(57)【要約】【課題】スイッチング電流を低減できる磁気抵抗効果素子及び空間光変調器を提供すること。【解決手段】磁気抵抗効果素子１２０は、バックプレーン１１０上に形成された電極１２１及び電極１２７と、電極１２１と電極１２７とを絶縁するよう各電極の周囲に形成された絶縁体層１４１，１４２，１４３と、電極１２１の上に形成された磁化固定層１２２と、電極１２７の上に形成された磁化固定層１２６と、磁化固定層１２２の上に形成された中間層１２３と、磁化固定層１２６の上に形成された中間層１２５と、中間層１２３及び中間層１２５の上に形成された光変調層１２４と、を備え、磁化固定層１２２の磁化の向きと磁化固定層１２６の磁化の向きとは互いに反平行であり、光変調層１２４に入射した光を磁気抵抗効果により変調するものであり、光変調層１２４に対向して絶縁体層１４３を介して電界印加用電極１５０を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された第１電極及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極とを絶縁するよう各電極の周囲に形成された絶縁体層と、
前記第１電極の上に形成された第１磁化固定層と、
前記第２電極の上に形成された第２磁化固定層と、
前記第１磁化固定層の上に形成された第１中間層と、
前記第２磁化固定層の上に形成された第２中間層と、
前記第１中間層及び前記第２中間層の上に形成された磁化自由層と、を備え、前記第１磁化固定層の磁化の向きと前記第２磁化固定層の磁化の向きとは互いに反平行であり、前記磁化自由層に入射した光を磁気抵抗効果により変調する磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化自由層に対向して前記絶縁体層を介して電界印加用電極を備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記電界印加用電極は、前記磁化自由層の上に配設され、
前記絶縁体層は、少なくとも前記磁化自由層上に積層された部分の絶縁体材料が高誘電率の材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記磁化自由層は、多層膜からなり、そのうちの少なくとも１層はＧｄを含む膜であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記電界印加用電極は透光性材料で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記磁化自由層に対向して前記絶縁体層を介して２つの前記電界印加用電極を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載した磁気抵抗効果素子を、前記基板であって選択スイッチング回路を有するバックプレーンの上に２次元アレイ状に配置し、前記磁化自由層側から偏光を入射し、その反射光又は回折光を利用することを特徴とする空間光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気カー効果によるカー回転角を２値状態に変調できる磁気光学効果を利用した空間光変調器（Spatial Light Modulator：ＳＬＭ）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、ホログラフィ等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等の分野で広く利用されている。また、２次元で並列に光情報を処理することができるため、光情報処理技術等への応用も研究されている。
近年では、磁気光学効果（Magneto-optical effect）を利用した空間光変調器（以下、適宜ＳＬＭともいう）において、磁気抵抗効果（Magneto Resistive effect）素子に電流を供給することでスピンを注入するスピン注入型ＳＬＭ（例えば、特許文献１）や、磁壁を駆動する磁壁駆動型ＳＬＭ（例えば、特許文献２参照）が知られている。
【０００３】
特許文献１に開示されたスピン注入型ＳＬＭの場合、図１７に示すように、例えば、反射型の空間光変調器５００が、基板５１０上に設けられた平面視矩形の磁気抵抗効果素子と、上下に一対の電極とを備えている。この磁気抵抗効果素子は、例えば磁化固定層５３０と、中間層５４０と、光変調層（磁化自由層）５５０とを備えている。基板上に２次元アレイ状に配置された各磁気抵抗効果素子は、画素として機能する。隣接する磁気抵抗効果素子の間には絶縁体５８０が介在している。なお、磁化固定層や光変調層等の磁性膜において、磁化の向きを見易くするため、断面のハッチングを省略している。他の図面においても同様な趣旨で一部のハッチングを省略している。
【０００４】
ここで、上部電極は、直線状の金属電極５７０に、並べられた磁気抵抗効果素子に対向した位置にそれぞれ設けられた窓５７１を備え、窓５７１は光を透過させるためにＩＺＯやＩＴＯなどの透明電極５６０で構成されている。なお、透明電極５６０についてはハッチングを省略している。下部電極５２０は、直線状の金属電極であって上部電極に直交して配置されている。上下電極間の磁気抵抗効果素子に電流源５９０から電流を供給すると、スピンが注入されて光変調層５５０の磁化方向が反転する。
【０００５】
この空間光変調器５００は、磁気カー効果により光変調層５５０の磁化の向きに応じて、出射光の偏光状態を２値（例えば、光変調層５５０と磁化固定層５３０からの反射光の初期カー回転角をαとし、光変調層５５０のカー回転角をθk1とすると、（θk1＋α）と（−θk1＋α）の２値）に変調することができる。このような空間光変調器５００においては、入射偏光側と出射偏光側にそれぞれ偏光子（入射偏光手段２０２、出射偏光手段２０３）を設け、これら偏光子の偏光面を互いに所定角度に設定したクロスニコル配置とする。
【０００６】
図１７に示すように、レーザ等の光源２０１から照射された光は、様々な偏光成分を含んでいるが、入射偏光手段２０２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。そして、入射偏光手段２０２を通過したレーザ光は、光変調層５５０の磁化の向きにより偏光面が回転する。例えば、光変調層５５０の磁化の向きが下向きであるときに反射したレーザ光の偏光面が、光変調によって、図１７のように例えば時計回りにθk1だけ（＋θk1）回転する場合は、この反射光は出射偏光手段２０３を通過するので「明状態」となる。一方、光変調層５５０の磁化の向きが上向きであるときに反射したレーザ光の偏光面が、光変調によって、図１７のように例えば反時計回りにθk1（−θk1）だけ回転する場合は、この反射光は出射偏光手段２０３を通過しないので「暗状態」となる。
【０００７】
特許文献２に開示された磁壁駆動型ＳＬＭの場合、図１８に示すように、例えば、反射型の空間光変調器６００が、基板６１０上に設けられた平面視で細長い形状の磁壁制御層（光変調層）６３０と、上下に一対の電極とを備えている。磁壁制御層６３０は、一方の端部の磁化の向きと、その中央部の磁化の向きとが互いに反平行となるように磁化が固定されている。基板上に２次元アレイ状に配置された各磁壁制御層６３０は、画素として機能する。隣接する磁壁制御層６３０の間には絶縁体６５０が介在している。ここで、上部電極６４０と下部電極６２０とは直交して配置されている。つまり、図１８は４５度の斜め方向の断面図である。磁壁制御層６３０は、各端部が上下の電極にそれぞれ接続されるように斜め方向に配置されており、しかも平面視で細長い形状なので、上からの光は上部電極６４０をほとんど介することなく磁壁制御層６３０に到達する。そのため、直線状の上部電極６４０には透明電極材料が不要であり、Ｃｕ等の通常の電極材料だけで構成されている。そして、下部電極６２０と上部電極６４０との間の磁壁制御層６３０に電流源６６０から電流を供給すると、磁壁制御層６３０の一方の端部と中央部との間に生じた磁壁６３１が他方の端部側に駆動し、磁壁制御層６３０の中央部の磁化方向が反転する。
【０００８】
この空間光変調器６００は、磁気カー効果により磁壁制御層６３０の磁化の向きに応じて出射光（出射偏光）の偏光状態を、例えば（θk2＋α）と（−θk2＋α）の２値に変調することができる。この空間光変調器６００においても、入射偏光手段２０２と出射偏光手段２０３の偏光面を互いに所定角度に設定したクロスニコル配置とする。そして、光源２０１からレーザ光を照射したときに、磁壁制御層６３０の中央部の磁化の向きに応じて、レーザ光の偏光面が、光変調によって、＋θk1だけ回転する場合、明状態となり、一方、−θk2だけ回転する場合、暗状態となる。
【０００９】
ただし、図１８に示す空間光変調器６００においては、磁壁制御層６３０の端部の磁化の向きが、その中央部の磁化の向きと反平行であるため、画素（磁壁制御層６３０）の開口率が低下してしまう。そこで、これまでに、本願発明者らは、スピン注入型ＳＬＭを改良して所望の画素の開口率を増大させることのできるＳＬＭを提案している（特許文献３参照）。このＳＬＭにおいて、基板上に２次元アレイ状に配置された各磁気抵抗効果素子は、画素として機能する。
【００１０】
そして、特許文献３に開示された磁気抵抗効果素子は、基板上に形成された第１電極及び第２電極と、前記第１電極と前記第２電極とを絶縁するよう各電極の周囲に形成された絶縁体層と、前記第１電極の上に形成された第１磁化固定層と、前記第２電極の上に形成された第２磁化固定層と、前記第１磁化固定層の上に形成された第１中間層と、前記第２磁化固定層の上に形成された第２中間層と、前記第１中間層及び前記第２中間層の上に形成された磁化自由層（光変調層）と、を備えている。この磁気抵抗効果素子では、前記磁化自由層に入射した光を磁気光学効果（カー効果）により変調する。つまり、磁気抵抗効果素子に対して、基板とは反対側から入射する光は、電極を介さずに磁化自由層へ到達して回折するので、画素の開口率を増大させることができる。この磁気抵抗効果素子では、前記第１磁化固定層の磁化の向きと前記第２磁化固定層の磁化の向きとは互いに反平行であるため、一種の二重スピン注入方式となり、スピントルクが２倍となる。そのため、スピン注入の効率が向上する。
【００１１】
なお、従来、電界印加による極薄磁性膜の保磁力制御については、以下のように報告されている（特許文献４又は非特許文献１、２参照）。この報告では、磁性層（磁化自由層）と絶縁体層との界面に電荷が蓄積されるために、磁性層の電子状態が変化し、結果として磁性層の保磁力に変化が生じるとされている。例えば、特許文献４には、ある一定の外部アシスト磁場下のもとで、電圧による保磁力変化を用いた磁化反転制御が可能であることが記載されている。ただし、保磁力変化は一時的なものであって、その電圧を取り除くと、磁化の向きが元の状態に戻ってしまうため、そのままでは、磁気メモリ等の２値の状態間の安定なスイッチングに利用することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第４８２９８５０号公報
【特許文献２】特開２０１０−０２０１１４号公報
【特許文献３】特開２０１２−７８５７９号公報
【特許文献４】国際公開第２００９／１３３６５０号
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】T. Maruyama, Y. Shiota, T. Nozaki, K. Ohta, N. Toda, M. Mizuguchi, T. Shinjo, M. Shiraishi, S. Mizukami, Y. Ando, and Y. Suzuki: Nat. Nanotechnol. 4 (2009) 158.
