(57)【要約】【課題】光変調度に優れたスピン注入型光変調素子およびそれを用いた空間光変調器を提供する。【解決手段】下部電極層２と、磁化固定層３と、非磁性中間層４と、磁化自由層５と、上部電極層６とがこの順序で積層された構造を有し、下部電極層２と上部電極層６とからなる一対の電極を介して電流を供給することにより磁化自由層５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スピン注入型光変調素子１であって、下部電極層２は、少なくとも上層部がＡｕからなることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極層と、磁化固定層と、非磁性中間層と、磁化自由層と、上部電極層とがこの順序で積層された構造を有し、
前記下部電極層と前記上部電極層とからなる一対の電極を介して電流を供給することにより前記磁化自由層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スピン注入型光変調素子であって、
前記下部電極層は、少なくとも上層部がＡｕからなることを特徴とするスピン注入型光変調素子。
【請求項２】
前記磁化自由層および前記磁化固定層は、垂直磁気異方性を有することを特徴とする請求項１に記載のスピン注入型光変調素子。
【請求項３】
前記磁化自由層の一部はＧｄを含む磁性膜からなり、前記磁化固定層の一部はＴｂを含む磁性膜からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスピン注入型光変調素子。
【請求項４】
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源と、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、
前記画素は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光変調素子であ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、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スピン注入型光変調素子、およびこれを用いた空間光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の位相や振幅を空間的に変調する光学素子は、ホログラフィーなどの画像露光装置に応用され、ディスプレイ技術や記録技術などの分野で広く利用されている。また、このような光学素子は、２次元で並列に光情報を処理することができるため、光情報処理技術などへの応用も研究されている。
【０００３】
代表的なＳＬＭ（Spatial Light Modulator）に液晶パネルを用いた空間光変調器がある。液晶パネルは、油状で透明な液晶材料が２枚の透明な基板で挟まれた構造をしている。透明な基板としては主にガラスが用いられることが多いがプラスチックを用いることもある。この透明な基板の内面には、液晶に電圧を印加する電極として透明電極が設けられている。透明電極の材料には、抵抗値が低く形状を作製するのが容易なインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）が広く用いられている。これらを用いてホログラフィーを再現しようと試みられているが、応答速度の遅さや画素の高精細性が不足しているために、像の再生は限定的なものに限られていた（非特許文献１参照）。
【０００４】
画素の高精細化と応答速度の問題を解決するために、特許文献１または特許文献２に示すような磁性ガーネットのファラデー効果を利用した高速応答の磁気光学式空間光変調器（以降、ＭＯＳＬＭ：：Magneto-Optic SLM）の例が開示されている。
【０００５】
特許文献１には、各ピクセルに対応した領域毎に個別に光反射膜を形成し、局所熱処理と光反射鏡により印加される応力とで各ピクセル間が磁気的に分離したＭＯＳＬＭが記載されている。また、特許文献１には、各ピクセルの外形に一致するようにＸＹ駆動ラインを形成し、局所熱処理とＸＹ駆動ラインにより印加される応力とで、各ピクセル間が磁気的に分離されているＭＯＳＬＭが記載されている。これらにより、特許文献１に記載の技術は、ピクセル間の距離をピクセルサイズ以下に狭めることが可能となる。また、磁性ガーネットがシングルドメイン構造（単磁区構造）を形成されていれば、ＸＹ駆動ラインにパルス電流を印加することによって、磁性ガーネットの磁化を反転させることができる。
特許文献２に記載されたＭＯＳＬＭは、ＸＹ駆動ラインヘの通電が合致したピクセルに対して合成磁界を印加し、選択的に磁化反転をする構造となっている。
【０００６】
