(57)【要約】      （修正有）【課題】スピン注入型磁化反転素子の中間層におけるＭｇＯの（００１）面配向性を向上する。【解決手段】光変調素子（スピン注入型磁化反転素子）５は、垂直磁気異方性を示す磁化固定層５１と、ＭｇＯからなる中間層５２と、垂直磁気異方性を示す磁化自由層５３とをこの順で積層したトンネル磁気抵抗型のスピン注入型磁化反転素子構造を備え、スピン注入型磁化反転素子構造の上下に設けられた一対の電極２、３を介して電流を供給されることにより磁化自由層５３の磁化方向を変化させて、入射した光をその偏光方向を変化させて出射する。ここで、磁化自由層５３は、遷移金属または遷移金属を含む合金からなる界面層５３ｂと、Ｔａ膜またはＲｕ膜からなる緩衝層５３ｃと、磁化方向が反転される磁性層である主層５３ａとをこの順で積層して構成した。【選択図】図１
2012230143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直磁気異方性を示す磁化固定層と、ＭｇＯからなる中間層と、垂直磁気異方性を示す磁化自由層とをこの順で積層したトンネル磁気抵抗型のスピン注入型磁化反転素子構造を備え、前記スピン注入型磁化反転素子構造の上下に設けられた一対の電極を介して電流を供給されることにより前記磁化自由層の磁化方向を反転させるスピン注入型磁化反転素子であって、
前記磁化自由層は、前記中間層と接し、遷移金属または遷移金属を含む合金からなる界面層と、
Ｔａ膜またはＲｕ膜からなる緩衝層と、
遷移金属または遷移金属を含む合金からなる磁性金属膜を含む主層と、
をこの順で積層したことを特徴とするスピン注入型磁化反転素子。
【請求項２】
前記磁化自由層の前記主層は、遷移金属もしくは遷移金属を含む合金からなる前記磁性金属膜と、非磁性金属としてＡｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、ＩｒおよびＰｔから選択される1種の貴金属、または２種以上の貴金属の合金からなる前記非磁性金属膜と、を交互に積層した多層膜からなることを特徴とする請求項１に記載のスピン注入型磁化反転素子。
【請求項３】
前記磁化自由層の前記主層は、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉから選択される遷移金属またはＣｏ、ＦｅおよびＮｉから選択される遷移金属を含む合金からなる前記磁性金属膜と、非磁性金属としてＰｄおよびＰｔから選択される貴金属からなる前記非磁性金属膜と、を交互に積層した前記多層膜からなることを特徴とする請求項２に記載のスピン注入型磁化反転素子。
【請求項４】
前記磁化自由層の前記主層は、前記磁性金属膜と前記非磁性金属膜とを交互に積層した前記多層膜であって、当該多層膜の最下層に、前記磁性金属膜を構成する磁性金属と前記非磁性金属膜を構成する非磁性金属との合金からなる合金膜を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載のスピン注入型磁化反転素子。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載のスピン注入型磁化反転素子を備え、前記スピン注入型磁化反転素子に入射した光を、前記磁化自由層の磁化方向を反転させることによりその偏光方向を変化させて出射する光変調素子。
【請求項６】
基板と、この基板上に２次元配列された複数の画素と、前記複数の画素から１つ以上の画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備えて、前記画素選択手段が選択した画素に入射した光の偏光方向を特定の方向に変化させて出射する空間光変調器であって、
前記画素として、請求項７に記載の光変調素子を備える空間光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン注入により磁化方向を反転するスピン注入型磁化反転素子、そのスピン注入型磁化反転素子に入射した光を磁気光学効果により光の位相や振幅などを空間的に変調して出射する空間光変調器に用いる光変調素子、およびこれを用いた空間光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
空間光変調器は、画素として光変調素子を用い、これを２次元アレイ状に配列して光の位相や振幅などを空間的に変調するものであって、ホログラフィ装置などの露光装置、ディスプレイ技術、記録技術などの分野で広く利用されている。また、２次元で並列に光情報を処理することができることから光情報処理技術への応用も研究されている。空間光変調器として、従来から液晶が用いられ、表示装置として広く利用されているが、ホログラフィや光情報処理用としては、応答速度や画素の高精細性が不十分である。このため、近年では、高速処理かつ画素の微細化の可能性が期待される磁気光学材料を用いた磁気光学式空間光変調器の開発が進められている。
【０００３】
磁気光学式空間光変調器（以下、空間光変調器）においては、磁気光学材料すなわち磁性体に入射した光が透過または反射または回折する際にその偏光の向きを変化（旋光）させて出射する、ファラデー効果（反射の場合はカー効果）を利用している。すなわち、選択された画素（選択画素）における光変調素子の磁化方向とそれ以外の画素（非選択画素）における光変調素子の磁化方向を異なるものとして、選択画素から出射した光と非選択画素から出射した光で、その偏光の回転角（旋光角）に差を生じさせる。光変調素子の磁化方向を変化させる方法として、光変調素子に磁界を印加する方法の他に、近年では光変調素子にスピンを注入する方法がある。
【０００４】
画素毎の光変調素子にスピンを注入する場合は、ＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance：垂直通電型巨大磁気抵抗効果）素子などのスピン注入型磁化反転素子（非特許文献１）を光変調素子として、この光変調素子の上下に一対の電極を接続して膜面に垂直に電流を供給する。なお、このような光変調素子（スピン注入型磁化反転素子）は、一旦、所定の大きさおよび向きの電流を供給されれば、逆向きの電流が供給されるまで磁化方向は保持されるため、上側と下側にそれぞれ縦、横に帯状の電極を格子状に配置することで、画素毎の光変調素子に個別に磁化方向を変化させる電流を供給することができる。また、このように、スピン注入による磁気光学式の空間光変調器においては、光変調素子の上および下に電極を配置するため、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide：ＩＺＯ）などの透明電極材料を使用して、光が電極を透過して光変調素子に入射するように構成される。
【０００５】
このようなスピン注入型光変調素子では、光変調層における磁気光学効果の性能（ファラデー回転角、カー回転角）を向上させるため、薄い膜でも大きな磁気光学効果が得られる遷移金属および貴金属からなる多層膜を光変調層に用いた素子が提案されている（例えば、特許文献１、２）。特許文献１では、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、特許文献２では、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜を用いたスピン注入型光変調素子がそれぞれ開示されている。また、特許文献１、２には、スピン注入型光変調素子の駆動電流を低減するために、非磁性中間層としてＭｇＯなどの絶縁性材料からなるトンネル障壁層を用いたＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance：トンネル磁気抵抗）型構造が開示されている。
【０００６】
ここで、図７を参照して、特許文献１、２に記載された従来技術におけるＴＭＲ型構造のスピン注入型磁化反転素子である光変調素子の構造について説明する。図７は、従来技術における光変調素子の構成を模式的に示す断面図である。
【０００７】
従来技術における光変調素子１０５は、図７に示すように、磁化固定層１５１、中間層１５２、磁化自由層１５３、保護層１５４の順に積層された構成であり、一対の電極である上部電極１０２と下部電極１０３とに上下で接続されて、膜面に垂直に電流が供給される。光変調素子１０５は、磁化方向が一方向に固定された磁化固定層１５１および磁化方向が反転可能な磁化自由層１５３を、トンネル障壁層である絶縁材料からなる中間層１５２を挟んで備えたＴＭＲ型のスピン注入型磁化反転素子である。また、製造工程におけるダメージからこれらの層を保護するために、最上層に保護層１５４が設けられている。さらに、上部電極１０２と下部電極１０３とに挟まれた光変調素子１０５の外周には、絶縁部材１０６が充填されている。