【非特許文献２】D. Chiba, M. Kawaguchi, S. Fukami, N. Ishiwata, K. Shimamura, K. Kobayashi and T. Ono: Nat. Commun. 3 (2012) 888.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本願発明者らは、ＳＬＭを微細化して例えばホログラフィ立体像を表示するために、スピン注入型等のＳＬＭをこれまで提案してきた。スピン注入型ＳＬＭには、画素ピッチを狭くするための技術にさらなる改良の余地があった。そして、例えば特許文献３に記載された二重スピン注入型ＳＬＭにおいて、目的の画素（二重スピン注入型の磁気抵抗効果素子）を選択的にスイッチングするためには、例えばシリコン基板上に電界効果トランジスタ（Field effect transistor：ＦＥＴ）等の駆動回路を備えたバックプレーン等により、漏れ電流を防止する必要がある。
【００１５】
しかしながら、特許文献１又は特許文献３に記載されたスピン注入型ＳＬＭでは、いずれも磁化反転電流が高いために動作に要する電流が大きくなる。つまり、スイッチング電流が大きい。そのため、画素毎に形成されたＭＯＳ−ＦＥＴ等を微細化して画素ピッチを狭くすることが困難であった。その理由は、ＭＯＳ−ＦＥＴに流すドレイン電流の大きさは、ゲート長をＬ、ゲート幅をＷとすると、Ｗ／Ｌに比例するため、電流を大きくするにはゲート幅Ｗを大きくする必要があるからである。したがって、画素ピッチを微細化するためには、スピン注入型ＳＬＭのスイッチング電流をいっそう低減する必要があった。
【００１６】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、スイッチング電流を低減できる磁気抵抗効果素子及び空間光変調器を提供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、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、基板上に形成された第１電極及び第２電極と、前記第１電極と前記第２電極とを絶縁するよう各電極の周囲に形成された絶縁体層と、前記第１電極の上に形成された第１磁化固定層と、前記第２電極の上に形成された第２磁化固定層と、前記第１磁化固定層の上に形成された第１中間層と、前記第２磁化固定層の上に形成された第２中間層と、前記第１中間層及び前記第２中間層の上に形成された磁化自由層と、を備え、前記第１磁化固定層の磁化の向きと前記第２磁化固定層の磁化の向きとは互いに反平行であり、前記磁化自由層に入射した光を磁気抵抗効果により変調する磁気抵抗効果素子であって、前記磁化自由層に対向して前記絶縁体層を介して電界印加用電極を備えることを特徴とする。
【００１８】
かかる構成によれば、磁気抵抗効果素子は、スピンを注入するための第１電極及び第２電極の他に、磁化自由層（光変調層）に対向して絶縁体層を介して電界印加用電極を備えている。これにより、磁気抵抗効果素子のスピン注入磁化反転中に、電界印加用電極から磁化自由層に電界を印加することができる。磁化自由層に電界が印加されることで、磁化自由層と電界印加用電極との間に介在する絶縁体層の領域と、磁化自由層と、の界面に電荷が蓄積されるため、磁化自由層の電子状態が変化し、結果として磁化自由層の保磁力に変化が生じる。このように電界を印加することで、磁化自由層の保磁力が一時的に減衰するので、低い電流密度でスピン注入磁化反転させることができる。したがって、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、スイッチングに必要な電流を低減できる。
【００１９】
また、前記課題を解決するために、本発明に係る空間光変調器は、前記磁気抵抗効果素子を、選択スイッチング回路を有するバックプレーンの上に２次元アレイ状に配置し、前記磁化自由層側から偏光を入射し、その反射光又は回折光を利用することを特徴とする。
【００２０】
かかる構成によれば、空間光変調器は、バックプレーン上で選択した磁気抵抗効果素子のスピン注入磁化反転中に、電界印加用電極から磁化自由層（光変調層）に電界を印加することができるので、スイッチング電流を低減できる。したがって、微細な画素ピッチを有する電気アドレス式のＳＬＭを形成することができる。そのため、立体像を視認できる角度（視域角）の広い（３０度以上の）立体ホログラフィを提供できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の磁気抵抗効果素子は、電界印加用電極を備えるので、複数の磁気抵抗効果素子を並べて配設するピッチを狭くすることができる。
また、本発明の空間光変調器は、複数の磁気抵抗効果素子を画素として２次元状に並べて配設することで画素ピッチを従来の構成よりも狭くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る空間光変調器を模式的に示す平面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る空間光変調器を模式的に示す回路図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る空間光変調器を模式的に示す断面図である。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｄ）は、本発明の第１実施形態に係る空間光変調素子における光変調動作の説明図である。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｄ）は、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の作製手順を模式的に示す断面図（その１）である。
【図７】図７（ａ）〜図７（ｄ）は、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の作製手順を模式的に示す断面図（その２）である。
【図８】図８（ａ）〜図８（ｄ）は、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の作製手順を模式的に示す断面図（その３）である。
【図９】図９（ａ）〜図９（ｄ）は、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の作製手順を模式的に示す断面図（その４）である。
【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｄ）は、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の作製手順を模式的に示す断面図（その５）である。
【図１１】図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の作製手順を模式的に示す断面図（その６）である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る空間光変調器を模式的に示す平面図である。
【図１３】本発明の第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子を模式的に示す断面図である。
【図１４】本発明の第２実施形態に係る空間光変調器を模式的に示す回路図である。
【図１５】本発明に係る磁気抵抗効果素子を模擬した実験試料を模式的に示す断面図である。
【図１６】図１０に示す実験試料に電圧を印加したときの保磁力を示すグラフである。
【図１７】反射型の空間光変調器の第１従来例を模式的に示す断面図である。
【図１８】反射型の空間光変調器の第２従来例を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の空間光変調器について図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面で示す部材の膜厚や大きさ、位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。
【００２４】
（第１実施形態）
［空間光変調器の構成］
以下、図１〜図４を適宜参照して空間光変調器の構成について説明する。
図１に示すように、空間光変調器１００は、選択スイッチング回路を有するバックプレーン１１０と、バックプレーン１１０の上に画素として２次元アレイ状に配置された磁気抵抗効果素子１２０と、磁気抵抗効果素子１２０の周囲に設けられた絶縁体層１４０と、を備えている。この空間光変調器１００は、磁気抵抗効果素子１２０の光変調層１２４（図４参照）側から偏光を入射し、その反射光又は回折光を利用するものである。
【００２５】
ここで、図１は、バックプレーン１１０上に、一例として３×３の磁気抵抗効果素子１２０が配置された部分の模式的な平面図である。実用的には、バックプレーン１１０上に、画素選択手段１６１，１６２，１６３，１６４が配置される。図２は、バックプレーン１１０のＭＯＳ−ＦＥＴ上に形成したＳＬＭの等価回路図であり、図４は光照射機構を含めた場合の模式的な断面図であり、図３は、主として１画素（磁気抵抗効果素子１２０）に対応したバックプレーン１１０の模式的な断面図である。なお、図１のバックプレーン１１０上に、書込み／読出し電源１７０と、電圧印加用電源１８０と、電気抵抗検出手段１９０と、のうちの少なくとも１つを搭載してもよい。
【００２６】
バックプレーン１１０としては、画素選択回路として機能するＭＯＳ−ＦＥＴ等のシリコンバックプレーンのほか、熱酸化膜付きのＳｉ基板、ＳｉＯ2基板、ＭｇＯ基板、サファイア基板などを用いることもできる。ただし、画素選択回路がない場合、画素のスイッチング電流が他の画素に漏れてしまい、目的の画素を確実に駆動（反転）することができなくなるので、基板には画素選択回路付基板を用いることが望ましい。
【００２７】
本実施形態では、バックプレーン１１０は、図３に示すように、基板１１１と、第１給電配線１１２と、第２給電配線１１３と、絶縁体層１１４と、画素選択信号線１１５と、第１接合配線１１６と、第２接合配線１１７と、第３接合配線１１８と、を備えることとした。
【００２８】