ところで、スピン注入磁化反転技術（ＳＴＳ：Spin Transfer Switching）は、サブミクロン以下の小さな磁性体の磁化を反転させる技術として注目されている（非特許文献２参照）。ＳＴＳを用いることで、ギガビット（Ｇbit）級の超高密度な磁気ランダムメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）への応用が期待されている。また、近年、メモリヘの応用だけでなく、磁気光学効果とＳＴＳとを組み合わせることで光を変調する光変調素子が提案されている。
【０００７】
本願発明者らは、これまでに、磁化方向の変化を用いて画素選択を行う撮像装置において、スピン注入により磁化反転させるスピン注入型磁化反転素子と、偏光手段とを用いて、画素選択を行うことを提案している（特許文献３参照）。この特許文献３に記載されたように、スピン注入により磁化反転を行う光変調器は、入射光の偏光面を変えることで、光を変調させる方式であるために高速・高精細が可能である。
【０００８】
また、本願発明者らは、磁気光学効果を用いた空間光変調器において、膜面に垂直な垂直磁気異方性を有する磁性材料から構成されている磁性膜を用いることを提案している（特許文献４参照）。特許文献４に記載された空間光変調器は、磁性膜の少なくとも１つが垂直磁気異方性を有する磁性材料から構成されているため、膜面に平行な面内磁気異方性を有する磁性材料と比較して磁気光学効果を大きくすることができる。そのため、入射光の光変調度（偏光度）を大きくすることが可能となり、かつ低消費電力にすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−７０１０１号公報
【特許文献２】特開２００５−２２１８４１号公報
【特許文献３】特開２００８−６０９０６号公報
【特許文献４】特開２００９−１３９６０７号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】T.Sonehara, H.Miura, and J.Amako,“Moving 3D-CGH Reconstruction Using a Liquid Crystal Spatial Wavefront Modulator”, the 12th International Display Research Conference, 1992, pp.315-318
【非特許文献２】E.B.Mayer, D.C.Ralph, J.A.Katine, R.N.Louie, R.A.Buhrman,“Current-induced switching of domains in magnetic multilayer devices”, Science, 1999, Vol.285, pp.867-870
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ＳＬＭにおいては、画素サイズ（画素ピッチ）を微細化すると共に、応答を高速化することが要望されている。しかしながら、液晶パネルを用いたＳＬＭでは、画素サイズを数μｍ以下とするような微細化が困難であると共に、印加電圧に対する応答時間が数十μｓ程度と比較的遅いという問題がある。
【００１２】
また、特許文献１に記載されたＭＯＳＬＭは、ＸＹ駆動ラインを、画素の内側に収まり且つ画素の外形に一致するように形成した構造となっているので、画素サイズを数μｍ以下とするような微細化が困難である。また、特許文献２に記載されたＭＯＳＬＭは、ＸＹ駆動ラインへの通電による合成磁界を利用するために、画素を微細化すると隣接した画素へのクロストークが大きくなってしまうという問題がある。
【００１３】
これに対して、特許文献３に記載されたスピン注入型の光変調素子は、印加電圧に対する応答時間が数ｎｓ程度であり、画素サイズもサブミクロンが可能であるので高性能である。しかしながら、光変調度が十分に大きいとは言えなかった。
【００１４】
光変調度は磁気光学効果と密接に関係しており、カー効果やファラデー効果による旋光の角度（カー（Kerr）回転角やファラデー回転角）が大きくなれば、光変調度も大きくなる。そのため、特許文献４に記載されたスピン注入型の光変調素子では、例えばＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）素子やＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）素子のようなスピン注入型磁化反転素子を用いた光変調素子を構成する磁性膜部分において材料等の条件を工夫することで磁気光学効果の改善が図られてきた。つまり、光変調素子を構成する磁性膜部分として、例えばピンド層（磁化固定層）およびフリー層（磁化自由層）の材料等の条件が着目されてきた。
【００１５】
しかしながら、ホログラフィー表示装置やホログラム記録装置への応用を考えた場合には、光変調度が充分に大きいとは言えず、そのため、コントラストが弱くなってしまう。つまり、特許文献４の技術には、光変調度を大きくする技術にさらなる改良の余地があり、光変調度を改善することが望まれていた。