【０００８】
磁化固定層１５１は、Ｃｏなどの磁性金属の単層膜またはＣｏなどの磁性金属とＰｄ、Ｐｔなどの非磁性金属とを交互に積層した多層膜からなる主層１５１ａと、中間層に接するＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの遷移金属を含む第１界面層１５１ｂと、から構成される。
【０００９】
磁化自由層１５３は、磁性金属であるＣｏからなる磁性金属膜１５３ａ１と非磁性金属であるＰｄまたはＰｔなどからなる非磁性金属膜１５３ａ２とを交互に積層してなる多層膜からなる主層１５３ａと、中間層１５２に接するＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの遷移金属を含む第２界面層１５３ｂと、から構成される。
【００１０】
中間層１５２は、ＭｇＯ（マグネシア）などの絶縁性材料からなるトンネル障壁層であり、磁化固定層１５１および磁化自由層１５３とともに、ＴＭＲ型素子を構成する。
ここで、前記した遷移金属を含む第１界面層１５１ｂおよび第２界面層１５３ｂと、中間層１５２を構成するＭｇＯの（００１）面配向した結晶とを組み合わせて、光変調素子１０５にコヒーレントなトンネル電流を流すことで、光変調素子１０５の駆動電流を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１０−６０５８６号公報
【特許文献２】特開２０１１−２５２２号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】K. Aoshima et. al, “Spin transfer switching in current-perpendicular-to-plane spin valve observed by magneto-optical Kerr effect using visible light”, Appl. Phys. Lett. 91, 052507 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
スピン注入型磁化反転素子において磁化方向が変化する層である磁化自由層は、一般的に十数ｎｍ以下に制限されているため、スピン注入型磁化反転素子を光変調素子とすると偏光の向きの変化が極めて小さい（非特許文献１）。このため、この光変調素子を画素として用いた空間光変調器において、選択画素からの出射偏光の取り出し効率すなわち画素の選択性の向上が望まれていた。
【００１４】
そこで、特許文献１、２に記載された光変調素子は、磁化自由層の磁性膜として遷移金属と貴金属との多層膜を用いて光変調度を向上させ、画素の選択性を向上させるとともに、非磁性の中間層として絶縁性のＭｇＯを用いたＴＭＲ型構造として駆動電流の低減をしたが、さらなる駆動電流の低減が望まれていた。
【００１５】
ここで、図７に示したようなＴＭＲ型構造のスピン注入型磁化反転素子において、駆動電流を低減させるには、スピン分極率の大きなΔ1バンド電子によるコヒーレントなトンネル構造を形成する必要がある。そのためには、絶縁性のＭｇＯからなるトンネル障壁層である中間層１５２の結晶配向を（００１）面とし、中間層１５２に接した磁化固定層１５１の界面層である第１界面層１５１ｂおよび中間層１５２に接した磁化自由層１５３の界面である第２界面層１５３ｂの結晶構造を体心立方格子（ｂｃｃ）の（００１）面配向とする必要があることが知られている。これによって、第１界面層１５１ｂ／中間層（トンネル障壁層）１５２／第２界面層１５３ｂからなる積層構造は、体心立方格子の（００１）面配向したｂｃｃ（００１）系の磁気トンネル接合となり、素子にコヒーレントな電流を流すことができるため、駆動電流を低減することができる。
【００１６】
一方、磁化自由層１５３の主層１５３ａに用いられる磁気光学効果の大きな、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜などの磁性膜においては、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｐｄは何れも面心立方格子（ｆｃｃ）であり、垂直磁気異方性を示す結晶構造はｆｃｃ（１１１）面配向である。したがって、前記した磁気トンネル接合のトンネル障壁層である中間層１５２から第２界面層１５３ｂにかけて、結晶構造をｂｃｃ（００１）面配向からｆｃｃ（１１１）面配向へ転移する領域を形成しなければならないものの、ｆｃｃ（１１１）面配向の影響が大きいため、ｂｃｃ（００１）面配向を良好に形成するのが難しかった。言い換えれば、トンネル障壁層を構成するＭｇＯの（００１）面配向が不十分であるという問題があった。
【００１７】
本発明はこの問題に鑑み創案されたものであり、スピン注入型磁化反転素子の中間層におけるＭｇＯの（００１）面配向性を向上することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記した目的を達成するために、本発明のスピン注入型磁化反転素子は、垂直磁気異方性を示す磁化固定層と、ＭｇＯからなる中間層と、垂直磁気異方性を示す磁化自由層とをこの順で積層したトンネル磁気抵抗型（ＴＭＲ型）のスピン注入型磁化反転素子構造を備え、スピン注入型磁化反転素子構造の上下に設けられた一対の電極を介して電流を供給されることにより磁化自由層の磁化方向を反転させるスピン注入型磁化反転素子であって、磁化自由層は、遷移金属または遷移金属を含む合金からなる界面層と、Ｔａ膜またはＲｕ膜からなる緩衝層と、磁性層である主層と、をこの順で積層して構成した。
【００１９】
かかる構成によれば、スピン注入型磁化反転素子は、絶縁性材料であるＭｇＯからなる中間層をトンネル障壁層とするＴＭＲ型のスピン注入型磁化反転素子を構成する。また、遷移金属または遷移金属を含む合金からなる金属層を、中間層と接する界面層として設けることにより、中間層のＭｇＯと組み合わせてスピン注入型磁化反転素子にコヒーレントなトンネル電流を流し、磁化反転される層である磁化自由層の主層を磁化反転させるための駆動電流を低減する。ここで、中間層を構成するＭｇＯは体心立方格子の（００１）面配向の結晶構造をとる。一方、磁化反転される層である磁化自由層の主層は、遷移金属もしくは遷移金属を含む合金からなる磁性金属膜を含んで構成される磁性層であり、面心立方格子の（１１１）面配向の結晶構造をとる。ＴＭＲ型のスピン注入型磁化反転素子の磁化反転のための駆動電流を低減するためには、ＭｇＯからなる中間層から界面層にかけて（００１）面配向性を向上する必要がある。中間層に接する界面層と主層との間に挿入されたＴａ膜またはＲｕ膜からなる緩衝層は、中間層から界面層にかけての（００１）面配向と、主層の（１１１）面配向との間の緩衝層として機能し、中間層から界面層にかけての（００１）面配向性を向上する。
【００２０】
本発明のスピン注入型磁化反転素子は、磁化自由層の主層を、遷移金属もしくは遷移金属を含む合金からなる磁性金属膜と、非磁性金属としてＡｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、ＩｒおよびＰｔから選択される１種の貴金属、または２種以上の貴金属の合金からなる非磁性金属膜と、を交互に積層した多層膜で構成した。
【００２１】
かかる構成によれば、磁化反転される層である磁化自由層の主層を構成する磁性金属膜と非磁性金属膜とを交互に積層した多層膜は、磁性体として一体的に動作し、大きな保磁力を得る。
【００２２】
本発明のスピン注入型磁化反転素子は、磁化自由層の主層を、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉから選択される遷移金属またはＣｏ、ＦｅおよびＮｉから選択される遷移金属を含む合金からなる磁性金属膜と、非磁性金属としてＰｄおよびＰｔから選択される貴金属からなる非磁性金属膜と、を交互に積層した多層膜で構成した。
【００２３】
かかる構成によれば、磁性金属膜と非磁性金属膜とをこのような好ましい材料の組み合わせから選択した多層膜は、より大きな保磁力を得る。
【００２４】
