの上にはＧｄＦｅ層３１の保護のために設けられ、磁化固定層３の上には磁性層３０の材料に応じて設けられる。したがって、スピン注入磁化反転素子５Ｅにおいて、２つの保護膜４３Ａ，４３Ａは、材料や厚さが異なるものでもよい。
以下に、光変調素子１０Ｅを構成するスピン注入磁化反転素子５Ｅ以外の要素について説明する。
【０１４９】
（ＭｇＯ膜）
ＭｇＯ膜４２は、第２実施形態（図５（ａ）参照）と同様に、磁化自由層１（ＧｄＦｅ層１１）の保磁力を大きくするために設けられる。スピン注入磁化反転素子５Ｅにおいては、磁化自由層１が電極に接続されないので、ＭｇＯ膜４２は、磁化自由層１の下面の全体に形成することができ、ここでは磁化自由層１と同一の平面視形状に形成される。
【０１５０】
（電極）
第１電極７１および第２電極７２は、いずれも光の入出射側と反対側に設けられるので、第１実施形態（図１参照）の下部電極６等と同様に、良導体の金属電極材料を適用することができる。
【０１５１】
（絶縁層）
絶縁層８は、第３実施形態（図８参照）と同様の構成とすることが好ましい。すなわち、スピン注入磁化反転素子５Ｅ，５Ｅ間に設けられる絶縁層８は、Ｓｉ窒化物で形成されることが好ましい。また、前記したように、スピン注入磁化反転素子５Ｅにおける障壁層２，２間には、障壁層２と同じＭｇＯ膜が設けられているといえる。
【０１５２】
（基板）
基板９Ａは、第１実施形態の変形例（図４参照）と同様の構成である。
【０１５３】
（光変調素子の製造方法）
第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｅは、第３実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄ（図８および図９〜１０参照）と同様に、ＭｇＯからなる障壁層２を境に、障壁層２およびその下の磁化自由層１と、これらとは平面視形状の異なる上側の磁化固定層３，３Ａと、をそれぞれに接触する絶縁層８も含め、分けて形成することで製造することができる。以下、スピン注入磁化反転素子５Ｅを備える光変調素子１０Ｅの製造方法について、その一例を説明する。
【０１５４】
まず、ＭｇＯ膜４２、ならびにスピン注入磁化反転素子５Ｅの磁化自由層１および障壁層２を形成する。基板９Ａの表面に、Ｓｉ窒化物膜を、ＭｇＯ膜４２、およびスピン注入磁化反転素子５Ｅ（磁化自由層１〜保護膜４３Ａ）の合計の厚さに合わせて成膜する。このＳｉ窒化物膜の上に、磁化自由層１を形成する領域を空けたレジストパターンを形成し、Ｓｉ窒化物膜をエッチングして、基板９Ａを露出させる。この上から、ＭｇＯ膜４２、ＧｄＦｅ層１１、Ｇｄ膜１２、ＣｏＦｅ膜１３、障壁層２の各材料を連続して成膜して、Ｓｉ窒化物膜（絶縁層８）に形成された孔に埋め込んで、ＭｇＯ膜４２、磁化自由層１、および障壁層２を形成する。引き続いて、障壁層２の上に、Ｓｉ窒化物膜を、磁化固定層３（３Ａ）と保護膜４３Ａの合計の厚さに合わせて成膜する。そして、レジストパターンをその上の材料ごと除去する（リフトオフ）。これにより、ＭｇＯ膜４２、磁化自由層１および障壁層２が形成され、さらにその上に絶縁層８（Ｓｉ窒化物膜）が全面を被覆して形成される。
【０１５５】
次に、磁化固定層３，３Ａを片方ずつ形成する。Ｓｉ窒化物膜（絶縁層８）の上に、磁化固定層３Ａを形成する領域を空けたレジストパターンを形成する。そして、障壁層２（ＭｇＯ膜）をエッチングストッパ膜として絶縁層８（Ｓｉ窒化物膜）をエッチングして、障壁層２を露出させる。障壁層２表面を第２、第３実施形態と同様にクリーニングして、続けて、ＣｏＦｅ膜３３Ａ、Ｇｄ膜３２、ＧｄＦｅ層３１、保護膜４３Ａの各材料を連続して成膜して、絶縁層８に形成された孔に埋め込んで、障壁層２上に磁化固定層３Ａおよび保護膜４３Ａを形成する。そして、レジストパターンをその上の材料ごと除去する（リフトオフ）。同様に、磁化固定層３およびその上の保護膜４３Ａを形成する。これにより、スピン注入磁化反転素子５Ｅ、およびスピン注入磁化反転素子５Ｅ，５Ｅ間の絶縁層８が形成される。
【０１５６】