【００１６】
本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、その課題は、光変調度に優れたスピン注入型光変調素子およびそれを用いた空間光変調器を提供することにある。
【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、本発明に係るスピン注入型光変調素子は、下部電極層と、磁化固定層と、非磁性中間層と、磁化自由層と、上部電極層とがこの順序で積層された構造を有し、前記下部電極層と前記上部電極層とからなる一対の電極を介して電流を供給することにより前記磁化自由層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スピン注入型光変調素子であって、前記下部電極層は、少なくとも上層部がＡｕからなることを特徴とする。
【００１８】
かかる構成によれば、上部電極層側から入射した光が、上部電極層と下部電極層との間に流れる電流によって変化した磁化自由層の磁化方向の磁気光学効果によって、偏光方向が変化して出射する。ここで、磁化自由層、非磁性中間層および磁化固定層からなる素子部を透過して光変調を受けた入射光は、Ａｕからなる下部電極層の上層部で効率的に反射され、再び素子部を透過することにより、さらに光変調を受け出射する。これによって、光変調素子は、出射光総体における磁気光学効果であるカー回転角を増大させ、光変調度が向上する。
【００１９】
また、スピン注入型光変調素子は、前記磁化自由層および前記磁化固定層が垂直磁気異方性を有することを特徴とする。
【００２０】
かかる構成によれば、磁化自由層および磁化固定層が、磁化方向が層面に対して垂直な垂直磁気異方性を有するため、磁化方向が層面に対して平行な面内磁気異方性を有する場合に比べて、磁気光学効果が大きく、光変調度が高くなる。
【００２１】
また、スピン注入型光変調素子は、前記磁化自由層の一部がＧｄを含む磁性膜からなり、前記磁化固定層の一部がＴｂを含む磁性膜からなることを特徴とする。
【００２２】
かかる構成によれば、磁化自由層の一部がＧｄを含む磁性膜からなるため、その磁気異方性が小さく、磁化自由層の保磁力を小さくすることができる。その結果、磁化自由層は、スピン分極された電子の注入によって磁化方向が容易に反転する。また、磁化固定層の一部がＴｂを含む磁性膜からなるため、Ｔｂによって磁化固定層の保磁力を大きくすることができる。その結果、磁化固定層は、磁化方向が外部磁界によって容易に変わることがない。
【００２３】
本発明に係る空間光変調器は、基板と、この基板上に２次元配列された複数の画素と、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源と、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ものであって、前記画素は、前記光変調素子であることを特徴とする。
【００２４】
かかる構成によれば、基板上に２次元配列された複数の画素から画素選択手段によって画素が選択され、その選択された画素に電源から電流が供給されることにより、入射した光の偏光方向が画素の磁気光学効果によって特定方向に変化して出射する。そして、画素毎に供給される電流の向きを制御することによって、画素から出射する光のカー回転角（旋光角度）を画素毎に制御することが可能となり、画素によって表示される光の明暗を画素毎に変化させることができる。その際、画素が、カー回転角の増大によって光変調度が向上した前記光変調素子であることによって、画素毎のカー回転角の差が大きくなり、表示される光の明暗度合い（コントラスト）も大きくなる。よって、空間光変調器の光変調度も向上したこととなる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の光変調素子によれば、磁気光学効果であるカー回転角を増大させるため、光変調度が優れたものとなる。
また、本発明の光変調素子によれば、磁化方向が層面に平行な面内磁気異方性を有する磁性材料から形成されている場合に比べて、光変調度が優れたものとなる。
さらに、本発明の光変調素子によれば、前記した効果に加えて、高速な応答と安定した動作をすることができる。
本発明の空間光変調器によれば、本発明に係る光変調素子を画素として備えるため、光変調度が優れたものとなる。よって、本発明に係る光変調素子および空間光変調器は、例えば、ホログラフィー表示装置やホログラム記録装置への応用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）、（ｂ）は、本発明に係るスピン注入型光変調素子の構成を示す模式的な断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、本発明に係るスピン注入型光変調素子の動作を説明する模式的な断面図である。