本発明のスピン注入型磁化反転素子は、磁化自由層の主層を、磁性金属膜と非磁性金属膜とを交互に積層した多層膜であって、当該多層膜の最下層に、磁性金属膜を構成する磁性金属と非磁性金属膜を構成する非磁性金属との合金からなる合金膜を設けて構成した。
【００２５】
かかる構成によれば、磁化反転される層である磁化自由層の主層を構成する磁性金属膜と非磁性金属膜とを交互に積層した多層膜は、磁性体として一体的に動作し、大きな保磁力を得る。
【００２６】
本発明の光変調素子は、本発明にかかるスピン注入型磁化反転素子を光変調のために備えるように構成した。
【００２７】
かかる構成によれば、光変調素子は、磁化自由層の磁化方向を反転させることで、スピン注入型磁化反転素子である光変調素子に入射した光を、磁気光学効果によりその偏光方向を変化させて出射する。
【００２８】
本発明の空間光変調器は、基板と、この基板上に２次元配列された複数の画素と、画素選択手段と、電流供給手段とを備える空間変調器であって、画素として、本発明にかかる光変調素子を備えるように構成した。
【００２９】
かかる構成によれば、空間光変調器は、画素として、光変調度の高いスピン注入型磁化反転素子を備える。この空間光変調器は、画素選択手段によって、複数の画素から１つ以上の画素を選択する。そして、空間変調器は、電流供給手段によって、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する。これによって、空間光変調器は、画素選択手段が選択した画素に入射した光の偏光方向を特定の方向に変化させて出射する。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、緩衝層の挿入によって中間層のＭｇＯの（００１）面配向を向上するため、磁化反転の駆動電流を低減することができる。
本発明によれば、磁化反転される磁化自由層の保磁力が大きなスピン注入型磁化反転素子とすることができる。
本発明によれば、磁化反転される磁化自由層の保磁力がより大きなスピン注入型磁化反転素子とすることができる。
本発明によれば、磁化反転される磁化自由層の保磁力が大きなスピン注入型磁化反転素子とすることができる。
本発明によれば、光変調のための磁化反転の駆動電流を低減した光変調素子とすることができる。
本発明によれば、磁化反転の駆動電流を低減した光変調素子を画素として用いるため、安定した画素選択動作をする空間光変調器とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光変調素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明に係る光変調素子の動作を模式的に説明する断面図であり、磁化自由層の磁化方向が、（ａ）は平行の場合、（ｂ）は反平行の場合を示す。
【図３】本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の構成を模式的に示す平面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る空間光変調器を用いた表示装置の構成および画素選択の動作を説明する模式図で、図３のＡ−Ａ断面図に対応する図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る空間光変調器を用いた表示装置の構成および画素選択の動作を説明する模式図で、図３のＡ−Ａ断面図に対応する図である。
【図６】本発明の第１実施形態の変形例に係る光変調素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図７】従来技術における光変調素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明の実施例および従来技術による比較例の光変調素子のＸ線回折パターンを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明に係るスピン注入型磁化反転素子、光変調素子および空間光変調器を実現するための形態について、図を参照して説明する。なお、本発明の実施形態に係るスピン注入型磁化反転素子は、光変調素子の形態をとるものである。本発明のスピン注入型磁化反転素子の構成および動作については、その実施形態である光変調素子を通して説明する。
【００３３】
＜第１実施形態＞
［光変調素子（スピン注入型磁化反転素子）］
本発明の第１実施形態に係る光変調素子５は、図１に示すように、磁化固定層５１、中間層５２、磁化自由層５３、保護層５４の順に積層された構成であり、一対の電極である上部電極２と下部電極３とに上下で接続されて、膜面に垂直に電流が供給される。光変調素子５は、磁化方向が一方向に固定された磁化固定層５１および磁化方向が反転可能な磁化自由層５３を、絶縁性材料であるＭｇＯからなる中間層５２を挟んで備えたＴＭＲ型のスピン注入型磁化反転素子である。また、製造工程におけるダメージからこれらの層を保護するために、最上層に保護層５４が設けられ、上部電極２と下部電極３とに挟まれた光変調素子５の外周には、絶縁部材６が充填されている。
【００３４】
光変調素子５を構成する各層は、例えばスパッタリング法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などの公知の方法で連続的に成膜されて積層され、電子線リソグラフィおよびイオンビームミリング法などで所望の平面視形状に加工される。
【００３５】
磁化固定層５１は、磁化方向が一方向に固定された磁性層であって、電流中の電子のスピンを弁別する機能をもつ。磁化固定層５１は磁化自由層５３と同方向の磁気異方性を持つことが望ましく、磁化自由層５３に垂直磁気異方性を有する磁性膜を用いた場合は、磁化固定層５１も垂直磁気異方性を有する磁性膜を用いる。本実施形態では、磁化固定層５１および磁化自由層５３は、垂直磁気異方性を有する磁性膜が用いられる。
また、本実施形態における磁化固定層５１は、磁化方向が一方向に固定された磁性層である主層５１ａと、中間層５２に接する第１界面層５１ｂと、が積層して構成される。
【００３６】
磁化固定層５１の主層５１ａは、垂直磁気異方性を有するＣＰＰ−ＧＭＲ型素子やＴＭＲ型素子などの磁化固定層として公知の磁性材料にて構成することができ、その厚さは８〜３０ｎｍとすることが好ましい。
【００３７】
磁化固定層５１の主層５１ａに用いる材料としては、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの強磁性の遷移金属、遷移金属と希土類金属との合金（例えば、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ系、Ｔｂ−Ｆｅ系、Ｔｂ−Ｃｏ系、Ｄｙ−Ｃｏ系、Ｄｙ−Ｃｏ−Ｆｅ系、Ｇｄ−Ｆｅ系、Ｇｄ−Ｃｏ系、Ｇｄ−Ｆｅ−Ｃｏ系の合金など）や、遷移金属／貴金属系の多層膜（例えば、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜など）や、遷移金属と貴金属との合金（例えば、Ｃｏ−Ｐｔ系、Ｃｏ−Ｐｄ系、Ｆｅ−Ｐｔ系の合金など）を挙げることができる。その他、Ｃｏ／Ｎｉ多層膜、Ｃｏ−Ｎｉ系合金／Ｐｔ多層膜、Ｍｎ−Ｂｉ系合金などがある。なお、前記遷移金属としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどが好ましく、前記貴金属としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔなどを挙げることができ、Ｐｄ、Ｐｔが好ましく、希土類金属としては、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂが好ましい。
【００３８】
このなかで、膜厚が１０〜３０ｎｍのＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金膜が、より好ましい。この合金膜に含まれるＴｂによって磁化固定層５１の主層５１ａの保磁力を大きな（１０ｋＯｅ以上）垂直磁化膜を形成することができるため、磁化固定層５１の主層５１ａは、その磁化方向が外部磁場によって容易に変わらないようにすることができる。
【００３９】