基板１１１は、各配線層を形成するために設けられている。基板１１１の材料としては、公知の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。本実施形態では、一例として、Ｓｉ基板の表層にＭＯＳ−ＦＥＴ（ソースＳ、ドレインＤ、ゲートＧ）が形成された基板を用いた。なお、従来公知の画素選択スイッチング回路のように、隣り合う２つのＭＯＳ−ＦＥＴにおいて１つのソース領域が共有されるように、各ＭＯＳ−ＦＥＴが配列される。
【００２９】
基板１１１の上に設けられる各配線層の材料としては、一般的な電極材料を適用でき。具体的には、例えば、導電性のよいＣｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，Ｃｒ等の金属やその合金を挙げることができる。一例としては、各配線層の材料に、Ｃｕを用いることが好適である。各配線層の形成方法としては、例えばスパッタリング法等の公知の方法により電極材料を成膜し、フォトリソグラフィ工程と、エッチング又はリフトオフ法等の工程とを用いることができる。
【００３０】
第１給電配線１１２は、図１に示すバックプレーン１１０上の画素アレイの行毎に、当該行方向に延設された直線状の配線である。第１給電配線１１２は、図３に示すように、深さ方向において、画素毎に第３接合配線１１８を介してＭＯＳ−ＦＥＴのソースＳ側と接続されている。
【００３１】
第２給電配線１１３は、図１に示すバックプレーン１１０上の画素アレイの行毎に、当該行方向に延設された直線状の配線である。第２給電配線１１３は、図３に示すように、深さ方向において、画素毎に第２接合配線１１７を介して磁気抵抗効果素子１２０の第２電極１２７と接続されている。
【００３２】
絶縁体層１１４は、第１給電配線１１２と、第２給電配線１１３と、画素選択信号線１１５と、第１接合配線１１６と、第２接合配線１１７と、第３接合配線１１８等とを絶縁するために各配線の周囲に形成されている。
【００３３】
画素選択信号線１１５は、図１に示すバックプレーン１１０上の画素アレイの列毎に、当該列方向に延設された直線状の配線である。画素選択信号線１１５は、図３に示すように、画素毎にＭＯＳ−ＦＥＴのゲートＧとして機能する。
【００３４】
第１接合配線１１６は、図３に示すように、画素毎に設けられ、ＭＯＳ−ＦＥＴのドレインＤ側と、磁気抵抗効果素子１２０の第１電極１２１とを接続する配線である。つまり、磁気抵抗効果素子１２０の第１電極１２１は、バックプレーン１１０の対応するＭＯＳ−ＦＥＴのドレインＤと接続され、ソースＳを介して第１給電配線１１２に接続されている（図１及び図２参照）。一方、磁気抵抗効果素子１２０の第２電極１２７は、第２給電配線１１３に接続されている（図１及び図２参照）。なお、図２では、磁気抵抗効果素子１２０（画素）を可変抵抗の記号で示している。
【００３５】
磁気抵抗効果素子１２０（画素）は、図３及び図４に示すように、第１電極１２１と、第１磁化固定層１２２と、第１中間層１２３と、光変調層（磁化自由層）１２４と、第２中間層１２５と、第２磁化固定層１２６と、第２電極１２７と、絶縁体層１４０と、電界印加用電極１５０と、を備えている。磁気抵抗効果素子１２０は、光変調層１２４に入射した光を磁気抵抗効果により変調するものである。なお、以下では、絶縁体層１４０を、バックプレーン１１０側から順に、第１絶縁体層１４１、第２絶縁体層１４２、及び第３絶縁体層１４３の３つの層に区別して説明するが、同じ材料で一体的に形成してもよいし、互いに異なる材料で形成してもよい。以下、特に区別しない場合、絶縁体層１４０と表記する。
【００３６】
図３に示すように、第１電極１２１及び第２電極１２７は、バックプレーン１１０上に形成されている。これら第１電極１２１と第２電極１２７とを絶縁するように絶縁体層１４０が各電極の周囲に形成されている。
第１磁化固定層１２２は、第１電極１２１の上に形成され、第２磁化固定層１２６は、第２電極１２７の上に形成されている。これら第１磁化固定層１２２の磁化の向きと第２磁化固定層１２６の磁化の向きとは互いに反平行である。
第１中間層１２３は、第１磁化固定層１２２の上に形成され、第２中間層１２５は、第２磁化固定層１２６の上に形成されている。
光変調層１２４は、第１中間層１２３及び第２中間層１２５の上に形成されている。
【００３７】
電界印加用電極１５０は、光変調層１２４に対向して絶縁体層１４０を介して設けられている。本実施形態では、電界印加用電極１５０は、光変調層１２４の上に配設されるものとした。また、絶縁体層１４０は、少なくとも光変調層１２４上に積層された部分の絶縁体材料が高誘電率の材料で形成されていることとした。つまり、第３絶縁体層１４３が高誘電率の材料で形成されている。
【００３８】
第３絶縁体層１４３を高誘電率の材料で形成することで、光変調層１２４と電界印加用電極１５０との間に介在する絶縁体層の領域と光変調層１２４との界面に生じる電荷を増大させることができるため、光変調層１２４の電子状態を大きく変化させ、保磁力の変化を増大することができる。こうして光変調層１２４の保磁力をいっそう減衰させ、スピン注入磁化反転の反転電流をいっそう低減させることができる。なお、保磁力変化については、後記するように、電界印加用電極を有した磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子４００）において確認した。また、このように、第３絶縁体層１４３の材料を誘電率の高い材料にすれば、他の条件を変えない場合、光変調層１２４の膜厚を厚くすることが可能である。
【００３９】
本実施形態では、一例として、電界印加用電極１５０は透光性材料で形成されている。このようにすることで、電界印加用電極１５０側から偏光した光を照射し、その反射光が光変調層１２４の磁化の向きによって変化する光変調素子を形成することができる。
ここで、透光性とは、入射光が透過し易いような性質であり、入射光を例えば少なくとも７０％程度以上透過させる性質を意味する。このような電極材料として、例えばインジウム−スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide：ＩＺＯ）等の公知の透明電極材料を挙げることができる。一例として、電界印加用電極１５０にはＩＺＯを用いることが好適である。
電界印加用電極１５０の形成方法としては、例えばスパッタリング法等の公知の方法により電極材料を成膜し、フォトリソグラフィ工程と、エッチング又はリフトオフ法等の工程とを用いることができる。なお、透明電極材料の成膜方法は、スパッタリング法の他に、真空蒸着法、塗布法等を用いることもできる。
【００４０】
光変調層（磁化自由層）１２４の材料には、磁化自由層に好適な材料、例えば、ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅ，Ｃｏ，Ｆｅ，ＣｏＦｅＳｉ，ＣｏＦｅＧｅなど遷移金属系材料を主に用いることができる。また、［遷移金属／貴金属］多層膜（Ｃｏ／Ｐｔ多層膜，Ｃｏ／Ｐｄ多層膜，Ｆｅ／Ｐｄ多層膜，ＣｏＦｅ／Ｐｄ多層膜，Ｆｅ／Ｐｔ多層膜など）、あるいは遷移金属と貴金属との合金（ＣｏＰｔ合金，ＣｏＰｄ合金，ＦｅＰｄ合金，ＦｅＰｔ合金など）、あるいは希土類金属と遷移金属との合金（ＧｄＦｅ合金，ＧｄＣｏＦｅ合金，ＧｄＣｏ合金，ＴｂＦｅＣｏ合金など）又はそれらの多層膜、及び、ＭｎＢｉ合金，Ｍｎ／Ｂｉ多層膜，ＰｔＭｎＳｂ合金，Ｐｔ／ＭｎＳｂ多層膜など磁気光学効果の大きな材料を用いることができる。
【００４１】
本実施形態では、光変調層１２４の材料にＧｄを含むこととした。光変調層１２４は、多層膜からなり、そのうちの少なくとも１層はＧｄを含む膜である。本実施形態では、一例として、光変調層１２４は、垂直磁気異方性材料のＧｄＦｅ合金を含む構成とした。このような材料を用いることで、磁気抵抗効果素子１２０は低電流で磁化反転させることができる効果がある。また、電界印加による効果も増大させることができ、光変調層１２４が比較的厚い膜（９ｎｍ）であっても、電界による保磁力の変化を生じさせることができる。したがって、外部からの熱擾乱に強い磁気抵抗効果素子１２０を提供できる。
【００４２】
第１中間層１２３及び第２中間層１２５の材料には、例えばＣｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ等の金属（膜厚２ｎｍ〜６ｎｍ程度）や、例えばＡｌ2Ｏ3（比誘電率８．５、屈折率１．７７），ＭｇＯ（比誘電率９．８、屈折率１．７４）等の絶縁体（膜厚０．６〜２ｎｍ程度）を用いることができる。
光変調層が反転したときの抵抗値変化を読み取るために、第１中間層１２３及び第２中間層１２５ののうちの一方を金属層、他方を絶縁体層としてもよい。
第１中間層１２３及び第２中間層１２５が共に絶縁体層であれば、各中間層にそれぞれ電荷蓄積効果があるので好ましい。よって、本実施形態では、共に絶縁体層とし、材料をＭｇＯとした。
第１中間層１２３及び第２中間層１２５が共に金属層である場合、各中間層にそれぞれ電荷蓄積効果がないので好ましくない。
なお、いずれの場合であっても光変調層１２４上の第３絶縁体層１４３には電荷蓄積効果がある。また、第１中間層１２３及び第２中間層１２５が共に絶縁体層である場合、絶縁体層の厚さをそれぞれ変えて堆積してもよい。
【００４３】
第１磁化固定層１２２は、磁化の向きが一方向に固定された磁性層である。すべての磁気抵抗効果素子１２０において第１磁化固定層１２２は、例えば、磁化の向きが上向きに固定されている（図４参照）。
第２磁化固定層１２６は、磁化の向きが他方向に固定された磁性層である。すべての磁気抵抗効果素子１２０において第２磁化固定層１２６は、例えば、磁化の向きが下向きに固定されている（図４参照）。
【００４４】
第１磁化固定層１２２及び第２磁化固定層１２６は、光変調層１２４と同様に、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子に用いられる公知の磁性材料にて構成することができる。ただし、第１磁化固定層１２２及び第２磁化固定層１２６は磁化が固定されるように、光変調層１２４よりも保磁力が大きくなるように、磁性材料や厚さが選択される。
【００４５】
前記したように第１磁化固定層１２２の磁化の向きと第２磁化固定層１２６の磁化の向きとは互いに反平行である。