【図３】本発明に係るスピン注入型光変調素子を用いた空間光変調器の構成を示す模式的な平面図である。
【図４】図３に示す空間光変調器を用いた表示装置の模式図で、図３のＡ−Ａ線における断面に対応する図である。
【図５】スピン注入型光変調素子における下部電極層のＡｕ膜の厚さ（ＴＡｕ）と、カー回転角（θｋ）との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明に係るスピン注入型光変調素子（以降、光変調素子）および空間光変調器を実施するための形態について図面を参照して説明する。
【００２８】
［光変調素子］
図１（ａ）に示すように、光変調素子１の第１実施形態は、空間光変調器の基板２０の上に、下部電極層２と、下地層７と、磁化固定層３と、非磁性中間層４と、磁化自由層５と、保護層８と、上部電極層６とがこの順序で積層された構造を有する。そして、下部電極層２と上部電極層６とからなる一対の電極を介して、光変調素子１の積層方向である各層面に垂直に電流が供給される。また、光変調素子１は、磁化方向が一方向に固定された磁化固定層３および磁化の方向が反転可能な磁化自由層５を、非磁性導体または非磁性絶縁体からなる非磁性中間層４を挟んで備えたＧＭＲ素子やＴＭＲ素子等のスピン注入型磁化反転素子である。
【００２９】
光変調素子１を構成する各層は、下部電極層２が形成された上に、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、電子線リソグラフィおよびイオンビームミリング法等で所望の平面視形状に加工される。光変調素子１の平面視形状は限定されないが、一辺が１００〜５００ｎｍ程度の矩形またはこれに相当する大きさの形状であれば、磁化固定層３および磁化自由層５がそれぞれ単磁区を形成し易く好ましい。以下、光変調素子１を構成する各層の詳細を説明する。
【００３０】
（下部電極層）
下部電極層２は、光変調素子１の最下部に配置され、上部電極層６とともに一対の電極を構成し、光変調素子１の素子垂直方向に電流を供給し、素子に流す電流の向きにより磁化自由層５の磁化の向きを制御する。なお、下部電極層２は、空間光変調器１０（図３、図４参照）に用いられる場合には、隣り合う光変調素子１の下部電極層２同士が結合して帯状の電極層を形成することが好ましい。
【００３１】
下部電極層２は、Ａｕ膜２ａの単層からなる。下部電極層２がＡｕ膜２ａからなることにより，磁気光学効果としてカー回転角が増大し、光変調素子１の光変調度が向上する。すなわち、下部電極層２を光の反射率の高いＡｕとすることにより、素子部１ａ（磁化自由層５、非磁性中間層４および磁化固定層３）を透過してくる入射光を効率的に反射し、再度素子部１ａで光変調を受けさせて出射光に加えることができる。そのため、結果的に出射光の総体におけるカー回転角が増大し、光変調度を向上させることができる。
【００３２】
Ａｕ膜２ａの厚さは、１０ｎｍ以上が好ましく、３０ｎｍ以上がさらに好ましい。図５に示すように、Ａｕ膜２ａの厚さ（ＴＡｕ）が１０ｎｍ未満であると、光変調度の向上に寄与する程のカー回転角（θｋ）の増大が期待できない。また、厚さ（ＴＡｕ）が３０ｎｍ以上で、カー回転角（θｋ）の増大が飽和する。
そして、下部電極層２は、スパッタリング法等の公知の方法により成膜、フォトリソグラフィ、およびエッチングまたはリフトオフ法等によりストライプ状に加工されることによって形成する。
【００３３】
（磁化固定層）
磁化固定層３は、磁化方向が一方向に固定された一層以上の磁性膜を備えた膜であって、電流中の電子のスピンを弁別する機能を有する。磁化固定層３は、磁化自由層５と同方向の磁気異方性を持つことが好ましく、磁化自由層５に垂直磁気異方性を有する磁性膜を用いた場合には、磁化固定層３も垂直磁気異方性を有する磁性膜を用いる。磁化固定層３は、垂直磁気異方性を有するＧＭＲ素子やＴＭＲ素子等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１０〜３０ｎｍとすることが好ましい。
磁化固定層３は、単層構造（主層３ｂ）、主層３ｂの非磁性中間層４側に上層３ａを積層した２層構造のいずれの構造であってもよい。
【００３４】
主層３ｂを構成する磁性材料としては、具体的には、Ｔｂ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのような遷移金属およびそれらを含む合金、例えばＴｂＦｅ系、ＴｂＦｅＣｏ系、ＣｏＣｒ系、ＣｏＰｔ系、ＣｏＰｄ系、ＦｅＰｔ系の合金があり、特に、Ｔｂを含む合金が好ましい。そして、主層３ｂは、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金膜が好ましい。
主層３ｂは、これらの遷移金属の膜と非磁性金属の膜とを交互に積層した多層膜で構成してもよく、Ｃｏ膜／Ｐｔ膜，Ｆｅ膜／Ｐｔ膜，Ｃｏ膜／Ｐｄ膜等の多層膜が挙げられる。これらの材料で構成することで、強い垂直磁気異方性を有し、また大きな保磁力を有する磁化固定層３とすることができる。