磁化固定層５１の第１界面層５１ｂは、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも１種の遷移金属またはこの遷移金属を含む合金からなり、膜厚は０．１〜１ｎｍの範囲とすることが好ましい。遷移金属を含む合金としては、例えばＣｏ−Ｆｅ系、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｓｉ系の合金を挙げることができる。
【００４０】
磁化固定層５１の第１界面層５１ｂは、磁化自由層５３の第２界面層５３ｂおよび中間層５２を構成するＭｇＯの（００１）面配向の結晶と組み合わせて、光変調素子５にコヒーレントなトンネル電流を流すことができ、光変調素子５の磁化反転のための駆動電流を低減することができる。
【００４１】
中間層５２は、磁化固定層５１と磁化自由層５３との間に設けられ、磁化自由層５３と磁化固定層５１とを磁気的に分離するとともに、スピン偏極した電流を流すものである。中間層５２は、ＴＭＲ型素子を構成する光変調素子５におけるトンネル障壁層であり、絶縁性材料であるＭｇＯ（マグネシア）で構成される。中間層５２は、このＭｇＯの（００１）面配向した結晶で形成され、その膜厚は０．５〜３ｎｍ程度とすることができる。
中間層５２を構成するＭｇＯ膜は、ＲＦイオンビームスパッタリング法などにより形成することができる。
【００４２】
磁化自由層５３は、スピン注入によって磁化方向が反転される層である。すなわち、上部電極２および下部電極３の間に電流が供給されることにより、これらの電極間に供給される電流の向きに応じて、注入される電子のスピンと磁化自由層５３内の電子スピンとの相互作用により磁化自由層５３内の磁化の向きが反転する。
【００４３】
第１実施形態における磁化自由層５３は、中間層５２と接する第２界面層５３ｂと、Ｔａ膜またはＲｕ膜からなる緩衝層５３ｃと、スピン注入によって磁化方向が反転される磁性層である主層５３ａと、がこの順で積層されて構成される。また、本実施形態における主層５３ａは、磁性金属膜５３ａ１と非磁性金属膜５３ａ２とが交互に積層された多層膜によって構成される。
【００４４】
磁性金属膜５３ａ１としては、遷移金属または遷移金属を含む合金からなる磁性材料を用いることができ、好ましくは、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ−Ｆｅ系合金を挙げることができる。また、非磁性金属膜５３ａ２としては、貴金属を用いることができる。貴金属としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、ＲｕおよびＯｓ、または２種以上のこれらの貴金属の合金などを用いることができ、好ましくはＰｔおよびＰｄを挙げることができる。
【００４５】
多層膜としては、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜、Ｆｅ／Ｐｄ多層膜、Ｃｏ−Ｆｅ系合金／Ｐｄ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜などを挙げることができる。
【００４６】
また、本実施形態では、磁化自由層５３において磁化方向が反転される層である主層５３ａを、磁性金属膜５３ａ１と非磁性金属膜５３ａ２とが交互に積層した、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜とするものである。強磁性のＣｏ膜と非磁性のＰｔ膜とを交互に積層したＣｏ／Ｐｔ多層膜とすることで、磁性体として一体的に動作し、保磁力を大きなものとすることができるため、このような多層膜で構成することが好ましい。
【００４７】
また、例えば、主層５３ａをＣｏ／Ｐｔ多層膜で構成した場合は、多層膜の最上層および最下層は、それぞれＣｏ膜およびＰｔ膜のいずれでもよいが、第２界面層５３ｂを介して中間層５２と隣接する最下層に磁性金属膜５３ａ１であるＣｏ膜を積層することが好ましい。中間層５２と隣接する境界の層としてＣｏ膜を配置することで当該境界でのスピン偏極率を高くして、中間層５２を介して磁化自由層５３に注入されるスピンによるスピントルクが増大するため、光変調素子５の磁化反転に要する電流を低減することができ、ＴＭＲ型素子を構成する光変調素子５ではその電流を低減する効果が大きい。
【００４８】
なお、磁化自由層５３の主層５３ａは、このような多層膜に限定されず、単層膜であってもよい。単層膜としては、遷移金属または遷移金属を含む合金からなる磁性材料を用いることができる。遷移金属としては、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉを挙げることができ、遷移金属の合金としては、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ系合金、Ｃｏ−Ｆｅ系合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｇｅ系合金など挙げることができる。また、遷移金属と非磁性金属である貴金属との合金や、遷移金属と希土類金属との合金など、磁気光学効果の大きな材料を用いることができる。ここで、希土類金属としては、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂなどを挙げることができる。
【００４９】
遷移金属と貴金属との合金としては、Ｃｏ−Ｐｔ系合金、Ｃｏ−Ｐｄ系合金、Ｆｅ−Ｐｄ系合金、Ｆｅ−Ｐｔ系合金などを挙げることができる。希土類金属と遷移金属との合金としては、Ｇｄ−Ｆｅ系合金、Ｇｄ−Ｃｏ−Ｆｅ系合金、Ｇｄ−Ｃｏ系合金、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ系合金などを挙げることができる。その他、Ｍｎ−Ｂｉ系合金、Ｍｎ／Ｂｉ多層膜、Ｐｔ−Ｍｎ−Ｓｂ系合金、Ｐｔ／Ｍｎ−Ｓｂ系合金多層膜などの磁気光学効果の大きな材料を用いることができる。
【００５０】
また、主層５３ａとして、強磁性の遷移金属を含む合金を用いることで、磁化反転層としての保磁力を確保しつつ、飽和磁化を低下させて磁化方向を安定させることができる。このため、光変調度の安定した光変調素子を構成することができる。
【００５１】
さらに、主層５３ａとして、遷移金属と希土類金属との多層膜を用いることができる。遷移金属と希土類金属との多層膜としては、Ｃｏ／Ｇｄ多層膜、Ｆｅ／Ｇｄ多層膜、Ｃｏ−Ｆｅ系合金／Ｇｄ多層膜、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ系合金／Ｇｄ多層膜、Ｃｏ−Ｎｉ系合金／Ｇｄ多層膜のほか、これらの多層膜において、Ｇｄに代えて、Ｇｄ−Ｆｅ系合金、Ｔｂ、Ｔｂ−Ｃｏ系合金、Ｔｂ−Ｆｅ系合金、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ系合金を用いた多層膜を挙げることができる。
【００５２】
磁化自由層５３の主層５３ａの膜厚（多層膜の場合は、多層膜を構成するすべての層の膜厚の合計）は特に限定されるものではないが、主層５３ａの膜厚が薄すぎると保磁力が低下し、一方、厚すぎると垂直磁気異方性が劣化する。したがって、主層５３ａの膜厚は、１．５〜１５ｎｍ程度が好ましい。
【００５３】
磁化自由層５３の緩衝層５３ｃは、（００１）面配向したＭｇＯ膜からなる中間層５２に接する第２界面層５３ｂと、主層５３ａの最下層（図１の例では、磁性金属膜５３ａ１）との間に挿入されたＴａ膜またはＲｕ膜からなる層である。緩衝層５３ｃは、第１界面層５１ｂ／中間層（トンネル障壁層）５２／第２界面層５３ｂで構成されるｂｃｃ（００１）系の磁気トンネル接合と、主層５３ａを構成するｆｃｃ（１１１）系の磁性層とを良好に接続するための緩衝層として機能するものである。この緩衝層５３ｃによって、中間層５２から第２界面層５３ｂにかけての（００１）面配向が良好に形成される。
これによって、光変調素子５にコヒーレントなトンネル電流を流すことができ、磁化反転のための駆動電流を低減することができる。
【００５４】
緩衝層５３ｃとして、Ｔａ膜を用いる場合は、膜厚が薄すぎると、中間層５２を構成するＭｇＯの（００１）面配向性を向上することができない。一方、膜厚が厚すぎると、第２界面層５３ｂと主層５３ａとの間の静磁気的な結合が弱くなり、主層５３ａが多層膜の場合は、多層膜の磁化方向が一体的に変化しない。したがって、Ｔａ膜の膜厚は、０．２〜１．２ｎｍ程度とすることが好ましく、０．８〜１．２ｎｍとすることがより好ましい。
【００５５】
また、緩衝層５３ｃとして、Ｒｕ膜を用いる場合は、膜厚が薄すぎると、中間層５２を構成するＭｇＯの（００１）面配向性を向上することができない。一方、膜厚が厚すぎると、第２界面層５３ｂと主層５３ａとの間の静磁気的な結合が弱くなり、主層５３ａが多層膜の場合は、多層膜の磁化方向が一体的に変化しない。