２つの磁化固定層の磁化を互いに反平行状態にする１つの方法は、各磁化固定層に同じ材料を用いつつも、その製膜条件（ガス圧）を変え、２つの磁化固定層を異なる保磁力に設定しておけばよい。各磁化固定層の同じ材料として例えばＴｂＦｅＣｏを用い、かつ、ガス種はＫｒを用いた場合、ガス圧が８．５×１０-2Ｐａのときに保磁力Ｈ＝４ｋＯｅ、ガス圧が３．１×１０-1Ｐａのときに保磁力Ｈ＝２ｋＯｅをそれぞれ得た。
【００４６】
第１磁化固定層１２２の保磁力をＨc1、第２磁化固定層１２６の保磁力をＨc2とした場合、保磁力がＨcfであるような光変調層を安定して磁化反転させるには、Ｈcf＜Ｈc1＜Ｈc2を満たす必要がある。このとき、第１磁化固定層１２２及び第２磁化固定層１２６の磁化方向を互いに反平行状態にする操作（初期化）は、次の通りである。すなわち、第１磁化固定層１２２の保磁力Ｈc1、及び第２磁化固定層１２６の保磁力Ｈc2よりも大きな磁界Ｈを、膜面垂直の下向きに印加し、第１磁化固定層１２２及び第２磁化固定層１２６の磁化をともに下向きとする。引き続き、第１磁化固定層１２２の保磁力Ｈc1よりも大きく、かつ第２磁化固定層１２６の保磁力Ｈc2よりも小さな磁界Ｈを膜面垂直の上向きに印加し、第１磁化固定層１２２の磁化のみを上向きとする。これにより、初期化操作が完了する。
なお、光変調層の磁化方向については、各画素において、第１電極１２１及び第２電極１２７間に電流パルスを流すことによって上向き、下向きのいずれにも設定できる。
【００４７】
第１磁化固定層１２２及び第２磁化固定層１２６のうちの少なくとも１つを、Ｒｕなどの磁気交換結合膜を用いた多層構造とすることもできる。そのような多層構造としては、中間層側からの積層順で表すと、例えばＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＴｂＦｅＣｏ等を挙げることができる。
そのような多層構造を面内磁化で実現する場合、中間層側からの積層順で表すと、例えばＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＩｒＭｎ（ＩｒＭｎの替わりにＦｅＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を用いることも可能）等とすることもできる。
このような構成により、異なる磁界を印加する操作をすることなく、第１磁化固定層１２２及び第２磁化固定層１２６の磁化を互いに反平行状態に初期設定しておくこともできる。
【００４８】
本実施形態では、一例として、第１磁化固定層１２２の材料と、第２磁化固定層１２６の材料とを変えることで、磁化方向を互いに反平行状態にすることにした。
このために、第１磁化固定層１２２は、第１中間層１２３側からの積層順で表すと、ＣｏＦｅ／ＴｂＦｅＣｏ／Ｒｕであるものとした。
また、第２磁化固定層１２６は、第２中間層１２５側からの積層順で表すと、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＴｂＦｅＣｏ／Ｒｕであるものとした。下地層のＲｕは、ＴｂＦｅＣｏの保磁力を増大させるために用いた。なお、以下では下地層も含めて磁化固定層と呼ぶ場合もある。
さらに、第１中間層１２３及び第２中間層１２５を共にＭｇＯで形成し、磁化固定層の膜厚の差分を吸収できるように、第１磁化固定層１２２及び第２磁化固定層１２６の下地層Ｒｕの厚さを変えることで調整した。
なお、第１磁化固定層１２２と第１電極１２１との間、及び、第２磁化固定層１２６と第２電極１２７との間に、密着性を良好にするための下地層（図示省略）を設けてもよい。
【００４９】
保護層１２８は、光変調層１２４を保護するものである。また、特に光変調層１２４が酸化し易いＲＥ−ＴＭ合金を含む場合、表面（上面）の酸化を防止するために必要に応じて設けられる。保護層１２８は、例えば、Ｔａ，Ｒｕ，Ｃｕの単層で形成される。又は、光変調層１２４の側から順にＣｕ／Ｔａの２層の金属膜や、Ｃｕ／Ｒｕの２層の金属膜で形成される。一例として、保護層１２８はＲｕ単層で構成されていることが好適である。
【００５０】
絶縁体層１４０を形成する絶縁体は、一般的な絶縁体材料で構成されている。このような材料として、例えばＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3等の酸化膜や、Ｓｉ3Ｎ4やＭｇＦ2等を挙げることができる。ここで、第１絶縁体層１４１は、磁気抵抗効果素子１２０を作製するプロセスにおいて例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のようなエッチング選択性の高い方法でエッチングされ易い材料で形成されることが好ましい。本実施形態では、一例として、第１絶縁体層１４１及び第２絶縁体層１４２はＳｉＯ2で構成され、第３絶縁体層１４３は、ＳｉＮで構成されていることとした。
【００５１】
絶縁膜１２９は、バックプレーン１１０上に磁気抵抗効果素子１２０を作製するプロセスにおいてエッチング加工を精度よく行うためのエッチングストッパー層として機能するために設けるものである。絶縁膜１２９は、磁気抵抗効果素子１２０を作製する際の第１絶縁体層１４１のエッチングにおいてエッチングされ難い（エッチングレートが低い）材料で形成されることが好ましい。例えば、第１絶縁体層１４１がＳｉＯ2であれば、絶縁膜１２９はＳｉ窒化物、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3が適用され得る。また、第１絶縁体層１４１がＳｉ窒化物であれば、絶縁膜１２９はＭｇＯが適用され得る。本実施形態では、絶縁膜１２９はＭｇＯで構成されるものとした。なお、上記プロセスにおいて、バックプレーン１１０と磁気抵抗効果素子１２０とを電気的に接続する領域では、絶縁膜１２９が除去される。
【００５２】
本実施形態のようにバックプレーン１１０がＭＯＳ−ＦＥＴを備えることにより、以下の（１）〜（５）に示すよう各画素を密集配置してＳＬＭを微細化できるという有利な効果を奏する。
（１）ＭＯＳ−ＦＥＴのドレイン出力を磁気抵抗効果素子１２０の一端に入力し、磁気抵抗効果素子１２０の他端を、第２給電配線１１３を介して他の素子とまとめてパルス電源（電流源１７１）に接続することができる。
（２）ＭＯＳ−ＦＥＴのソースＳを第１給電配線１１２に接続し、かつ、ＭＯＳ−ＦＥＴのドレインＤを第２給電配線１１３に接続することで、第１給電配線１１２（ソース電極）と第２給電配線１１３（ドレイン電極）とを平行に引き出すことができる。
（３）ＭＯＳ−ＦＥＴのゲートＧを画素選択信号線１１５に接続することで、画素選択信号線１１５（ゲート電極）を、第１給電配線１１２（ソース電極）と第２給電配線１１３（ドレイン電極）とに対して垂直な方向にそれぞれ引き出すことができる。
（４）磁気抵抗効果素子１２０の特徴部である電界印加用電極１５０を、画素選択信号線１１５（ゲート電極）と平行に引き出すことができる。
（５）ＭＯＳ−ＦＥＴは、バックプレーン１１０において例えば、１μｍ〜５μｍ程度のピッチで容易に作製することができた。また、さらに微細化して、サブミクロンオーダーのピッチで作製することが可能である。
【００５３】
画素選択手段１６１〜１６４は協働するものであり、図示しない制御部により全体の動作が制御される。
画素選択手段１６１は、バックプレーン１１０上の各画素に対応した第１給電配線１１２及び第２給電配線１１３と接続されており、スイッチングにより書込み／読出し電源１７０と接続される。
画素選択手段１６１は、書込み時に、選択する画素に信号を出力するものであり、例えば図２において信号Ｗ1がゲートに入力される選択トランジスタと、信号Ｗ2がゲートに入力される選択トランジスタと、信号Ｗ3がゲートに入力される選択トランジスタと、を備えている。書込み時には、選択する画素が配列された行に出力するための信号がオンとされ、その他の行に出力するための信号がオフとされる。
【００５４】
画素選択手段１６２は、オプション構成の電気抵抗検出手段１９０と共に利用するために設けられている。画素選択手段１６２は、バックプレーン１１０上の各画素に対応した第１給電配線１１２及び第２給電配線１１３と接続されており、スイッチングにより電気抵抗検出手段１９０と接続される。
画素選択手段１６２は、読出し時に、選択する画素に信号を出力するものであり、例えば図２において信号Ｒ1がゲートに入力される選択トランジスタと、信号Ｒ2がゲートに入力される選択トランジスタと、信号Ｒ3がゲートに入力される選択トランジスタと、を備えている。読出し時には、選択する画素が配列された行に出力するための信号がオンとされ、その他の行に出力するための信号がオフとされる。
【００５５】
画素選択手段１６３は、バックプレーン１１０上の各画素に対応した画素選択信号線１１５と接続されている。
画素選択手段１６３は、書込み時及び読出し時に、選択する画素に信号を出力するものであり、例えば図２において選択トランジスタのゲートに入力される信号Ｇ1又は信号Ｇ2又は信号Ｇ3を供給するための図示しない信号供給手段を備えている。書込み時及び読出し時には、選択する画素が配列された列に出力するための信号がオンとされ、その他の列に出力するための信号がオフとされる。
【００５６】
画素選択手段１６４は、電圧印加用電源１８０と接続されており、スイッチングにより各画素に対応した電界印加用電極１５０と接続される。
画素選択手段１６４は、書込み時に、選択する画素に信号を出力するものであり、例えば図２において信号Ａ1がゲートに入力される選択トランジスタと、信号Ａ2がゲートに入力される選択トランジスタと、信号Ａ3がゲートに入力される選択トランジスタと、を備えている。書込み時には、選択する画素が配列された列に出力するための信号がオンとされ、その他の列に出力するための信号がオフとされる。
【００５７】
書込み／読出し電源１７０は、スイッチングにより電圧印加用電源１８０と接続されると共に、スイッチングにより画素選択手段１６１と接続される。
書込み／読出し電源１７０は、図２及び図３に示す書込み電流源１７１を必須構成として備えている。以下、単に電流源１７１と表記する。
電流源１７１は、直流電流であってもよいが、本実施形態では、図２及び図３に模式的にパルス波形を示したようにパルス電流を流すこととした。この電流源１７１の上流及び下流には、例えば図２において信号Ｔ1がゲートに入力される選択トランジスタと、信号Ｔ2がゲートに入力される選択トランジスタとが設けられている。書込み時には、各選択トランジスタがオンとされ、読み出し時にはそれぞれがオフとされる。