次に、第１電極７１および第２電極７２を、一般的な多層配線と同様の方法で形成する。スピン注入磁化反転素子５Ｅ（保護膜４３Ａ，４３Ａ）および絶縁層８の上に、第１電極７１を形成する領域、および第２電極７２の磁化固定層３Ａに接続する部分を形成する領域を空けたレジストパターンを形成し、この上から金属電極材料を成膜して、レジストパターンを除去する（リフトオフ）。これにより、帯状の第１電極７１、および第２電極７２の一部が形成される。この上にＳｉＯ2等の絶縁膜を堆積し、必要に応じて表面の絶縁膜を平坦化する。そして、この絶縁膜の上にレジストパターンを形成し、エッチングにて前記形成された第２電極７２上にコンタクトホールを形成する。さらに、コンタクトホールに金属電極材料を埋め込み、その上に第１電極７１と直交する第２電極７２の帯状の部分を形成して、光変調素子１０Ｅが得られる。
【０１５７】
このように、スピン注入磁化反転素子５Ｅは、第３実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄと同様に、ＧｄＦｅ層１１，３１へのダメージを抑えて形成することができる。特に、磁化自由層１がその上の障壁層２と共に平面視形状を大きく形成されていることにより、磁化固定層３，３Ａの形成の際に障壁層２がエッチングストッパ膜として好適に作用する。
【０１５８】
なお、スピン注入磁化反転素子５Ｅの磁化固定層３，３Ａは、どちらを先に形成してもよい。また、ＭｇＯ膜４２は、空間光変調器全体（基板９Ａ全面）に形成されていてもよい。この場合は、まず、基板９Ａ上に、ＭｇＯ膜４２、およびスピン注入磁化反転素子５Ｅの厚さのＳｉ窒化物膜を順次成膜し、Ｓｉ窒化物膜のみをエッチングして磁化自由層１の平面視形状の孔を形成すればよい。
【０１５９】
（空間光変調器の初期設定）
空間光変調器におけるすべての画素の光変調素子１０Ｅのスピン注入磁化反転素子５Ｅは、第１実施形態等と同様に、磁化固定層３，３Ａの磁化方向が同じ向きに固定されている必要がある。ただし、第１電極７１側の磁化固定層３と第２電極７２側の磁化固定層３Ａとでは、磁化方向が互いに逆向きに固定される（図１２参照）。そのために、まず、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３，３Ａの磁化方向を共に上向きに揃える。次に、磁化固定層３の保磁力よりは小さく、かつ磁化固定層３Ａの保磁力よりも大きな磁界を逆向きに印加して、磁化固定層３Ａの磁化方向のみを下向きにする。このように、大きさと向きを切り替えて、２回の磁界印加を行う。
【０１６０】
（磁化反転動作）
スピン注入磁化反転素子５Ｅの磁化反転動作を、図１２（ａ）、（ｂ）を参照して、光変調素子１０Ｅにて説明する。なお、図１２において、ＭｇＯ膜４２および保護膜４３Ａは図示を省略し、また、磁化自由層１は、磁化固定層３，３Ａが積層された領域とその間のみを示す。図１２（ａ）に示すように、磁化固定層３に接続した第１電極７１を「−」に、磁化固定層３Ａに接続した第２電極７２を「＋」にして、磁化方向が上向きに固定された磁化固定層３の側から電子を注入する。すると、磁化固定層３で当該磁化固定層３の磁化方向と逆の下向きのスピンを持つ電子ｄDが弁別されて、第１電極７１からは上向きのスピンを持つ電子ｄUが偏って磁化固定層３に注入され、さらに障壁層２を介して磁化自由層１に注入される。磁化自由層１においては、電子ｄUの上向きスピンによるスピントルクが作用することによって当該磁化自由層１の内部電子のスピンが反転し、磁化固定層３の直下の領域から磁化方向が上向きへ反転する。さらに、磁化自由層１に注入された電子ｄUは、磁化方向が逆の下向きに固定された磁化固定層３Ａで弁別されるために磁化自由層１に留まり易く、その結果、磁化自由層１は、磁化固定層３，３Ａが積層された領域だけでなく、これら２つの領域に挟まれた領域も含めて、磁化固定層３の磁化方向と同じ上向きの磁化方向を示す状態に変化（磁化反転）する。
【０１６１】
反対に、磁化自由層１の磁化方向を下向きに反転させるためには、前記の図１２（ａ）に示す動作とは反対に、図１２（ｂ）に示すように、第１電極７１を「＋」に、第２電極７２を「−」にして、磁化方向が下向きに固定された磁化固定層３Ａの側から電子を注入する。すると、磁化自由層１には下向きのスピンを持つ電子ｄDが偏って注入され、電子ｄDの下向きスピンによるスピントルクが作用することによって当該磁化自由層１の内部電子のスピンが反転し、磁化固定層３Ａの直下の領域から全体に磁化方向が下向きへと反転（磁化反転）する。