【００５６】
ここで、緩衝層５３ｃとして、Ｒｕ膜を用いる場合は、金属中の伝導電子のスピンを介して行われる局在スピン同士の相互作用であるＲＫＫＹ相互作用により、Ｒｕ膜の膜厚が薄いと、第２界面層５３ｂと主層５３ａとの間を反平行に磁気的結合をし、膜厚が厚いと、両者を平行に磁気的結合をする。すなわち、緩衝層５３ｃとしてＲｕ膜を用いることにより、Ｒｕ膜に接する第２界面層５３ｂと、主層５３ａとの間を磁気的に強く結合する効果を有するが、膜厚が厚すぎると、ＲＫＫＹ相互作用による磁気的結合が減衰する。
【００５７】
このＲＫＫＹ相互作用により、緩衝層５３ｃとしてＲｕ膜を用いる場合の膜厚は、Ｔａ膜を用いる場合よりも厚くすることができ、０．２〜１．５ｎｍ程度とすることが好ましく、０．５〜１．５ｎｍとすることがより好ましい。
【００５８】
磁化自由層５３の第２界面層（界面層）５３ｂは、磁化固定層５１の第１界面層５１ｂと同様に構成することができる。第２界面層５３ｂとしては、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも１種の遷移金属またはこの遷移金属を含む合金を用いることができ、膜厚は０．１〜１ｎｍの範囲とすることが好ましい。遷移金属を含む合金としては、例えばＣｏ−Ｆｅ系、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｓｉ系の合金を挙げることができる。
【００５９】
磁化自由層５３の第２界面層５３ｂは、磁化固定層５１の第１界面層５１ｂおよび中間層５２を構成するＭｇＯの（００１）面配向の結晶と組み合わせて、光変調素子５にコヒーレントなトンネル電流を流すことができ、光変調素子５の磁化反転のための駆動電流を低減することができる。
【００６０】
保護層５４は、Ｔａ、Ｒｕ、Ｃｕの単層、または、Ｃｕ／Ｔａ、Ｃｕ／Ｒｕの２層などから構成される。なお、前記の２層構造とする場合は、いずれもＣｕを内側（下層）とする。保護層５４の厚さは、１ｎｍ未満であると連続した膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えて厚くしても、製造工程において磁化自由層５３などを保護する効果がそれ以上には向上せず、その上、光変調素子５の上方からの入射光の透過光量を減衰させる。したがって、保護層５４の厚さは１〜１０ｎｍとすることが好ましい。
【００６１】
上部電極２は、下部電極３と対になって光変調素子５の垂直方向に電流を流す役割を担う。上部電極２は、素子に電流を流すとともに、磁化自由層５３より下部の層に光を透過させるためにＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム−スズ酸化物）、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide：インジウム−亜鉛酸化物）、酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化アンチモン−酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）などの透明電極材料で構成される。
【００６２】
下部電極３は、上部電極２と対になって光変調素子５の垂直方向に電流を流す役割を担う。光変調素子５を反射型光変調素子として用いる場合は、電気抵抗の低いＣｕ、Ａｕなどの金属を用いることができる。また、光変調素子５を透過型光変調素子として用いる場合は、上部電極２と同様に、ＩＴＯ、ＩＺＯなどの透明電極材料を用いて構成することができる。
【００６３】
また、光変調素子５を反射型光変調素子として用いる場合には、下部電極３として、ｆｃｃ系材料であるＣｕ、Ａｕに代えて、ｂｃｃ系材料であるＴａ、Ｒｕを用いることにより、中間層５２のＭｇＯ膜の結晶性を（００１）面配向しやすくすることができる。なお、下部電極３の全部をＴａやＲｕで構成せず、下部電極３の下層はＣｕまたはＡｕなどを用い、光変調素子５と隣接する上層のみＴａまたはＲｕを用いるようにしてもよい。このとき、上層とするＴａ層またはＲｕ層の膜厚は、５０ｎｍ程度以上とすることが好ましい。
【００６４】
絶縁部材６は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＮ／ＳｉＯ２多層膜、Ａｌ２Ｏ３などの絶縁材料からなり、後記する空間光変調器において、複数の光変調素子５を画素としてマトリクス状に配列したとき、上部電極２と下部電極３と間に配設される画素間の隙間を埋める部材である。
【００６５】
絶縁部材６は、空間光変調器として複数の光変調素子５をマトリクス状に配列するように形成した後、スパッタリング法などにより前記した絶縁材料を堆積することにより形成することができる。
【００６６】
［光変調素子の動作］
ここで、光変調素子５の磁化反転の動作を、図２を参照して説明する。なお、図２において保護層５４は図示を省略する。スピン注入型磁化反転素子である光変調素子５は、磁化自由層５３内の電子のスピンと逆方向のスピンを持つ電子を注入することにより、すなわち電流を反対向きに供給することにより、磁化自由層５３の磁化方向を反転（スピン注入磁化反転、以下、適宜磁化反転という）させて、磁化固定層５１の磁化方向と同じ方向または１８０°異なる方向にする。具体的には、図２（ａ）に示すように、上部電極２を「＋」、下部電極３を「−」にして、磁化自由層５３側から磁化固定層５１へ電流を供給すると、磁化自由層５３の磁化は磁化固定層５１の磁化方向と同じ方向になる。以下、この状態を光変調素子５の磁化が平行である（Ｐ：Parallel）という。反対に、図２（ｂ）に示すように、上部電極２を「−」、下部電極３を「＋」にして、磁化固定層５１側から磁化自由層５３へ電流を供給すると、磁化自由層５３の磁化は磁化固定層５１の磁化方向と逆方向になる。以下、この状態を光変調素子５の磁化が反平行である（ＡＰ：Anti-Parallel）という。
【００６７】
光変調素子５の磁化が平行、反平行の何れかの磁化を示していれば、その磁化を反転させる電流が供給されるまでは、磁化自由層５３の保磁力Ｈcfにより磁化が保持される。このように、光変調素子５において磁化は保持されるため、光変調素子５に供給する電流としては、パルス電流のように、磁化方向を反転させる電流値に一時的に到達する電流を用いることができる。ただし、磁化自由層５３の保磁力Ｈcfが大きくなって磁化固定層５１の保磁力Ｈcpに近付くと、磁化反転に要する電流（磁化反転電流）が大きくなり、さらに磁化固定層５１の保磁力Ｈcp以上になると、電流供給による磁化反転動作ができなくなる。そのため、保磁力Ｈcf、ＨcpがＨcf＜Ｈcpとなるように、好ましくはその差が５００Ｏｅ以上となるように、磁化固定層５１および磁化自由層５３をそれぞれ構成する。
【００６８】
光変調素子５に入射した光が磁性体である磁化自由層５３で反射または回折して出射すると、カー効果（磁気カー効果）により、入射光はその偏光の向きが変化（旋光）する。さらに、図２（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示すように、磁化が平行、反平行な光変調素子５にそれぞれ入射した光は、磁化自由層５３の磁化方向が１８０°異なるため、同じ大きさの旋光角すなわち磁化自由層５３のカー回転角＋θk、−θk（以下、「θk」は向きを示さず大きさのみを示す。）で互いに逆方向に回転して出射する。そして、光変調素子５からの出射光は、その偏光の向きを供給される電流の向きに応じて変化させることで後記する空間光変調器などの画素として機能するため、偏光の変化すなわち旋光角の差となる磁化自由層５３のカー回転角θkが大きいことが好ましい。
【００６９】
カー効果の大きさは、入射光の波数ベクトルと磁性体の磁化ベクトルとのスカラー積に比例する。すなわち磁化自由層５３のカー回転角θkは、光の入射角が磁化自由層５３の磁化方向に平行に近いほど大きくなる。ここで、磁化自由層５３（および磁化固定層５１）が、膜面方向の磁化を有する（面内磁気異方性）と、光変調素子５の構造上、磁化方向に平行に近付けて光を入射させることが困難である。一方、磁化自由層５３が膜面に垂直な方向の磁化を有する、すなわち垂直磁気異方性であれば、容易に磁化方向に平行に光を入射することができ、極カー効果により、大きなカー回転角θkが得られる。本実施形態に係る光変調素子５は、磁化固定層５１および磁化自由層５３を前記したように構成することで、垂直磁気異方性を有して大きなカー回転角θkとするものである。