【００５８】
本実施形態では、書込み／読出し電源１７０は、図２に示す読出し電源１７２をさらに備えている。読出し電源１７２は、光変調層１２４にて磁化反転状態となった否かを検証するためのオプション構成である。読出し電源１７２は、ＤＣ電流源、又はＤＣ電流源に交流電流を重畳させたものとしてもよいし、電流源の代わりに電圧源としてもよい。
本実施形態では、読出し電源１７２は、ＤＣ電流源であるものとする。この読出し電源１７２の上流及び下流には、例えば図２において信号Ｔ3がゲートに入力される選択トランジスタと、信号Ｔ4がゲートに入力される選択トランジスタとが設けられている。読み出し時には各選択トランジスタがオンとされ、書込み時には、それぞれがオフとされる。
【００５９】
電圧印加用電源１８０は、書込み時（図２において信号Ｔ1，Ｔ２がオンとされるとき）に電流源１７１と接続され、書込み時にスイッチングにより、選択された磁気抵抗効果素子１２０（画素）の電界印加用電極１５０に接続される。
電圧印加用電源１８０は、例えば図３に示す直流電源１８１を備えている。直流電源１８１は、少なくとも電流源１７１でパルス電流を流す時間以上の間、ＤＣ電圧を印加する。直流電源１８１の端子間電圧は、一例として１ボルト程度でもよい。
【００６０】
直流電源１８１の例えば負極端子は、バックプレーン１１０の第２給電配線１１３に接続されている。つまり、直流電源１８１の負極端子は、面内方向の直線状の第２給電配線１１３から、画素毎の厚み方向の第２接合配線１１７を介して磁気抵抗効果素子１２０の第２電極１２７と接続されている。
直流電源１８１の例えば正極端子は、画素選択手段１６４の画素毎（画素列毎）の配線を介してスイッチングにより電界印加用電極１５０に接続される。
【００６１】
本実施形態では、一例として、光変調層１２４は、垂直磁気異方性材料のＧｄＦｅ合金を含む構成としたので、後記するように、電界印加用電極１５０には、直流電源１８１の正極端子側を接続しても負極端子側を接続しても同様の効果を奏する。なお、光変調層１２４に用いる材料によっては、電界印加用電極１５０には、直流電源１８１の負極端子側を接続した場合だけ所望の効果を奏することがある。
【００６２】
電気抵抗検出手段１９０は、光変調層１２４にて磁化反転状態となった否かを検証するために読出し電源１７２と共に用いられるオプション構成である。電気抵抗検出手段１９０は、スイッチングにより、選択された磁気抵抗効果素子１２０（画素）に接続される。電気抵抗検出手段１９０は、例えば図３に示す電圧計１９１を備えている。
【００６３】
電圧計１９１は、読出し電源１７２（ＤＣ電流源）からの電流を、選択された磁気抵抗効果素子１２０（画素）の第１電極１２１から光変調層１２４を経由して第２電極１２７に至る経路で流したときに、当該電極間の電位差を測定するものである。ここで選択された磁気抵抗効果素子１２０の電気抵抗値は、測定された電圧値を読み出し電流値で除算した値である。この値を所定の閾値で比較することで、選択された磁気抵抗効果素子１２０（画素）の光変調層１２４にて磁化反転状態となった否かを検証することができる。
【００６４】
電圧計１９１の正極端子は、バックプレーン１１０の第２給電配線１１３に接続されている。つまり、電圧計１９１の正極端子は、面内方向の直線状の第２給電配線１１３から、画素毎の厚み方向の第２接合配線１１７を介して磁気抵抗効果素子１２０の第２電極１２７と接続されている。
【００６５】
電圧計１９１の負極端子は、接地されており、画素選択手段１６２の画素毎（画素行毎）の配線を介してスイッチングによりバックプレーン１１０の第１給電配線１１２に接続される。つまり、電圧計１９１の負極端子は、スイッチングにより、面内方向の直線状の第１給電配線１１２から、画素毎の厚み方向の第３接合配線１１８、ＭＯＳ−ＦＥＴのソースＳ，ドレインＤ、第１接合配線１１６を介して磁気抵抗効果素子１２０の第１電極１２１と接続される。
【００６６】
図１に示す空間光変調器１００に、さらに、図４に示す光照射機構を設けることで、ホログラフィ表示装置を構成することができる。図４に示す光照射機構は、例えばレーザ等の光源２０１と、入射偏光手段２０２と、出射偏光手段２０３とを備える。なお、電界印加用電極１５０は透明電極材料で構成されており、図４の断面図ではハッチングを省略した。
【００６７】
［空間光変調器の動作］
図示しない制御部の制御の下、画素選択手段１６１〜１６４は協働して空間光変調器１００において明状態にすべき磁気抵抗効果素子１２０をターゲット画素として選択し、光変調層１２４の磁化の向きを、下向きにする制御を行い、暗状態にすべき磁気抵抗効果素子１２０の光変調層１２４の磁化の向きを、上向きにする制御を行う。ターゲットとして選択された磁気抵抗効果素子１２０の光変調層１２４の磁化の向きは、電流源１７１からのパルス電流を流す向きによって制御される。本実施形態では、図３に示すように、読出し電源１７（ＤＣ電流源）からパルス電流は、選択された磁気抵抗効果素子１２０（画素）の第１電極１２１から光変調層１２４を経由して第２電極１２７に至る経路で流れる。
【００６８】
図４に示すように、レーザ等の光源２０１から照射された光は、様々な偏光成分を含んでいるが、入射偏光手段２０２によって、一方向の偏光面に揃えられる。そして、入射偏光手段２０２を通過したレーザ光は、電界印加用電極１５０を透過して各画素に入射する。各画素における光変調層１２４の磁化の向きにより偏光面が回転する。例えば、光変調層１２４の磁化の向きが下向きであるときに反射したレーザ光の偏光面が、光変調によって、図４のように例えば時計回りに（θk＋ａ）だけ回転する場合、この反射光は出射偏光手段２０３を通過するので「明状態」となる。ここで角度ａは、第１磁化固定層１２２及び第２磁化固定層１２６の磁化に対するカー回転角の総和などによって変化する値である
【００６９】
一方、光変調層５５０の磁化の向きが上向きであるときに反射したレーザ光の偏光面が、光変調によって、図４のように例えば反時計回りに（θk＋ａ）だけ回転する場合（時計回りで表すと−（θk＋ａ）の回転）、この反射光は出射偏光手段２０３を通過しないので「暗状態」となる。以上の原理により、入射偏光を各画素における光変調層１２４の磁化方向によって変調することができる。
【００７０】
本実施形態では、上記パルス電流を流している最中に、図３に示すように、選択された磁気抵抗効果素子１２０（画素）の電界印加用電極１５０には、直流電源１８１の正極端子が接続されると共に、直流電源１８１の負極端子が第２電極１２７と接続されることとなる。つまり、電界印加用電極１５０と、第２電極１２７との間には、直流電源１８１の端子間電圧が印加される。よって、電界印加用電極１５０から第２電極１２７側に向けて電界が印加される。言い換えると、電界印加用電極１５０から光変調層１２４に向けて正の電界が印加される。なお、電界印加用電極１５０は、電界を印加する電極であって電流を流すための電極ではない。
【００７１】
磁気抵抗効果素子１２０のスピン注入磁化反転中に、光変調層１２４に電界が印加されることで、光変調層１２４と電界印加用電極１５０との間に介在する第３絶縁体層１４３の領域と光変調層１２４との界面に電荷が蓄積される。そのため、光変調層１２４の電子状態が変化し、結果として光変調層１２４の保磁力が変化して減衰する。スピン注入磁化反転中に光変調層１２４の保磁力が減衰するので、スピン注入磁化反転の反転電流を低減させることができる。したがって、磁気抵抗効果素子１２０は、スイッチング電流を低減できる。なお、磁気抵抗効果素子１２０は、磁気ランダムアクセスメモリとして応用可能である。
【００７２】
なお、電界印加用電極１５０を直流電源１８１の負極端子に接続した場合、電界の向きは反対向きになる。光変調層１２４に用いる材料によっては、このように接続した方がよい。この場合、第２電極１２７側から電界印加用電極１５０に向けて電界が印加される。言い換えると、電界印加用電極１５０から光変調層１２４に向けて負の電界が印加される。この場合の電界の向きを図３では細く長い矢印で示した。
【００７３】
図４では、磁気抵抗効果素子１２０（画素）の特徴部である電界印加用電極１５０を除いた構成のことを、空間光変調機能部１３０と表記した。空間光変調機能部１３０は、特許文献３に記載されたＳＬＭと同様の構造である。この空間光変調機能部１３０における磁化方向の制御の原理について、図５を用いて説明する。ここでは、図５（ａ）に示すように、初期状態として、磁化の方向は、光変調層１２４では下向き、第１磁化固定層１２２では上向き、第２磁化固定層１２６では下向きであるとする。
【００７４】
この初期状態から変化した状態を想定する。このとき、図５（ｂ）に示すように、電流源１７１から、空間光変調機能部１３０に対して第１電極１２１を負、第２電極１２７を正としてパルス電流を供給すると、第１電極１２１から注入された電子において、上向きスピンは第１磁化固定層１２２を通過するが、下向きスピンは第１磁化固定層１２２を通過することができない。すなわち、第１電極１２１から注入された電子は第１磁化固定層１２２の磁化方向にスピンを揃え（スピン偏極）、そのスピン偏極した電子が第１中間層１２３内を上向きスピンを保持したまま通過し、光変調層１２４に注入される。そして、光変調層１２４の内部では、光変調層１２４の磁化方向を決定づける内部電子と、注入されたスピン偏極電子と、の相互作用により、局所的なスピントルクが生じて光変調層１２４内の磁化方向を決定づける内部電子のスピンを反転させる。そのために、結果として第１磁化固定層１２２の直上付近の側から光変調層１２４の磁化反転が生じてくる。
【００７５】
同時に、光変調層１２４の第２磁化固定層１２６の直上付近側において、下向きスピンを保持した電子は、第２磁化固定層１２６を通過するが、上向きスピンは第２磁化固定層１２６を通過することができない。そのため、光変調層１２４の第２磁化固定層１２６の直上付近側には、上向きスピンを保持した電子が留まる。この上向きスピンによるトルクのため、光変調層１２４の第２磁化固定層１２６の直上付近側からも磁化反転が生じてくる。このようにパルス電流を供給することにより、光変調層１２４の磁化方向が反転し、結果的に図５（ｂ）の状態から図５（ｃ）の状態に移行する。
【００７６】