【０１６２】
このように、デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子であるスピン注入磁化反転素子５Ｅは、２つの磁化固定層３，３Ａが互いに反対方向の磁化に固定されていることで、磁化固定層３，３Ａのそれぞれに一対の電極７１，７２を接続して電流を供給して、磁化自由層１の全体の磁化方向を変化させる（磁化反転させる）ことができる。すなわちスピン注入磁化反転素子５Ｅは、通常の（シングルピン構造の）スピン注入磁化反転素子５（図３参照）等と同様に、一対の電極で磁化反転させることができる。なお、磁化自由層１の、磁化固定層３，３Ａの外側へ張り出して形成された部分（図１２においては省略）は、電流経路が形成されないので、磁化反転せず、初期設定により磁化固定層３Ａと同じ下向きの磁化方向を維持する。
【０１６３】
（光変調動作）
スピン注入磁化反転素子５Ｅは、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５（図３参照）等と同様に磁化自由層１が磁化反転するので、旋光角−θk，＋θkで光変調動作をする。ただし、本実施形態においては、第１実施形態の変形例（図４参照）等と同様に、磁化自由層１が設けられた下側から光を入射させる。
【０１６４】
（変形例）
第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｅは、Ｇｄ−Ｆｅ合金を適用した磁化固定層３Ａと磁化自由層１の両方について、下にＭｇＯ膜（障壁層２、ＭｇＯ膜４２）を設けてＧｄ−Ｆｅ合金（ＧｄＦｅ層３１，１１）の保磁力を増大させているが、ＭｇＯ膜４２を設けない構成にしてもよい。この場合、スピン注入磁化反転素子５Ｅは、最下層に下地金属膜４１Ａ（図４参照）を備えることが好ましい。このような構成では、スピン注入磁化反転素子５Ｅは、磁化自由層１（１Ａ）の保磁力が減少して磁化固定層３Ａとの差が大きくなることにより、磁化反転動作が安定する。
【０１６５】
また、スピン注入磁化反転素子５Ｅは、磁化固定層の一方（磁化固定層３Ａ）にＧｄ−Ｆｅ合金（ＧｄＦｅ層３１）が適用され、磁化自由層１（ＧｄＦｅ層１１）と材料を共通化されているが、これに限られず、２つの磁化固定層の両方にＧｄ−Ｆｅ合金以外の垂直磁気異方性材料を適用することができる。このとき、２つの磁化固定層の保磁力が互いに異なるように材料を選択する。あるいは、一方の磁化固定層に交換結合膜を積層して、初期設定における１回の外部磁界印加により他方の磁化固定層と逆向きの磁化方向に固定されるようにする（図示せず）。
【０１６６】
第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｅは、図１２に示すように、常に、磁化自由層１の磁化方向が磁化固定層３，３Ａの一方と平行で他方と反平行である。そのため、光変調素子１０Ｅは、電極７１，７２間の抵抗が実質的に変化せず（特許文献７参照）、前記抵抗に基づく書込みエラー検出を行うことが困難である。そこで、スピン注入磁化反転素子５Ｅについて、磁化固定層３ＡをＧｄＦｅ層３１のみからなる磁化固定層３Ｃ（図６参照）に置き換えてもよい（図示せず）。このような構成により、磁化自由層１／障壁層２／磁化固定層３ＣのＭＲ比（抵抗変化率）が、障壁層２の両面側にＣｏＦｅ層１３，３３を備える磁化自由層１／障壁層２／磁化固定層３よりも低くなる。その結果、磁化自由層１／障壁層２／磁化固定層３Ｃと磁化自由層１／障壁層２／磁化固定層３との２つのスピン注入磁化反転素子の抵抗の和である電極７１，７２間の抵抗が、磁化自由層１の磁化反転により変化する。したがって、図３（ｃ）、（ｄ）に示すスピン注入磁化反転素子５等と同様に、電極７１，７２間の抵抗により、磁化反転動作が正常に行われたかの書込みエラー検出を行うことができる。また、磁化固定層３Ｃにおいては、ＧｄＦｅ層３１が直接に障壁層２上に形成されるので、保磁力がいっそう大きくなる。