【００７０】
以上説明したように、第１実施形態に係る光変調素子５によれば、（００１）面配向したＭｇＯからなる中間層５２と接する磁化自由層５３の最下層である第２界面層５３ｂと、磁化自由層５３において磁化反転される層である主層５３ａとの間に、Ｔａ膜またはＲｕ膜からなる緩衝層５３ｃを設けたため、第２界面層５３ｂの（００１）面配向性を向上することができる。このため、磁化反転電流を低減した光変調素子とすることができる。
【００７１】
［空間光変調器、表示装置］
（空間光変調器および表示装置の第１実施形態）
次に、前記の本発明の第１実施形態に係る光変調素子５を画素に備える空間光変調器、およびこれを用いた表示装置の実施形態について、図３および図４を参照して説明する。なお、本明細書における画素とは、空間光変調器による表示の最小単位での情報（明／暗）を表示する手段を指す。
【００７２】
本発明の第１実施形態に係る空間光変調器１は、基板７（図４参照）上に、図３に示すように２次元アレイ状に配列された画素４からなる画素アレイ４０と、画素アレイ４０から１つ以上の画素４を選択して駆動する電流制御部８０を備える。なお、本明細書における平面（上面）は空間光変調器の光の入射面であり、空間光変調器１は画素４（画素アレイ４０）に上方から入射した光を反射または回折してその光を変調して上方へ出射する反射型の空間光変調器である。
【００７３】
図３に示すように、画素アレイ４０は、平面視でストライプ状の複数の上部電極２、２、…と、同じくストライプ状で、平面視で上部電極２と直交する複数の下部電極３、３、…と、を備え、上部電極２と下部電極３との交点毎に１つの画素４を設ける。したがって、画素４は、空間光変調器１の光の入射面に、２次元アレイ状に配列されて画素アレイ４０を構成する。本実施形態では、画素アレイ４０は、５行×５列の２５個の画素４からなる構成で例示される。なお、上部電極２と下部電極３は、適宜、両者をまとめて電極２，３と称する。そして、図３および図４に示すように、画素４は、当該画素４における一対の電極としての上部電極２および下部電極３と、これらの電極２、３に上下から挟まれた光変調素子５を備える。また、図４において、光変調素子５の保護層５４（図１参照）は図示を省略する。また、隣り合う上部電極２、２間、光変調素子５、５間、および下部電極３、３間は、絶縁部材６で埋められている。
【００７４】
図３に示すように、電流制御部８０は、上部電極２を選択する上部電極選択部８２と、下部電極３を選択する下部電極選択部８３と、これらの電極選択部８２、８３を制御する画素選択部（画素選択手段）８４と、電極２、３に電流を供給する電源（電流供給手段）８１と、を備える。これらはそれぞれ公知のものでよく、光変調素子５を磁化反転させるために適正な電圧・電流を供給するものとする。
【００７５】
上部電極選択部８２は、上部電極２の１つ以上を選択し、下部電極選択部８３は、下部電極３の１つ以上を選択し、それぞれに電源８１から所定の電流を供給させる。画素選択部８４は、例えば図示しない外部からの信号に基づいて画素アレイ４０の特定の１つ以上の画素４を選択し、選択した画素４に接続する電極２、３を電極選択部８２、８３に選択させる。電源８１は、選択した画素４に備えられる光変調素子５を磁化反転させるために適正な電圧・電流を供給する。このような構成により、特定の画素４が選択され、この画素４の光変調素子５に、所定の電流が供給されて磁化反転させる。なお、図３において、電源８１は、電極２、３のそれぞれ一端に電極選択部８２、８３を介して接続されているが、両端に接続されていてもよい。両端に接続されることにより、応答速度を上げ、画素間の動作ばらつきも低減できる。
【００７６】
空間光変調器１の画素４の構成の詳細を図３および図４を参照して説明する。上部電極２は、図４に示すように光変調素子５の上に配され、図３に示すように横方向に帯状に延設される。１つの上部電極２は、横１行に配置された複数の画素４、４、…のそれぞれの光変調素子５に電流を供給する。一方、下部電極３は、光変調素子５の下に配され、縦方向に帯状に延設される。１つの下部電極３は、縦１列に配置された複数の画素４、４、…のそれぞれの光変調素子５に電流を供給する。上部電極２は、光変調素子５の入射光および出射光を遮らないように透明電極材料で構成される。一方、下部電極３は導電性の優れた電極用金属材料で構成される。
【００７７】
光変調素子５は、図３に示すように、平面視で上部電極２と下部電極３の重なる部分に配され、この電極２、３に上下から挟まれて接続されている。光変調素子５の平面視形状は、本実施形態においては正方形であるが、これに限定されるものではない。また、１個の画素４につき１個の光変調素子５が配されているが、例えば１つの画素４に面方向で（１×３）個、（２×２）個などの複数の光変調素子５を備えてもよい。
【００７８】
上部電極２は、光が透過するように透明電極材料で構成される。透明電極材料は、例えば、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide：ＩＺＯ）、インジウム−スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化アンチモン−酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）などの公知の透明電極材料からなる。特に、比抵抗と成膜の容易さとの点からＩＺＯが最も好ましい。これらの透明電極材料は、スパッタリング法、真空蒸着法、塗布法などの公知の方法により成膜される。
【００７９】
電極（配線）を透明電極材料で構成する場合、電極とこの電極に接続する光変調素子５との間に金属膜を設けることが好ましい。すなわち透明電極材料で構成された上部電極２においては、光変調素子５との間の下地層として金属膜を積層することが好ましい（図示せず）。光変調素子５との間に金属膜を介在させることで、電極用金属材料より抵抗が大きい透明電極材料からなる上部電極２においても、上部電極２−光変調素子５間の接触抵抗を低減させて応答速度を上げることができる。
【００８０】
下地層を構成する金属としては、例えば、Ａｕ、Ｒｕ、Ｔａ、またはそれらの金属の２種以上からなる合金などを用いることができ、これらの金属はスパッタリング法などの公知の方法により成膜される。そして、下地層とその上の層すなわち透明電極との密着性をよくして接触抵抗をさらに低減するため、下地層となる金属膜は、透明電極材料と連続的に真空処理室にて成膜されることが好ましい。下地層の厚さは、１ｎｍ未満であると連続した膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えると光の透過量を低下させる。したがって、下地層の好ましい厚さは１〜１０ｎｍである。
【００８１】
下部電極３は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔａ、Ｃｒなどの金属やその合金のような一般的な電極用金属材料からなる。そして、スパッタリング法などの公知の方法により成膜、フォトリソグラフィ、およびエッチングまたはリフトオフ法などによりストライプ状に加工される。
【００８２】
基板７は、例えば表面を熱酸化したＳｉ基板、サファイア基板、ガラス基板などの公知の基板が適用できる。絶縁部材６は、隣り合う上部電極２、２間（図４では不図示）、光変調素子５、５間、および下部電極３、３間に配され、例えば、ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3などからなる。
【００８３】
（空間光変調器の製造方法）
次に、図３および図４に示す空間光変調器１の画素４（画素アレイ４０）の製造方法について、その一例を説明する。
まず、下部電極３を形成する。基板７の表面に、金属電極材料をスパッタリング法などにより成膜し、フォトリソグラフィなどによりストライプ状に形成して下部電極３とする。そして、下部電極３、３間にＳｉＯ2などの絶縁膜（絶縁部材６となる）を堆積させる。
【００８４】