【００３５】
上層３ａは、ＣｏＦｅ合金等の遷移金属または遷移金属を含む合金からなる厚さ０．１〜２ｎｍの合金膜（Ｃｏ−Ｆｅ合金膜）が好ましい。主層３ｂの非磁性中間層４側にＣｏ−Ｆｅ合金膜等を配置することで、当該界面でのスピン偏極率を高くして、非磁性中間層４を介して磁化自由層５へ注入するスピンによるスピントルクが増大するため、スピン注入効率が高まり、反転電流を低減することができる。
【００３６】
（非磁性中間層）
非磁性中間層４は、磁化固定層３と磁化自由層５との間に設けられ、磁化固定層３と磁化自由層５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。光変調素子１がＧＭＲ素子であれば、非磁性中間層４は、Ｃｕ膜，Ａｕ膜，Ａｇ膜のような非磁性金属膜からなり、その厚さは６〜２０ｎｍ程度である。また、光変調素子１がＴＭＲ素子であれば、非磁性中間層４は、ＭｇＯ膜，Ａｌ2Ｏ3膜，ＨｆＯ2膜のような非磁性絶縁体膜や、Ｍｇ膜／ＭｇＯ膜／Ｍｇ膜のような非磁性絶縁体を含む積層膜からなり、その厚さは０．５〜３ｎｍ程度である。光変調素子１は、反射型の空間光変調器１０（図３、図４参照）に適用される場合は、特にＡｇからなる厚さ６〜２０ｎｍの非磁性中間層４を設けたＧＭＲ素子とすることが好ましい。
【００３７】
（磁化自由層）
磁化自由層５は、光の入射側に配置された一層以上の磁性膜を備え、スピン注入によって容易に磁化が反転するとともに、磁気光学効果が大きいことが好ましい。磁化自由層５は、磁気光学効果を大きくするために、垂直磁気異方性を有する磁性膜を用いることが好ましい。このような磁化自由層５は、例えばＧｄを含む合金膜が好ましく、例えばＧｄ−Ｆｅ合金膜である。また、磁化自由層５には、Ｇｄ−Ｆｅ−Ｃｏ合金膜、Ｃｏ−Ｐｔ合金膜、ＣｏとＰｔの多層膜、Ｃｏ−Ｐｄ合金膜、ＣｏとＰｄの多層膜、Ｍｎ−Ｂｉ合金膜、Ｍｎ−Ｓｂ合金膜、Ｐｔ−Ｍｎ−Ｓｂ合金膜等を用いてもよい。なお、Ｇｄ−Ｆｅ合金膜からなる磁化自由層５は、波長７８０ｎｍ近傍の光に対する磁気光学効果が大きく、Ｆｅの含有率が多くなると、依存性は小さいが、磁気光学効果がさらに向上する。このような磁化自由層５は、例えばスパッタリング法にて成膜する場合は、磁化自由層５の所望の合金膜組成に対応した組成の合金からなるターゲットを用いればよい。なお、ターゲットの組成と形成される膜の組成とは必ずしも一致しないので、予め調査した上でターゲットの組成を決定する。
【００３８】
磁化自由層５は、厚さが厚くなるとファラデー回転角が比例して大きくなり、光変調度が高くなるため、厚さ５ｎｍ以上が好ましい。一方、ＧｄＦｅ合金膜は、厚さが３０ｎｍ以上になると、光が透過せずに表面で反射するようになるため、旋光角が膜厚に依存しないカー回転角になり、２０ｎｍを超えて厚くしても、光変調度のさらなる向上の効果は得られない。したがって、磁化自由層５の厚さは、５〜２０ｎｍが好ましい。
【００３９】
（上部電極層）
上部電極層６は、光変調素子１の最上部に配置され、下部電極層２と共に一対の電極を構成し、光変調素子１の素子垂直方向に電流を供給し、素子に流す電流の向きにより磁化自由層５の磁化の向きを制御する。なお、上部電極層６は、空間光変調器１０（図３、図４参照）に用いられる場合には、隣り合う光変調素子１の上部電極層６同士が結合して帯状の電極層を形成することが好ましい。
【００４０】
上部電極層６は、光の入射側に配置され、磁化自由層５より下部の層に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−スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide：ＩＺＯ）、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が挙げられる。上部電極層６は、前記透明電極材料を用いて、スパッタリング法、真空蒸着法、塗布法等の公知の方法により成膜し、成形加工により形成される。
【００４１】
（下地層）
下地層７は、磁化固定層３と下部電極層２との間に、密着性や薄膜の結晶配向性等を向上させるために設けられ、導電性に優れた金属膜で構成する。下地層７（金属膜）には、例えば、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ｒｕ等の導電性金属が用いられ、特にＲｕが好ましい。また、下地層７の厚さは、１〜１０ｎｍが好ましい。
【００４２】
（保護層）