【０１６７】
あるいは、スピン注入磁化反転素子５Ｅについて、磁化固定層３Ａと磁化固定層３Ｃを備える構成としてもよい（図示せず）。前記した通り、磁化固定層３Ｃにおいては保磁力がいっそう大きくなって、同じ厚さのＭｇＯ膜（障壁層２）上の、さらに同一組成のＧｄＦｅ層３１であっても、磁化固定層３Ａとの差が得られる。そして、磁化自由層１／障壁層２／磁化固定層３Ｃの方がＭＲ比が低いので、磁化反転により電極７１，７２間の抵抗が変化する。さらに、磁化固定層３Ａ，３Ｃおよび磁化自由層１の３つの磁性層のすべてにＧｄ−Ｆｅ合金を適用することができる。
【０１６８】
スピン注入磁化反転素子５Ｅを備える光変調素子１０Ｅは、第３実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄ（図８参照）と同様にトランジスタを接続して、電流の消費が抑制された空間光変調器を構成することができる。具体的には、光変調素子１０Ｅを配列した基板９Ａに、ＭＯＳＦＥＴやソース線等の配線を形成されたＳｉ基板を、水酸基接合等の常温接合により貼り合わせて、第２電極７２でトランジスタのドレインに接続する（図示せず）。
【０１６９】
以上のように、本発明の第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、２つの磁化固定層および１つの磁化自由層の、保磁力の異なることを要する３つの磁性層を備えつつ、２以上の磁性層についてＧｄ−Ｆｅ合金を適用することができるので、生産性がよく、また、Ｇｄ−Ｆｅ合金を適用した磁化自由層と磁化固定層の保磁力がそれぞれ大きく、安定した動作とすることができる。
【０１７０】
〔第５実施形態〕
第４実施形態の並設デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子に限られず、磁化自由層の上下両面のそれぞれに中間層または障壁層を介して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（特許文献４，５参照）においても、ＭｇＯ膜上にＧｄ−Ｆｅからなる層を設けて、同様の効果が得られる。以下、第５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磁気抵抗効果素子について説明する。第１〜第４実施形態（図１〜１２参照）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。
【０１７１】
本発明の第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｆは、図１３に示すように、下から磁化固定層３Ｃ、中間層２Ａ、磁化自由層１Ａ、障壁層２、磁化固定層３Ａの順に積層された構成であり、さらに、最上層に保護膜４３Ａを備える。本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｆは、ＭｇＯ膜４２の上に直接に設けられ、さらに一対の電極である下部電極６Ｆと上部電極７Ａに接続されて、磁気抵抗効果素子１０Ｆを構成する。磁気抵抗効果素子１０Ｆは、磁気抵抗効果素子１０Ｄ（図８参照）と同様に選択トランジスタ型のＭＲＡＭのメモリセルとして、下部電極６Ｆを経由してトランジスタ（図示省略）に接続される。また、このように、磁気抵抗効果素子１０Ｆにおいては、第２実施形態の変形例（図６参照）と同様に、スピン注入磁化反転素子５Ｆの下面には絶縁体であるＭｇＯ膜４２が接触しているために、下部電極６Ｆには磁化固定層３Ｃ（ＧｄＦｅ層３１）が側面で接続する。
【０１７２】