次に、光変調素子５を形成する。下部電極３（および絶縁部材６）の上面に、連続して、磁化固定層５１、中間層５２、磁化自由層５３、保護層５４を、例えばスパッタリング法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などの公知の方法で、連続的に成膜、積層する。これらの層を電子線リソグラフィおよびイオンビームミリング法などにより前記平面視形状に成形加工して、光変調素子５とする。前記成形加工においてマスクとしたレジストを残した状態で、絶縁膜を成膜して、光変調素子５、５間（隣り合う画素４、４間におけるものを含む）に堆積させ、レジストをその上の絶縁膜ごと除去（リフトオフ）して絶縁部材６とする。あるいは、光変調素子５に成形加工した後レジストを除去して、絶縁膜を成膜して光変調素子５、５間に堆積させ、エッチングやＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学機械研磨）などにより光変調素子５の上の絶縁膜を除去してもよい。
【００８５】
次に、上部電極２を形成する。光変調素子５および絶縁部材６の上面に、下地層としての金属膜、透明電極材料を連続して成膜し、下部電極３と直交するストライプ状に形成して上部電極２とする。最後に、上部電極２、２間に絶縁部材６を堆積して、画素４（画素アレイ４０）とする。
【００８６】
（表示装置および空間光変調器の画素選択の動作）
次に、空間光変調器１の画素選択の動作を、この空間光変調器１を用いた表示装置１０として、図４を参照して説明する。電極２、３は、前記の通り、電流制御部８０に接続される。また、図４に示すように、本実施形態に係る表示装置１０においては、空間光変調器１の画素４（画素アレイ４０）の上方に、画素アレイ４０に向けて光を照射する光源９１と、光源９１から照射された光を画素アレイ４０に入射する前に偏光とする入射偏光フィルタＰＦ１と、画素アレイ４０で反射または回折して出射した光から特定の向きの偏光のみを透過する出射偏光フィルタＰＦ２と、出射偏光フィルタＰＦ２を透過した光を検出する検出器（画像表示手段）９３とが配置される。
【００８７】
光源９１は、例えばレーザー光源、およびこれに光学的に接続されてレーザー光を拡大するビーム拡大器、さらに拡大されたレーザー光を平行光とするレンズなどで構成することができる。光源９１から照射された入射光は様々な偏光成分を含んでいるので、これを画素アレイ４０の手前の入射偏光フィルタＰＦ１を透過させて、１つの偏光成分の光とする。以下、１つの偏光成分の光を偏光と称する。この偏光（入射偏光）は、画素アレイ４０のすべての画素４に所定の入射角で入射する。それぞれの画素４において、入射偏光は、上部電極２を透過して光変調素子５に入射し、光変調素子５の磁化自由層５３で反射または回折して出射偏光として出射し、再び上部電極２を透過して画素４から出射する。それぞれの画素４から出射したすべての出射偏光は、出射偏光フィルタＰＦ２に到達する。出射偏光フィルタＰＦ２は、特定の偏光、ここでは入射偏光に対して角度θap旋光した偏光のみを透過させ、この透過した出射偏光が検出器９３に入射される。偏光フィルタＰＦ１、ＰＦ２はそれぞれ偏光板などであり、検出器９３はスクリーンなどの画像表示手段である。あるいは、検出器９３はカメラなどの撮像手段としてもよい。
【００８８】
前記したように、光変調素子５はスピン注入型磁化反転素子であり、電極２、３から供給される電流の向きに応じて磁化反転して、磁化自由層５３で反射または回折した偏光を、互いに反対向きに旋光させる（図２（ａ）、（ｂ）参照）。磁化が平行、反平行である光変調素子５における旋光角をそれぞれθp，θapと表し、磁化自由層５３のカー回転角をθkとすると、θp＝＋θk、θap＝−θkとなり、電極２、３からの電流の向きにより光変調素子５からの出射光の偏光の向きの差すなわち旋光角の差|θp−θap|は２θkとなる。
【００８９】
あるいは、光変調素子５に入射した偏光が、磁化自由層５３、中間層５２、磁化固定層５１を透過し、下部電極３の上面で反射または回折して、再び磁化固定層５１、中間層５２、磁化自由層５３を透過して出射する構成であってもよい。この場合は、磁性体である磁化自由層５３および磁化固定層５１を透過することで、ファラデー効果により、偏光はその向きが、磁化自由層５３および磁化固定層５１のそれぞれの所定の角度（旋光角）に回転（旋光）する。ただし、磁化固定層５１の磁化方向は一定であるので、光変調素子５からの出射光の偏光の変化は磁化自由層５３のファラデー回転角θFによって決定される。出射光は磁化自由層５３を２回透過しているので、旋光角の差|θp−θap|は４θFとなる。
【００９０】
入射偏光に対して角度θap旋光した図４の左右両端の画素４、４からのそれぞれの出射偏光は、出射偏光フィルタＰＦ２を透過して検出器９３に到達するので、この画素４は明るく（白く）検出器９３に表示される。一方、中央の画素４からの出射偏光は、出射偏光フィルタＰＦ２で遮られるので、この画素４は暗く（黒く）、検出器９３に表示される。このように、画素毎に明／暗（白／黒）を切り分けられ、電流の向きを切り換えれば明／暗が切り換わる。なお、空間光変調器１の初期状態としては、例えば全体が白く表示されるように、すべての画素４の光変調素子５の磁化を反平行にするべく、上部電極２のすべてを「−」、下部電極３のすべてを「＋」にして、上向きの電流を供給すればよい。
【００９１】
ここで、磁化自由層５３のカー回転角θkおよびファラデー回転角θFは、前記したように光の入射角が磁化自由層５３の磁化方向に近いほど大きい。したがって、入射角は膜面に垂直すなわち０°とすることが旋光角の差|θp−θap|を最大にする上で望ましいが、このようにすると出射偏光の光路が入射偏光の光路と一致する。そこで、入射角を少し傾斜させて、出射偏光フィルタＰＦ２および検出器９３、光源９１および入射偏光フィルタＰＦ１が、それぞれ入射偏光および出射偏光の光路を遮らない配置となるようにする。具体的には、偏光の入射角は５°〜３０°とすることが好ましい。または、入射角０°として、入射偏光フィルタＰＦ１と画素アレイ４０との間にハーフミラーを配置して、出射偏光のみを側方へ反射させてもよい。この場合、出射偏光フィルタＰＦ２および検出器９３は画素アレイ４０の側方に配置する。
【００９２】
（空間光変調器の変形例）
なお、第１実施形態に係る空間光変調器において、上下を入れ替えた構成として基板側から入射する反射型の空間光変調器としてもよい（図示せず）。すなわち、下部電極を透明電極材料で、上部電極を電極用金属材料でそれぞれ構成して、下方から入射した光が下部電極を透過して光変調素子５または上部電極で反射または回折して再び下部電極を透過して出射する。この場合、下部電極は上部電極を透明電極材料で構成した場合と同様に、光変調素子５との間に金属膜である下地層を設けて接触抵抗を低減させることが好ましい。また、光変調素子５は磁化固定層５１と磁化自由層５３の位置を入れ替えて積層する。さらに、基板は、下方から画素４に光を入射させて、再び画素４から出射した光がさらに下方へ照射されるように、透明な基板材料、例えば、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯなどからなる。このような構成の空間光変調器は、画素アレイ４０の上下（表裏）を反転させて基板側を光源９１などに向けて配置することで、表示装置１０（図４参照）に用いることができる。
【００９３】
（空間光変調器および表示装置の第２実施形態）
次に、図５を参照して、空間光変調器および表示装置の第２実施形態について説明する。
図４に示した第１実施形態の空間光変調器１および表示装置１０は、空間光変調器を反射型に構成し、その空間光変調器を用いて表示装置を構成したものである。これに対して、図５に示した第２実施形態の空間光変調器１Ａは、空間光変調器を透過型に構成し、この空間光変調器１Ａを用いて表示装置１０Ａを構成するものである。なお、第１実施形態の空間光変調器１および表示装置１０と同じ構成については、同じ符号を付して説明は適宜省略する。
【００９４】
図５に示すように、第２実施形態の空間光変調器１Ａは、上部電極２および下部電極３Ａをともに透明電極材料で構成して、透過型の空間光変調器１Ａとする。このとき、基板７Ａは、上方から画素４Ａを透過した光がさらに下方へ照射されるように、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯなどの透明な基板材料からなる。また、光変調素子５は磁化固定層５１と磁化自由層５３の位置を入れ替えて積層してもよい。このような空間光変調器１Ａを用いた表示装置１０Ａにおいては、光源９１および入射偏光フィルタＰＦ１は画素アレイ４０Ａの直上に、出射偏光フィルタＰＦ２および検出器９３は、画素アレイ４０Ａの直下にそれぞれ配置し、入射角０°とすることができる。また、空間光変調器１Ａは、画素アレイ４０Ａの上下を反転させて表示装置１０Ａに配置されてもよい。