そして、図５（ｃ）に示す状態では、光変調層１２４の磁化の方向は、上向きとなる。この状態からさらに変化した状態を想定する。このとき、図５（ｄ）に示すように、電流源１７１から、空間光変調機能部１３０に対して第１電極１２１を正、第２電極１２７を負としてパルス電流を供給すると、第２電極１２７から注入された電子は第２磁化固定層１２６の磁化方向にスピンを揃え（スピン偏極）、そのスピン偏極した電子が第２中間層１２５内を下向きスピンを保持したまま通過し、光変調層１２４に注入される。この下向きスピンによるトルクのために、結果として第２磁化固定層１２６の直上付近の側から光変調層１２４の磁化反転が生じてくる。
同時に、光変調層１２４の第１磁化固定層１２２の直上付近側における下向きスピンによるトルクのため、光変調層１２４の第１磁化固定層１２２の直上付近側からも磁化反転が生じてくる。このようにパルス電流を供給することにより、光変調層１２４の磁化方向が反転し、結果的に図５（ｄ）の状態から図５（ａ）の状態に移行する。
【００７７】
このように、光変調層１２４の磁化の向きは、パルス電流を流す向きによって制御することができる。そして、第１磁化固定層１２２及び第２磁化固定層１２６を備えることで、スピン注入の効率を向上させることができ、また、光の入射面（出射面）の面積を広くしても光変調層１２４の磁化反転が効率よく起きるため、画素の開口率を増大させることができる。
【００７８】
［空間光変調器及び磁気抵抗効果素子の作製方法］
図１に示す空間光変調器１００及び磁気抵抗効果素子１２０の作製方法の一例として、下記の２３工程のプロセスで作製する場合について図６〜図１１を参照（適宜図１及び図３参照）して説明する。
【００７９】
第１工程では、図６（ａ）に示すバックプレーン１１０を形成する。本実施形態では、公知のシリコンプロセスを利用し、ＭＯＳ−ＦＥＴを所望の画素ピッチで形成したＭＯＳ−ＦＥＴ付のシリコンバックプレーンを形成した。
【００８０】
第２工程は、図６（ｂ）に示すように、バックプレーン１１０の上に、エッチングストッパーとして絶縁膜１２９を形成し、その上に各磁気抵抗効果素子１２０（画素）を分離するための第１絶縁体層１４１を形成する工程である。
製膜方法としては、公知の製膜方法、例えばスパッタリング法、真空蒸着法、塗布法等を用いることができる。本実施形態では、製膜方法としてイオンビームスパッタリング法を用いた。ここでは、絶縁膜１２９として、ＭｇＯを積層し、第１絶縁体層１４１として、ＳｉＯ2を用いた。
【００８１】
第３工程は、図６（ｃ）に示すように、第１絶縁体層１４１の上に、第１磁化固定層１２２用のレジストパターン３０１を形成する工程である。
レジストパターン３０１は、バックプレーン１１０の第１接合配線１１６の上に対応する領域であって、第１磁化固定層１２２が配置される領域の部分に孔を空けたパターンとなるように例えば電子線リソグラフィ法により形成される。
【００８２】
第４工程は、図６（ｄ）に示すように、レジストパターン３０１に空けた孔３０２を通して第１絶縁体層１４１を、例えばＣＦ4ガスを用いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりエッチングする。このとき、前記第２工程で形成した絶縁膜１２９でエッチングが止まる。
【００８３】
第５工程は、孔３０２の底において不要となったエッチングストッパー（絶縁膜１２９）を物理的に除去する工程である。本実施形態では、図７（ａ）に示すように、レジストパターン３０１及び第１絶縁体層１４１を貫通した孔３０３を通して、Ａｒイオンなど不活性ガスイオンを用いて、イオンビームミリング法によって、絶縁膜１２９をバックプレーン１１０の第１接合配線１１６が露出するまで物理的にミリング加工する。
【００８４】
第６工程は、磁気抵抗効果素子１２０の図３において左側（第１磁化固定層１２２が配置される側）の材料等をレジストパターン３０１の上から堆積する工程である。ここでは、図７（ｂ）に示すように、第１電極１２１の材料、第１磁化固定層１２２の材料、第１中間層１２３の材料、保護層３０４の材料をこの順番に積層する。ここでの保護層３０４は、Ｒｕを用いてもよい。ただし、後の工程で第１中間層１２３を露出する必要があるのでＳｉＯ2でも充分である。よって、本実施形態では、保護層３０４としてＳｉＯ2を積層した。これにより、図７（ｂ）に示すように、レジストパターン３０１、第１絶縁体層１４１及び絶縁膜１２９を貫通した孔３０５が第１磁化固定層１２２の材料等によって埋設される。
【００８５】
第７工程は、孔３０５に埋設された材料以外の余分な材料を除去する工程である。ここでは、リフトオフ法により、レジストパターン３０１の上に積層された金属多層膜等の余分な材料をレジストパターン３０１と共に剥離する。これにより、図７（ｃ）に示すように、第１絶縁体層１４１の表面が露出する。このとき、バックプレーン１１０の第１接合配線１１６の上に当たる領域には、保護層３０４があるため第１中間層１２３が露出することはない。
【００８６】
第８工程は、図７（ｄ）に示すように、第１絶縁体層１４１の上に、第２磁化固定層１２６用のレジストパターン３０６を形成する工程である。
レジストパターン３０６は、バックプレーン１１０の第２接合配線１１７の上に対応する領域であって、第２磁化固定層１２６が配置される領域の部分に孔を空けたパターンとなるように例えば電子線リソグラフィ法により形成される。
【００８７】
第９工程は、図８（ａ）に示すように、レジストパターン３０６に空けた孔３０７を通して第１絶縁体層１４１を、例えばＣＦ4ガスを用いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりエッチングする。このとき、前記第２工程で形成した絶縁膜１２９でエッチングが止まる。
【００８８】
第１０工程は、孔３０７の底において不要となったエッチングストッパー（絶縁膜１２９）を物理的に除去する工程である。本実施形態では、図８（ｂ）に示すように、レジストパターン３０６及び第１絶縁体層１４１を貫通した孔３０８を通して、Ａｒイオンなど不活性ガスイオンを用いて、イオンビームミリング法によって、絶縁膜１２９をバックプレーン１１０の第２接合配線１１７が露出するまで物理的にミリング加工する。
【００８９】
第１１工程は、磁気抵抗効果素子１２０の図３において右側（第２磁化固定層１２６が配置される側）の材料等をレジストパターン３０６の上から堆積する工程である。
ここでは、図８（ｃ）に示すように、第２電極１２７の材料、第２磁化固定層１２６の材料、第２中間層１２５の材料、保護層３０９の材料をこの順番に積層する。
本実施形態では、第２電極１２７として第１電極１２１と同様の材料を同様の膜厚で積層した。また、第２磁化固定層１２６は、磁気交換結合膜を用いた多層構造として、第１磁化固定層１２２とは異なる材料を追加して積層した。また、第１磁化固定層１２２の下地層については、２つの磁化固定層の膜厚の差分を吸収できるように、第２磁化固定層１２６の下地層よりも厚く形成した。また、保護層３０９として保護層３０４と同様の材料を同様の膜厚で積層した。これにより、図８（ｃ）に示すように、レジストパターン３０６、第１絶縁体層１４１及び絶縁膜１２９を貫通した孔３１０が第２磁化固定層１２６の材料等によって埋設される。
【００９０】
第１２工程は、孔３１０に埋設された材料以外の余分な材料を除去する工程である。ここでは、リフトオフ法により、レジストパターン３０６の上に積層された金属多層膜等の余分な材料をレジストパターン３０６と共に剥離する。これにより、図８（ｄ）に示すように、第１絶縁体層１４１の表面が露出する。バックプレーン１１０の第１接合配線１１６の上に当たる領域には、保護層３０４があるため第１中間層１２３が露出することはない。また、バックプレーン１１０の第２接合配線１１７の上に当たる領域には、保護層３０９があるため第２中間層１２５が露出することはない。
【００９１】
第１３工程は、次の工程で光変調層を積むための準備として、これまで保護されていた中間層を露出するための工程である。本実施形態では、図９（ａ）に示すように、Ａｒイオンなど不活性ガスイオンを用いて、イオンビームミリング法によって、第１絶縁体層１４１及び保護層３０４，３０９の表面を、第１中間層１２３及び第２中間層１２５が露出するまで物理的にミリング加工する。
【００９２】
第１４工程は、第１中間層１２３及び第２中間層１２５の上から全面に光変調層１２４の材料等を堆積する工程である。ここでは、図９（ｂ）に示すように、光変調層１２４の材料、及び保護層１２８の材料をこの順番に積層する。本実施形態では、光変調層１２４を多層膜として第１中間層１２３及び第２中間層１２５の側からＣｏＦｅ／Ｇｄ／ＧｄＦｅを積層した。また、保護層１２８としてＲｕを積層した。
【００９３】
第１５工程は、保護層１２８の上に光変調層用のレジストパターン３１１を形成する工程である。レジストパターン３１１は、その下に配置されている第１中間層１２３から第２中間層１２５に渡る領域に対応する領域であって、磁気抵抗効果素子１２０の図１に破線で示す光変調層１２４の形状と同様の矩形パターンとなるように例えば電子線リソグラフィ法により形成される。
【００９４】
第１６工程は、レジストパターン３１１で保護されておらずに露出している保護層１２８及びその下の光変調層１２４の不要部分を物理的に除去する工程である。本実施形態では、図９（ｄ）に示すように、Ａｒイオンなど不活性ガスイオンを用いて、イオンビームミリング法によって、第１絶縁体層１４１が露出するまで物理的にミリング加工する。
【００９５】
第１７工程は、磁気抵抗効果素子１２０（画素）間の絶縁膜を堆積する工程である。ここでは、前記第１６工程によって露出した光変調層１２４の周囲の側面及び保護層１２８の周囲の側面に、第２絶縁体層１４２を堆積する。本実施形態では、図１０（ａ）に示すように、レジストパターン３１１の上から全面に第２絶縁体層１４２としてＳｉＯ2を積層し、前の工程で加工した部分を埋め戻す。
【００９６】
第１８工程は、前記第１７工程で埋め戻した絶縁体層以外の余分な絶縁体材料を除去する工程である。ここでは、リフトオフ法により、レジストパターン３１１の上に積層された絶縁体層をレジストパターン３１１と共に剥離する。これにより、図１０（ｂ）に示すように、保護層１２８が露出する。この時点で、空間光変調機能部１３０（図４参照）が完成する。なお、ここで、例えば、第１磁化固定層１２２の磁化方向は上向き、かつ第２磁化固定層１２６の磁化方向は下向きのように初期設定してもよい。