磁気抵抗効果素子１０Ｆは、スピン注入磁化反転素子５Ｆの下側に同一平面視形状のＭｇＯ膜４２を備え、下部電極６Ｆを磁化固定層３Ｃの側面に接続するので、下部電極６Ｆから上のスピン注入磁化反転素子５Ｆの磁化自由層１Ａまで、詳しくはＧｄＦｅ層１１までが、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を備える光変調素子１０Ｃ（図６参照）と同じ構造である。一方、磁気抵抗効果素子１０Ｆは、ＧｄＦｅ層１１も含めて磁化自由層１Ａから上の上部電極７Ａまでが、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を備える光変調素子１０Ａ（図４参照）と同じ構造である。したがって、スピン注入磁化反転素子５Ｆは、下側の磁化固定層３ＣがＭｇＯ膜４２の上に、上側の磁化固定層３Ａが障壁層２の上に、それぞれ設けられることにより、第１、第２実施形態の各変形例と同様に保磁力が増大する。また、ＭｇＯ膜４２が障壁層２よりも厚く形成され得て、さらにその上に磁化固定層３ＣのＧｄＦｅ層３１が直接に形成されているので、それぞれのＧｄＦｅ層３１の組成や厚さが同じであっても、磁化固定層３Ｃの方が磁化固定層３Ａよりも保磁力が大きくなる。
【０１７３】
本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｆを構成する要素、ならびにＭｇＯ膜４２および絶縁層８は、第１、第２実施形態、およびそれぞれの変形例にて説明した通りである。ただし、スピン注入磁化反転素子５Ｆは、磁気抵抗効果素子１０Ｆに適用されるので、平面視サイズについては第３実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄと同様である。また、磁気抵抗効果素子１０Ｆを構成するスピン注入磁化反転素子５Ｆ以外の要素も、第３実施形態と同様である。なお、下部電極６Ｆは、トランジスタ（図示省略）のドレインに接続するように形成されていること以外は第２実施形態の変形例における下部電極６Ｃと同様に、第１層６１と第２層６２からなり、上面で開口した穴が形成されている。
【０１７４】
（磁気抵抗効果素子の製造方法）
第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｆを備える磁気抵抗効果素子１０Ｆは、第３実施形態の磁気抵抗効果素子１０Ｄと同様に、ＭＯＳＦＥＴを形成したＳｉ基板（図示省略）上にソース線等の配線を形成し、その後に、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（図７参照）と同様にスピン注入磁化反転素子５Ｆを形成して製造することができる。詳しくは、ＭＯＳＦＥＴを形成したＳｉ基板上に、このＭＯＳＦＥＴと電気的に接続するソース線、ワード線、および穴が形成されていない状態の下部電極６Ｆ、ならびにこれらの配線同士の間を埋める絶縁層８を形成して、表面に下部電極６Ｆの第２層６２を露出させ、また、下部電極６Ｆ（第２層６２）のない領域を絶縁層８で埋める。この状態が図７（ａ）に相当し、この第２層６２および絶縁層８の上に、Ｓｉ窒化物膜をスピン注入磁化反転素子５Ｆの上面（保護膜４３Ａ）の高さ位置に合わせた厚さに成膜する。以降、第２実施形態の変形例と同様に、Ｓｉ窒化物膜および第２層６２をエッチングして孔を形成し、ＭｇＯ膜４２およびスピン注入磁化反転素子５Ｆを埋め込んで形成する（図７（ｂ）〜（ｄ）参照）。さらに、上部電極７Ａを形成して、磁気抵抗効果素子１０Ｆが得られる。
【０１７５】
（ＭＲＡＭの初期設定）
ＭＲＡＭにおけるすべてのメモリセルの磁気抵抗効果素子１０Ｆについて、第４実施形態と同様に、スピン注入磁化反転素子５Ｆの２つの磁化固定層３Ｃ，３Ａの磁化方向を互いに逆向きに固定するために、大きさと向きを切り替えて、２回の磁界印加を行う。
【０１７６】
（磁化反転動作）
スピン注入磁化反転素子５Ｆの磁化反転動作は、第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｅと同様である（図１２（ａ）、（ｂ）参照）。例えば下側の磁化固定層３Ｃの磁化方向が上向き、上側の磁化固定層３Ａの磁化方向が下向きに固定されている場合は、上部電極７Ａを「＋」に、下部電極６Ｆを「−」にして、磁化固定層３Ｃの側から電子を注入すると、磁化固定層３Ｃと同じ上向きに、磁化自由層１Ａの磁化方向が反転する。
【０１７７】
（抵抗変化）