保護層８は、上部電極層６と磁化自由層５との間に設けられ、製造工程におけるダメージから磁化自由層５を保護するとともに、前記層の酸化を防止するために設けられるものである。保護層８は、Ｃｕ膜，Ａｌ膜，Ａｕ膜，Ｒｕ膜，Ｔａ膜等の単層膜、または、Ｃｕ膜／Ｔａ膜，Ｃｕ膜／Ｒｕ膜の２層膜等（Ｃｕ膜が内側（磁化自由層５側））から構成され、特にＲｕ膜が好ましい。保護層８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を超えて厚くすると、光変調素子１の上方からの入射光の透過光量を減衰させるため、１〜１０ｎｍとすることが好ましく、３〜５ｎｍとすることがさらに好ましい。
【００４３】
（光変調素子の磁化反転の動作）
次に、光変調素子１の磁化反転の動作を、図２を参照して説明する。なお、図２において下地層７および保護層８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１は、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５の磁化方向を反転させて、磁化固定層３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、上部電極層６を「＋」、下部電極層２を「−」にして、磁化自由層５側から磁化固定層３へ電流を供給すると、磁化自由層５の磁化は磁化固定層３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１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、上部電極層６を「−」、下部電極層２を「＋」にして、磁化固定層３側から磁化自由層５へ電流を供給すると、磁化自由層５の磁化は磁化固定層３の磁化方向と逆方向になる。以下、この状態を光変調素子１の磁化が反平行である（ＡＰ：Anti-Parallel）という。なお、光変調素子１に供給する電流の大きさは反転電流以上とする必要があるが、より小さいことが好ましく、電流密度で１×１０5〜２×１０7Ａ／ｃｍ2であることが好ましい。
【００４４】
光変調素子１に入射した光が磁性体である磁化自由層５を透過（または表面で反射）すると、磁気光学効果により、光はその偏光の向きが変化（旋光）して出射する。さらに、磁性体の磁化方向が１８０°異なると、当該磁性体の磁気光学効果による旋光の向きは反転する。したがって、図２（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示す、磁化が平行、反平行である、すなわち磁化自由層５の磁化方向が互いに１８０°異なる光変調素子１における旋光角は、互いに異なる角度（向きも含める）となる。本実施形態では、光変調素子１に入射した光は、磁化自由層５を透過し、非磁性中間層４の表面（磁化自由層５と非磁性中間層４との界面）、さらに下層の非磁性中間層４と磁性固定層３との界面、磁化固定層３と下部電極層２との界面などで反射して、再び磁化自由層５を透過して光変調素子１から出射する。したがって、光はファラデー回転にて旋光するが、本明細書では、このような場合は光が光変調素子１に反射したとして、旋光角をカー回転角と表し、その角度の大きさをθkとする。すなわち図２（ａ）、（ｂ）に示す光変調素子１に反射した光は、それぞれ＋θk，−θkの角度で旋光する。このように、光変調素子１は、その出射光の偏光の向きを、供給される電流の向きに応じて変化させることで空間光変調器１０（図３、図４参照）等の画素３０として機能する。
【００４５】
磁気光学効果の大きさは、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５のカー回転角θk（またはファラデー回転角）は、光の入射角が磁化自由層５の磁化方向に平行に近いほど大きくなる。磁化自由層５は垂直磁気異方性、すなわち層面に垂直な方向の磁化を有するので、垂直に（入射角０°で）光を入射することが最も好ましく、極カー効果により、大きなカー回転角θkが得られる。
【００４６】
［空間光変調器］
次に、前記の本発明に係る光変調素子を画素に備える空間光変調器について、図面を参照してその実施形態を説明する。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。
【００４７】
図３に示すように、空間光変調器１０は、基板２０と、基板２０の上に２次元アレイ状に配列された画素３０からなる画素アレイ３１と、画素アレイ３１から１つ以上の画素３０を選択する画素選択手段５４と、画素選択手段５４が選択した画素３０に電流を供給する電源５１と、を備え、画素３０が前記光変調素子１である。そして、画素選択手段５４および電源５１は、電流制御部５０を構成する。
なお、図３における平面は空間光変調器１０の光の入射面であり、図４に示すように、空間光変調器１０は画素３０（画素アレイ３１）に上方から入射した光を反射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。
【００４８】
（基板）
基板２０は、例えば表面を熱酸化したＳｉ基板等の公知の基板が適用できる。
（画素アレイ）