【００９７】
第１９工程は、後の工程で作製する電界印加用電極１５０と、光変調層１２４との間の絶縁膜を堆積する工程である。ここでは、図１０（ｃ）に示すように、第２絶縁体層１４２の上に全面に、第３絶縁体層１４３を堆積する。第３絶縁体層１４３の材料としては、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、Ｔａ2Ｏ5の他、誘電率の大きな絶縁材料を用いることができる。特に誘電率が高くかつ屈折率が高いものが好ましい。
【００９８】
第２０工程は、図１０（ｄ）に示すように、第３絶縁体層１４３の上に、電界印加用電極１５０用のレジストパターン３１２を形成する工程である。
レジストパターン３１２は、その下に配置されている光変調層１２４に対応する領域であって、光変調層１２４よりも面積が大きな開口を有したパターンとなるように例えば電子線リソグラフィ法により形成される。
【００９９】
第２１工程は、図１１（ａ）に示すように、レジストパターン３１２の開口を通して第３絶縁体層１４３を、例えばＣＦ4ガスを用いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりエッチングする。このとき、第３絶縁体層１４３を保護層１２８上において、保護層１２８よりも面積が大きな領域を薄膜化する。この保護層１２８上の第３絶縁体層１４３の膜厚は、薄ければ後の工程で作成される電界印加用電極１５０による印加電圧値を小さくできるメリットがあるものの、薄すぎるとリーク電流が懸念されるので、下限は例えば１０ｎｍ程度であることが好ましい。また、この膜厚は、電界印加用電極１５０との絶縁状態を保ち、かつ、電界印加による保磁力変化の効果を得ることのできる範囲とする。よって、例えば１０〜３０ｎｍ程度であると好ましい。
【０１００】
第２２工程は、レジストパターン３１２の上から全面に電界印加用電極１５０の材料を堆積する工程である。図１１（ｂ）に示すように、レジストパターン３１２の開口を通して第３絶縁体層１４３の薄膜領域が電界印加用電極１５０の材料によって埋設される。本実施形態では、電界印加用電極１５０の材料としてＩＺＯやＩＴＯなどの透明電極材料を積層した。
【０１０１】
第２３工程は、第３絶縁体層１４３の薄膜領域上に積層された電界印加用電極１５０以外の余分な電極材料を除去する工程である。ここでは、リフトオフ法により、レジストパターン３１２の上に積層された電極層をレジストパターン３１２と共に剥離する。これにより、図１１（ｃ）に示すように、バックプレーン１１０上に、磁気抵抗効果素子１２０が完成する。
【０１０２】
なお、図１１（ｃ）に示す磁気抵抗効果素子のすぐ隣に配置される別の磁気抵抗効果素子は、バックプレーン１１０のＭＯＳ−ＦＥＴのソース領域を共有するため、第１磁化固定層１２２が図中右側、第２磁化固定層１２６が図中左側に配置された対称な構造となる。
【０１０３】
前記作製方法では、バックプレーン１１０のＭＯＳ−ＦＥＴの上に、第１磁化固定層１２２、第２磁化固定層１２６、光変調層１２４等を順番に堆積したが、空間光変調器１００及び磁気抵抗効果素子１２０の作製方法はこれに限定されるものではない。
例えば、一方で前記第１工程にてバックプレーン１１０を形成しておき、他方で予め用意した透明基板上に、最終的に磁気抵抗効果素子１２０が上下反転した状態で積層されるように順番に各材料を堆積した素子アレイを作製しておく。その後、この素子アレイが堆積された透明基板を裏返し、素子アレイをバックプレーン１１０上の各ＭＯＳ−ＦＥＴに位置合わせして接合するといった、従来公知のいわゆる貼合せ法を用いて作製することも可能である。このような貼合せ法を用いる場合、透明基板上に各磁気抵抗効果素子１２０を形成するに際して、例えば保護層１２８や絶縁膜１２９を製膜する工程を省略可能である。また、貼り合わせる前に、第１磁化固定層１２２の磁化方向は上向き、かつ第２磁化固定層１２６の磁化方向は下向きのように初期設定してもよい。
【０１０４】
実際に作製した磁気抵抗効果素子１２０の実施例における各層の材料、膜厚の一例は、下記の通りである。
製膜方法は、イオンビームスパッタ法を用いた。
バックプレーン１１０：  シリコンバックプレーン基板（ＭＯＳ−ＦＥＴ付）
保護層１２８：        Ｒｕ（３ｎｍ）
光変調層１２４：中間層側から、ＣｏＦｅ（０．３ｎｍ）／Ｇｄ（０．２ｎｍ）／ＧｄＦｅ（９ｎｍ）
第１中間層１２３，第２中間層１２５：  ＭｇＯ（１ｎｍ）
第１磁化固定層１２２：中間層側からＣｏＦｅ（０．５ｎｍ）／ＴｂＦｅＣｏ（２０ｎｍ）／Ｒｕ（４．３ｎｍ）
第２磁化固定層１２６：中間層側からＣｏＦｅ（０．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．５ｎｍ）／ＴｂＦｅＣｏ（２０ｎｍ）／Ｒｕ（３ｎｍ）
第１絶縁体層１４１，第２絶縁体層１４２の合計膜厚：ＳｉＯ2（３８ｎｍ）
第３絶縁体層１４３：    ＡｌＮ（２０ｎｍ）
絶縁膜１２９      ：    ＭｇＯ（５ｎｍ）
電極１２１，１２７：    Ｔａ（３ｎｍ）／Ｃｕ（２５ｎｍ）
ただし、（）内は膜厚を示す。
【０１０５】
以上説明したように、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１２０は、スピンを注入するための電極の他に、光変調層１２４に対向して絶縁体層１４０を介して電界印加用電極１５０を備えているので、スピン注入磁化反転中に、電界印加用電極１５０から光変調層１２４に電界を印加することができる。スピン注入磁化反転中に、光変調層１２４に電界が印加されることで、絶縁体層１４０と光変調層１２４との界面に電荷が蓄積されるため、光変調層１２４の電子状態が変化し、結果として光変調層１２４の保磁力が変化して減衰するので、スピン注入磁化反転の反転電流を低減させることができる。したがって、磁気抵抗効果素子１２０によれば、スイッチング電流を低減できる。そのため、磁気抵抗効果素子１２０を２次元アレイ状に配設した空間光変調器１００によれば、スイッチング電流を低減できる。
【０１０６】
（第２実施形態）
図１２、図１３、図１４は、第２実施形態に係る空間光変調器１００Ａを模式的に示す図である。空間光変調器１００Ａは、主として、磁気抵抗効果素子１２０（画素）の電界印加用電極１５０（図１参照）を２分割した点が、第１実施形態の空間光変調器１００と相違する。図１２は図１に対応している。図１３は図３に対応している。図１４は図２に対応している。空間光変調器１００Ａにおいて、空間光変調器１００と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。
【０１０７】
空間光変調器１００Ａは、図１３に示すように磁気抵抗効果素子１２０Ａ（画素）を備えている。磁気抵抗効果素子１２０Ａは、光変調層１２４に対向して絶縁体層１４０を介して２つの電界印加用電極１５１，１５２を備える。本実施形態では、電界印加用電極１５１，１５２は、光変調層１２４の上に配設されるものとした。また、本実施形態では、電界印加用電極１５１，１５２は透光性材料で形成されている。図１３の断面図において、電界印加用電極１５１と電界印加用電極１５２との間には、例えば数十ｎｍ程度の僅かな隙間があり、第３絶縁体層１４３の材料で埋められている。第３絶縁体層１４３（図１３参照）は高誘電率の材料で形成されている。
【０１０８】
図１２に示す画素選択手段１６４Ａは、電圧印加用電源１８０Ａと接続されていると共に、画素毎に（画素列毎に）２つの電界印加用電極１５１，１５２と接続されている。
画素選択手段１６４Ａは、書込み時に、選択する画素に信号を出力するものであり、例えば図１４において信号Ｂ1がゲートに入力される選択トランジスタと、信号Ｂ2がゲートに入力される選択トランジスタと、信号Ｂ3がゲートに入力される選択トランジスタと、をさらに備えている。書込み時には、選択する画素が配列された列ｎ（ｎは１，２，３の少なくとも１つを表す）に出力するための信号Ａn，Ｂnが共にオンとされ、その他の列に出力するための信号がオフとされる。
【０１０９】
電圧印加用電源１８０Ａは、２つの電界印加用電極１５１，１５２に対応して、直流電源１８１，１８２（図１３及び図１４参照）を備えている。
直流電源１８２は、直流電源１８１とは電気的に逆の極性になるように接続されている。すなわち、直流電源１８２の例えば正極端子は、バックプレーン１１０の第１給電配線１１２に接続されている。つまり、直流電源１８２の正極端子は、スイッチングにより、面内方向の直線状の第１給電配線１１２から、画素毎の厚み方向の第３接合配線１１８、ＭＯＳ−ＦＥＴのソースＳ，ドレインＤ、第１接合配線１１６を介して磁気抵抗効果素子１２０の第１電極１２１と接続される。一方、直流電源１８２の例えば負極端子は、画素選択手段１６４Ａの画素毎（画素列毎）の配線を介してスイッチングにより電界印加用電極１５２に接続される。
【０１１０】
図１３に示すように、電界印加用電極１５１は、第２磁化固定層１２６の側に配置するように設けられている。第１実施形態と同様に、電界印加用電極１５１と第２電極１２７との間には、直流電源１８１の端子間電圧が印加される。電界印加用電極１５１は、第２電極１２７を基準とした正の電界を光変調層１２４に印加する役割を担っている。
また、電界印加用電極１５２は、第１磁化固定層１２２の側に配置するように設けられている。この電界印加用電極１５２と第１電極１２１との間には、ＭＯＳ−ＦＥＴを介在させて直流電源１８２の端子間電圧が印加される。ここで、電界印加用電極１５２には、直流電源１８２の負極端子が接続され、直流電源１８２の正極端子が第１給電配線１１２やＭＯＳ−ＦＥＴを介在させて第１電極１２１と接続されることとなる。電界印加用電極１５２は、第１給電配線１１２を基準とした負の電界を光変調層１２４に印加する役割を担っている。
【０１１１】
第２実施形態に係る空間光変調器１００Ａは、第１実施形態と同様の効果を奏する。
第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１２０Ａによれば、電界印加用電極１５１が第２磁化固定層１２６の側に配置され、電界印加用電極１５２が第１磁化固定層１２２の側に配置されるように設けられているので、絶縁体層１４０と光変調層１２４との界面において蓄積される電荷について、光変調層１２４の膜中の位置（図１３では左右方向の位置）による偏りが生じないようにすることができる。