スピン注入磁化反転素子５Ｆは、磁化固定層３Ｃ／中間層２Ａ／磁化自由層１Ａの３層からなるＣＰＰ−ＧＭＲ素子と、磁化自由層１Ａ／障壁層２／磁化固定層３Ａの３層からなるＴＭＲ素子と、を磁化自由層１Ａで接続して備えるデュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子である。ＴＭＲ素子の方がＣＰＰ−ＧＭＲ素子よりもＭＲ比が高いため、磁気抵抗効果素子１０Ｆは、磁化自由層１Ａの磁化反転により、電極６Ｆ，７Ａ間の抵抗が変化する。
【０１７８】
（変形例）
スピン注入磁化反転素子５Ｆは、ＭｇＯからなる障壁層２と非磁性金属からなる中間層２Ａとを備えるデュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子とすることにより、磁化反転で電極６Ｆ，７Ａ間の抵抗が変化するが、中間層２Ａを障壁層２に置き換えて２つの障壁層２，２を備える構成にしてもよい（図示せず）。このように、磁化自由層１Ａ（１）の下にもＭｇＯからなる障壁層２が設けられることにより、磁化自由層１の保磁力が増大する。また、この場合には、第４実施形態の変形例にて説明したように、上下いずれかの障壁層２について、界面のＣｏＦｅ膜１３，３１の少なくとも一方を設けないことで、２つのＴＭＲ素子のＭＲ比に差を生じて、電極６Ｆ，７Ａ間の抵抗が変化する。また、スピン注入磁化反転素子５Ｆは、一方の磁化固定層について、Ｇｄ−Ｆｅ合金（ＧｄＦｅ層３１）以外の垂直磁気異方性材料（磁性層３０）を適用してもよい。例えば下側の磁化固定層（図１３における磁化固定層３Ｃ）に磁性層３０を適用した場合は、ＭｇＯ膜４２が不要になり、下部電極６Ｆ（６Ｄ）上に、下地金属膜４１（図１参照）を介してスピン注入磁化反転素子５Ｆを設けることができる（図示せず）。
【０１７９】
以上のように、本発明の第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、第４実施形態と同様に、２つの磁化固定層および１つの磁化自由層の、保磁力の異なることを要する３つの磁性層を備えつつ、２以上の磁性層についてＧｄ−Ｆｅ合金を適用することができるので、生産性がよく、また、Ｇｄ−Ｆｅ合金を適用した磁化固定層の保磁力が大きく、安定した動作とすることができる。
【０１８０】
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】
【０１８１】
本発明に係るスピン注入磁化反転素子について、Ｇｄ−Ｆｅ合金からなる層（ＧｄＦｅ層）をＭｇＯ膜上に成膜した場合の保磁力への効果を確認するために、ＭｇＯ膜を中間層（障壁層）とするＴＭＲ素子を模擬したサンプルを作製して、ＧｄＦｅ層の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および表２に示すように、下部電極を形成した上に、下地金属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。
【０１８２】
Ｎｏ．１，２，３，４は、障壁層（ＭｇＯ膜）の下にＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金からなる層（ＴｂＦｅＣｏ層）を備えた磁化固定層を設けて、磁化自由層としてのＧｄＦｅ層の保磁力を測定するためのサンプルであり、それぞれＭｇＯ膜の厚さを１．５ｎｍ、２．０ｎｍ、５．０ｎｍ、１０ｎｍとした。Ｎｏ．５は、障壁層の上下（表２では、下を磁化自由層、上を磁化固定層として示す。）に同じ厚さのＧｄＦｅ層を備え、それぞれの保磁力を測定するためのサンプルである。ＧｄＦｅ層の組成は、Ｇｄ：２０ａｔ％、Ｆｅ：８０ａｔ％とした。また、ＭｇＯ膜以外の絶縁膜上にＧｄＦｅ層を成膜した比較例として、厚さ９．０ｎｍのＧｄＦｅ層を、熱酸化Ｓｉ基板に直接に成膜したサンプルを作成した。
【０１８３】
また、熱酸化Ｓｉ基板に、厚さ５ｎｍのＭｇＯ膜を成膜し、その上に組成がＧｄ：２５ａｔ％、Ｆｅ：７５ａｔ％の厚さ９ｎｍのＧｄＦｅ層を成膜したサンプルを作製した。また、比較例として、ＭｇＯ膜を厚さ３ｎｍのＲｕ膜に替えたサンプルを作製した。これらのサンプルについて、ＴＭＲ素子のサンプル等と同様に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。
【０１８４】
【表１】
2015173186.tif 000003