【００９５】
第２実施形態の空間光変調器１Ａおよび表示装置１０Ａの動作は、第１実施形態の空間光変調器１および表示装置１０において、光変調素子５による主としてカー効果による変調を受ける反射光または回折光に代えて、光変調素子５によるファラデー効果による変調を受ける透過光を出射偏光とするほかは同様であるので、説明は省略する。
【００９６】
以上説明したように、本発明の各実施形態およびその変形例に係る空間光変調器によれば、駆動電流を低減したスピン注入型磁化反転素子である光変調素子を画素として用いるため、安定した画素選択動作をする空間光変調器とすることができる。また、かかる空間変調器を用いた表示装置は、鮮明でばらつきの少ない画像を表示することができる。
【００９７】
以上、本発明のスピン注入型磁化反転素子、光変調素子、空間光変調器および表示装置を実施するための各実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。例えば、スピン注入型磁化反転素子の磁化自由層は、磁化反転させる電流が供給されるまではその磁化方向を保持するという磁化方向のメモリ効果を利用して、スピン注入型磁化反転素子をメモリ素子として利用することができる。
【００９８】
＜光変調素子の変形例＞
［光変調素子（スピン注入型磁化反転素子）］
次に、図６を参照して、本発明における光変調素子の第１実施形態の変形例について説明する。第１実施形態（図１参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。図６に示すように、本発明の変形例に係る光変調素子５Ａは、磁化固定層５１、中間層５２、磁化自由層５３Ａ、保護層５４の順に積層され、磁化自由層５３Ａを備えること以外は第１実施形態に係る光変調素子５と同じ構成のスピン注入型磁化反転素子であり、磁化反転動作および入射光の旋光も同様である。
【００９９】
本変形例における光変調素子５Ａの磁化自由層５３Ａは、図１に示した第１実施形態における光変調素子５の磁化自由層５３において、磁性金属膜５３ａ１と非磁性金属膜５３ａ２を交互に積層してなる多層膜からなる主層５３aに代えて、緩衝層５３ｃと接する多層膜の最下層を合金膜５３ａ３とした主層５３Ａａを用いて構成したものである。合金膜５３ａ３は、磁性金属膜５３ａ１を構成する磁性金属と、非磁性金属膜５３ａ２を構成する非磁性金属との合金を用いて構成する。磁性金属膜５３ａ１および非磁性金属膜５３ａ２としては、第１実施形態で用いることができる材料と同じであるので、説明は省略する。
【０１００】
このように、磁化自由層５３Ａにおける多層膜からなる主層５３Ａａの最下層を、多層膜の他の層を構成する磁性金属と非磁性金属との合金としても、第２界面層５３ｂの（００１）面配向を向上することができる。
【０１０１】
本変形例の光変調素子５Ａの動作は、図１に示した第１実施形態の光変調素子５と同様であるので、説明は省略する。また、図３ないし図５に示した空間光変調器および表示装置において、図１に示した第１実施形態の光変調素子５に代えて、本変形例の光変調素子５Ａを用いても空間光変調器および表示装置を構成することができ、その動作も同様であるので、説明は省略する。
【実施例】
【０１０２】
本発明の効果として中間層のＭｇＯの（００１）面配向の強さを確認するために、実施例１として、図１に示した構造の本発明の第１実施形態に係る光変調素子のサンプルを、実施例２として、図６に示した構造の本発明の第１実施形態の変形例に係る構成の光変調素子のサンプルを、比較例として、図７に示した構造の従来技術の光変調素子のサンプルを作製し、それらのＸ線回折パターンを測定した。
【０１０３】
実施例１、実施例２および比較例における光変調素子のサンプルの各層の構成材料および膜厚を表１に示す。
【０１０４】
【表１】
2012230143.tif 000003
【０１０５】
まず、実施例１、実施例２および比較例のサンプルに共通する構成について説明する。基板は厚さ３００ｎｍ程度の熱酸化膜付きのＳｉ基板を用いた。下部電極は、膜厚が５０ｎｍのＴａ膜上に膜厚が３ｎｍのＲｕ膜を積層して形成した。
【０１０６】
磁化固定層は、主層を膜厚が３０ｎｍのＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ系合金膜とし、第１界面層を膜厚が１．２ｎｍのＣｏ−Ｆｅ−Ｂ系合金膜で形成した。中間層は、膜厚が３０ｎｍのＭｇＯ膜を形成した。なお、中間層であるＭｇＯ膜の膜厚は、素子としては１ｎｍ程度が好ましいが、Ｘ線回折におけるＸ線感度を向上して、ＭｇＯ膜の（００１）面配向性を確認しやすくするため、膜厚を厚く形成した。
【０１０７】
また、磁化自由層の第２界面層は、膜厚が０．６ｎｍのＣｏ−Ｆｅ−Ｂ系合金膜で形成した。磁化自由層の緩衝層および主層は、それぞれのサンプルで構成が異なるため後記する。
【０１０８】
保護層は、膜厚が１．８ｎｍのＴａ膜上に、膜厚が２ｎｍのＰｔ膜を積層して形成した。上部電極は、膜厚が３５０ｎｍのＩＺＯ膜で形成した。
【０１０９】
磁化自由層の緩衝層は、実施例１および実施例２では、膜厚が１ｎｍのＴａ膜で形成した。なお、比較例では、緩衝層は形成しない。
【０１１０】
実施例１では、磁化自由層の主層は、膜厚が０．３ｎｍのＣｏ膜と膜厚が１．５ｎｍのＰｔ膜とを、最下層をＣｏ膜として、交互に合計で５層を積層して形成した。実施例２では、磁化自由層の主層は、最下層を膜厚が１．２ｎｍの、組成がそれぞれ５０ａｔ％のＣｏ−Ｐｔ合金膜とし、さらに膜厚が１．５ｎｍのＰｔ膜と膜厚が０．３ｎｍのＣｏ膜とを交互に合計で４層を積層して形成した。比較例では、磁化自由層の主層は、膜厚が０．３ｎｍのＣｏ膜と膜厚が１．５ｎｍのＰｔ膜とを、最下層をＰｔ膜として、交互に合計で６層を積層して形成した。
【０１１１】
なお、中間層のＭｇＯ膜および上部電極のＩＺＯ膜は、ＲＦイオンビームスパッタリング法により製膜した。それ以外の膜は、ＤＣイオンビームスパッタリング法により製膜した。また、何れのサンプルも真空中で３００度の熱処理を行った。
【０１１２】
図８に、実施例１、実施例２および比較例として作製した光変調素子のサンプルのX線回折パターンのプロファイル示す。なお、Ｘ線源はＣｕＫαを用いた。
【０１１３】
図８に示すように、ｂｃｃ系のＴａ膜の（１１０）面、ｆｃｃ系のＰｔ膜の（１１１）面、およびＭｇＯ膜の（００２）面のピークが、各サンプルで観測された。ＭｇＯ膜の（００２）面は、ＭｇＯ膜の（００１）面に平行な面であり、Ｘ線回折測定では、消滅則によりＭｇＯ膜の（００１）面は観測されず、ＭｇＯ（００２）面が観測される。したがって、実施例１および実施例２ともに、比較例に比べてＭｇＯ膜の（００２）面のピーク強度が増大しており、ＭｇＯ膜の（００１）面配向性が向上していることを示している。すなわち、緩衝層としてＴａ膜を挿入した効果があることを示している。
【符号の説明】
【０１１４】
１、１Ａ  空間光変調器
１０、１０Ａ  表示装置
４０、４０Ａ  画素アレイ
４、４Ａ  画素
２      上部電極
３、３Ａ  下部電極
５、５Ａ  光変調素子（スピン注入型磁化反転素子）
５１    磁化固定層
５１ａ  主層
５１ｂ  第１界面層
５２    中間層
５３、５３Ａ  磁化自由層
５３ａ、５３Ａａ  主層
５３ａ１  磁性金属膜
５３ａ２  非磁性金属膜
５３ａ３  合金膜
５３ｂ  第２界面層（界面層）
５３ｃ  緩衝層
５４    保護層
６      絶縁部材
７、７Ａ  基板
８０    電流制御部
８１    電源（電流供給手段）
８４    画素選択部（画素選択手段）
９１    光源
９３    検出器（画像表示手段）
ＰＦ１  入射偏光フィルタ
ＰＦ２  出射偏光フィルタ（偏光子）
【図１】
2012230143.tif 000004
【図２】
2012230143.tif 000005
【図３】
2012230143.tif 000006
【図４】
2012230143.tif 000007
【図５】
2012230143.tif 000008
【図６】
2012230143.tif 000009
【図７】
2012230143.tif 000010
【図８】
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