【０１１２】
なお、本実施形態では、一例として、光変調層１２４が垂直磁気異方性材料のＧｄＦｅ合金を含む構成としたので、直流電源１８２は、直流電源１８１とは電気的に逆の極性になるように接続されている。ただし、この材料の場合には、電界印加用電極に正負いずれの電圧を印加しても同様の効果を奏するので、双方の電極に同じ極性の電圧を印加しても構わない。一方、光変調層１２４に他の材料を用いる場合、電界印加用電極１５１，１５２に対して、直流電源１８１，１８２のそれぞれ負極端子側を接続した場合だけ所望の効果を奏することが多いので、そのようにすることが好ましい。
【０１１３】
（保磁力の具体例）
本発明の基本原理を確認するため、通常のＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance：トンネル磁気抵抗効果）素子を改良し、実験試料として、図１５に示す二重絶縁構造のＴＭＲ素子４００を作製した。ＴＭＲ素子４００は、基板４０１上に積層された下部電極層４０２と、下地層４０３と、２つの材料を用いた磁化固定層４０４，４０５と、３つの材料を用いた磁化自由層（光変調層）４０８，４０９，４１０と、磁化固定層と磁化自由層との間を絶縁する障壁層（中間層）４０６と、他の素子と分離するための絶縁体層４０７と、磁化自由層上に形成された金属保護層４１１とを備えると共に、さらに、金属保護層４１１の上に、絶縁体層４１２と上部電極層４１３とをこの順番に備えている。
【０１１４】
通常のＴＭＲ素子であれば、金属保護層４１１の上に直接的に上部電極層４１３を備ええるため、上部電極層４１３−下部電極層４０２間の磁性膜構造において絶縁体からなる層は、障壁層（中間層）４０６だけである。一方、ＴＭＲ素子４００は、上部電極層４１３−下部電極層４０２間の磁性膜構造において、障壁層（中間層）４０６以外に絶縁体層４１２も備えている。そのため、ＴＭＲ素子４００のことを二重絶縁構造のＴＭＲ素子と呼称している。
【０１１５】
ＴＭＲ素子４００のこのような磁性膜構造は、図３に示す磁気抵抗効果素子１２０の例えば左側半分の第１磁化固定層１２２を含む磁性膜構造と同様なものと言える。図１５に示すＴＭＲ素子４００の上部電極層４１３は絶縁体層４１２を介して磁化自由層４０８，４０９，４１０に電界を印加するための電極（電界印加用電極１５０に相当）として機能する。
【０１１６】
図１５に示すＴＭＲ素子４００において、基板４０１は、表面に酸化膜が形成されたＳｉ基板である。下部電極層４０２は、下からＴａ／Ｃｕが順に積層されて２層構造となっている。上部電極層４１３は、透明電極材料であるＩＺＯにより形成されている。他の部材については、図１５に材料名及び膜厚を示す。このため、図１５の断面図ではハッチングを省略した。
【０１１７】
上部電極層４１３から磁化自由層に電界を印加するためには、具体的には、例えば所定のバイアス電圧を発生する電圧印加用電源の正極（＋）を下部電極層４０２に接続し、負極（−）を上部電極層４１３に接続すればよい。このようにした状態を図１５では示している。そして、このときの下部電極層４０２から上部電極層４１３までの膜構造の電気抵抗を測定した。
【０１１８】
図１５に示すように、下部電極層４０２をベース（基準）として上部電極層４１３が負の電位（Ｖ-）となるようにして、磁化自由層（ＣｏＦｅ／Ｇｄ／ＧｄＦe）に電界を印加すると、磁化固定層４０５にて分極した正の電荷が、障壁層（中間層）４０６との界面側に蓄積する。同時に、磁化自由層４０８にて分極した負の電荷が、障壁層（中間層）４０６との界面側に蓄積する。つまり、ＭｇＯ絶縁層の上下の界面にそれぞれ分極した電荷が蓄積する。加えて、上記電界を印加したときに、同時に、金属保護層４１１にて分極した正の電荷が絶縁体層４１２との界面側に蓄積すると共に、上部電極層４１３にて分極した負の電荷が、絶縁体層４１２との界面側に蓄積する。つまり、ＳｉＮ絶縁層の上下の界面にそれぞれ分極した電荷が蓄積する。
【０１１９】
ここで、ＭｇＯの薄い膜の上下の界面に電荷が充分に蓄積されると、ＭｇＯの上面側のＣｏＦｅの電子状態が変化し、保磁力が変化する。ＣｏＦｅの保磁力が変化すると、薄いＧｄを介して磁気的に結合しているＧｄＦｅの保磁力が変化する。その結果、磁化自由層全体の保磁力が変化すると考えられる。
【０１２０】
なお、ＳｉＮの膜の上下の界面に電荷が充分に蓄積されても、金属保護層４１１は磁性膜ではないので、磁化自由層への影響がほとんどないと考えられる。
【０１２１】
さらに、電圧印加用電源の正極（＋）と負極（−）とを入れ替えて接続し、下部電極層４０２をベース（基準）として上部電極層４１３が正の電位（Ｖ+）となるようにして、磁化自由層に、電圧印加用電源のバイアス電圧で一定値の電界を印加しつつ、磁化自由層にて磁化反転が生じる程度の大きさの外部磁界を印加して、この外部磁界の大きさ及び向きを変化させながら電気抵抗を測定した。横軸に外部印加磁界、縦軸に電気抵抗をとってこのときの測定結果をグラフ化すると、電気抵抗の変化から、磁化自由層（光変調層）の磁化反転を示すヒステリシスループ（ＭＲ曲線）を求めることができる。そのグラフ上のヒステリシスループの幅から保磁力を求めることができる。さらに、バイアス電圧の電圧値の条件を変更した上で各条件において同様にして保磁力の測定を繰り返した。
【０１２２】
このときの各条件（各バイアス電圧の電圧値）においてそれぞれの図示しないグラフ上のヒステリシスループのループ幅から測定された各保磁力を、条件別にプロットしたグラフを図１６に示す。図１６のグラフにおいて、横軸は、電圧印加用電源のバイアス電圧を示し、縦軸は、磁化自由層の保磁力を示している。
なお、保磁力の単位については、１［Ｏｅ］＝７９．５７７［Ａ／ｍ］で換算可能である。
【０１２３】
このとき測定に用いた磁化自由層の場合、上部電極層４１３が正の電位（Ｖ+）となるようにして電界を印加した場合も、負の電位（Ｖ-）となるようにして電界を印加した場合も、磁化自由層の保磁力が低下することが分かる。磁性膜の保磁力は、その磁性膜に流れた電流と比例関係にあることから、磁化自由層に電界を印加することにより、スピン注入磁化反転の反転電流を低下させることができる。したがって、スピン注入磁化反転させるためのパルス電流を電流源から磁気抵抗効果素子に供給する際、その電流源とは別の電圧印加用電源のバイアス電圧を電界印加用電極１５０に印加しておくことで、電界印加用電極１５０から磁化自由層に対して所定の電界が印加されるようにしておくと、磁化反転を低電流で実現することができる。
【０１２４】
以上、実施形態に基づいて本発明に係る磁気抵抗効果素子及び空間光変調器について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、電界印加用電極１５０は、光変調層１２４の上面側（図３において上側）に配設されるものとしたが、光変調層１２４の側面の側（例えば第２磁化固定層１２６が配置された側）に設けるようにしてもよい。このとき、光変調層１２４の側面と電界印加用電極との間に配置される絶縁体の材料は、高誘電率の材料であることが好ましい。このように電界印加用電極を光変調層１２４の側面の側に設ける場合、光変調層１２４の上面側から入射する光を電界印加用電極を介さずに光変調層１２４に入射することができる。よって、電界印加用電極の材料として透光性の電極材料を用いなくて済み、Ｃｕ等の一般的な金属の電極材料を適用できる。
【０１２５】
また、例えば図１の画素アレイ（磁気抵抗効果素子のアレイ）を想定した場合、隣り合う２つの画素列で１つの電界印加用電極を共有することができる。具体的には、１列目の画素アレイの各光変調層１２４において右側（第２磁化固定層１２６が配置された側）の側面に電界印加用電極（正電圧）を設けると、２列目の画素アレイの各光変調層１２４において左側（第２磁化固定層１２６が配置された側）に電界印加用電極（正電圧）を設けたことに相当する。よって、この電界印加用電極（正電圧）から、１列目の画素アレイの各光変調層１２４に電界を印加すると同時に、２列目の画素アレイの各光変調層１２４に電界を印加することができる。このため、複数の電界印加用電極（正電圧）を、１−２列間、３−４列間、…のように配置すれば、空間光変調器１００の全体で必要な電界印加用電極の個数を１／２に減らすことが可能である。
【０１２６】
さらに、例えば図１２の画素アレイ（磁気抵抗効果素子のアレイ）を想定した場合、電界印加用電極（正電圧）を、１−２列間、３−４列間、…のように配置すると共に、電界印加用電極（負電圧）を、２−３列間、４−５列間、…のようにさらに配置すれば、電界印加用電極を光変調層１２４の上面の側に設けた場合に比べて、空間光変調器１００の全体で必要な電界印加用電極の個数を１／２に減らすことが可能である。
【符号の説明】
【０１２７】
１００，１００Ａ  空間光変調器
１１０  バックプレーン
１１１  基板
１１２  第１給電配線
１１３  第２給電配線
１１４  絶縁体層
１１５  画素選択信号線
１１６  第１接合配線
１１７  第２接合配線
１１８  第３接合配線
１２０，１２０Ａ  磁気抵抗効果素子
１２１  第１電極
１２２  第１磁化固定層
１２３  第１中間層
１２４  光変調層（磁化自由層）
１２５  第２中間層
１２６  第２磁化固定層
１２７  第２電極
１２８  保護層
１２９  絶縁膜
１３０  空間光変調機能部
１４０  絶縁体層
１４１  第１絶縁体層
１４２  第２絶縁体層
１４３  第３絶縁体層
１５０，１５１，１５２  電界印加用電極
１６１，１６２，１６３，１６４，１６４Ａ  画素選択手段
１７０  書込み／読出し電源
１７１  書込み電流源
１７２  読出し電源
１８０，１８０Ａ  電圧印加用電源
１８１  直流電源
１８２  直流電源
１９０  電気抵抗検出手段
１９１  電圧計
２０１  光源
２０２  入射変光手段
２０３  出射変光手段
Ｄ      ドレイン
Ｓ      ソース
Ｇ      ゲート
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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