【０１８５】
【表２】
2015173186.tif 000004
【０１８６】
作製したＴＭＲ素子のサンプルのＮｏ．１〜５、およびＧｄＦｅ層単層の各サンプルについて、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、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。
【０１８７】
Ｎｏ．１，２，３，４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１４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す。同様に、Ｎｏ．５の磁化曲線を図１５に示す。また、熱酸化Ｓｉ基板にＧｄＦｅ層を成膜したサンプルの磁化曲線を図１６に示す。ＧｄＦｅ層の下地にＭｇＯ膜を備えたサンプルの磁化曲線を図１７（ａ）に、下地にＲｕ膜を備えたサンプルの磁化曲線を図１７（ｂ）に、それぞれ示す。
【０１８８】
磁化曲線から、偏光の向きが変化したときの正負それぞれの印加磁界Ｈの絶対値の平均を保磁力Ｈcとした。Ｎｏ．１〜４の各磁化自由層、およびＮｏ．５の磁化固定層の保磁力Ｈcを、Ｇｄ20Ｆｅ80の保磁力ＨcのＭｇＯ膜厚依存性のグラフとして、図１８（ａ）に示す。また、図１８（ａ）において、Ｎｏ．５の磁化自由層（Ｒｕ膜上のＧｄＦｅ層）の保磁力Ｈcを、ＭｇＯ膜厚０ｎｍとして示す。同様に、Ｒｕ膜およびＭｇＯ膜を下地に備えたＧｄＦｅ層（単層）の保磁力Ｈcを、Ｇｄ25Ｆｅ75の保磁力ＨcのＭｇＯ膜厚依存性のグラフとして、図１８（ｂ）に示す。
【０１８９】
図１４、図１５、および図１８（ａ）に示すように、下地にＭｇＯ膜を設け、さらにその膜厚を厚くすると、ＧｄＦｅ層を備えた磁化自由層または磁化固定層の保磁力が増大した。特に、図１５に示すＮｏ．５のように、同一の積層構造であっても、Ｒｕ膜上とＭｇＯ膜とで、保磁力が明らかに相違した。ただし、ＭｇＯ膜の厚さが１０ｎｍになると、ＭｇＯ膜を設けない状態（厚さ０ｎｍ）に近い保磁力に低下した。また、図１６に示すように、熱酸化Ｓｉ基板すなわちＳｉＯ2上に成膜したＧｄＦｅ層については、保磁力が、Ｒｕ膜上のもの（Ｎｏ．５の磁化自由層）と有意差が見られなかった。
【０１９０】
図１７、および図１８（ｂ）に示すように、組成を変えたＧｄＦｅ層についても、下地にＭｇＯ膜を設けることにより、保磁力が増大した。
【符号の説明】
【０１９１】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｅ  光変調素子
１０Ｄ，１０Ｆ  磁気抵抗効果素子
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  磁化自由層
１１    ＧｄＦｅ層（Ｇｄ−Ｆｅからなる層）
１２    Ｇｄ膜
１３    ＣｏＦｅ膜（磁性金属膜）
２      障壁層（中間層、ＭｇＯ膜）
２Ａ    中間層
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ  磁化固定層
３０    磁性層
３１    ＧｄＦｅ層（Ｇｄ−Ｆｅからなる層）
３２    Ｇｄ膜
３３，３３Ａ  ＣｏＦｅ膜（磁性金属膜）
４１，４１Ａ  下地金属膜
４２    ＭｇＯ膜
４３，４３Ａ  保護膜
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ，５Ｆ  スピン注入磁化反転素子
６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ，６Ｆ  下部電極
７，７Ａ  上部電極
８，８Ｂ  絶縁層
９，９Ａ  基板
【図１】
2015173186.tif 000005
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2015173186.tif 000020
【図１７】
2015173186.tif 000021
【図１８】
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