図３に示すように、画素アレイ３１は、平面視でストライプ状の複数の上部電極層６，６，…と、同じくストライプ状で、平面視で上部電極層６と直交する複数の下部電極層２，２，…と、を備え、上部電極層６と下部電極層２との交点毎に１つの画素３０を設ける。したがって、画素３０は、空間光変調器１０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３１を構成する。図３では、画素アレイ３１は、４行×４列の１６個の画素３０からなる構成で例示される。そして、図３および図４に示すように、画素３０は、当該画素３０における一対の電極としての上部電極層６および下部電極層２と、これらの電極層２，６に上下から挟まれた磁化固定層３、非磁性中間層４および磁化自由層５からなる素子部１ａ（図１参照）を備える。また、図３、図４において、光変調素子１の下地層７、保護層８（図１参照）は図示を省略する。また、隣り合う上部電極層６，６の間、素子部１ａ，１ａの間、および下部電極層２，２の間には、絶縁部材４０が形成されている。絶縁部材４０は、例えば、ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3等からなる。
【００４９】
（画素選択手段、電源）
図３に示すように、画素選択手段５４および電源５１は、電流制御部５０を構成する。画素選択手段５４は、上部電極層６を選択する上部電極選択部５３と、下部電極層２を選択する下部電極選択部５２とを制御する。電源５１は、電極層２，６に電流を供給する。これらはそれぞれ公知のものでよく、素子部１ａ（光変調素子）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。
【００５０】
上部電極選択部５３は上部電極層６の１つ以上を選択し、下部電極選択部５２は下部電極層２の１つ以上を選択するために、それぞれ複数のスイッチング素子から構成され、選択した電極層２，６に電源５１から所定の電流を供給させる。画素選択手段５４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３１の特定の１つ以上の画素３０を選択し、選択した画素３０の電極層２，６を電極選択部５２，５３に選択させる。電源５１は、選択した画素３０に備えられる素子部１ａ（光変調素子）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で、電圧を正負反転可能なパルス電流を供給することができる。このような構成により、特定の画素３０が選択され、この画素３０の電極層２，６および素子部１ａ（光変調素子）に、所定の向きのパルス電流が供給されて磁化反転させる。
【００５１】
（画素）
図３、図４に示すように、空間光変調器１０の画素３０は前記光変調素子１で構成される。具体的には、上部電極層６は、図４に示すように素子部１ａ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つの上部電極層６は、横１行に配置された複数の画素３０，３０，…のそれぞれの素子部１ａに接続して電流を供給する。一方、下部電極層２は、素子部１ａの下に配され、縦方向に帯状に延設される。１つの下部電極層２は、縦１列に配置された複数の画素３０，３０・・・のそれぞれの素子部１ａに接続して電流を供給する。上部電極層６は、入射光および出射光を遮らないように透明電極材料で形成される。一方、下部電極層２は導電性の優れた電極用金属材料で形成され、少なくとも素子部１ａ側である上層部はＡｕを用いて構成する。
【００５２】
画素３０（光変調素子１）は、図３に示すように、平面視で上部電極層６と下部電極層２の重なる部分に配され、素子部１ａは電極層２，６に上下から挟まれて接続されている。素子部１ａ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３０に１個の素子部１ａを備えるが、例えば１つの画素３０に面方向で（１×３）個、（２×２）個等の複数の素子部１ａを備えてもよい。
【００５３】
（空間光変調器の画素選択の動作）
次に、空間光変調器１０の画素選択の動作を、この空間光変調器１０を用いた表示装置として、図４を参照して説明する。光変調素子１の上部電極層６、下部電極層２は、前記の通り、電流制御部５０に接続される。また、図４に示すように、本実施形態に係る空間光変調器１０の画素アレイ３１の直上には、画素アレイ３１に向けて光（レーザー光）を照射する光源等を備える光学系ＯＰＳと、光学系ＯＰＳから照射された光を画素アレイ３１に入射する前に１つの偏光成分の光（１つの向きの偏光、以下、適宜偏光という）にする偏光フィルタＰＦｉと、この上方から画素アレイ３１に入射する偏光（入射偏光）を透過させ、かつ画素アレイ３１で反射して出射した光を側方へ反射するハーフミラーＨＭと、が配置される。そして、画素アレイ３１の上方の前記ハーフミラーＨＭの側方には、ハーフミラーＨＭで反射して到達した光から特定の偏光成分の光を遮光する偏光フィルタＰＦｏと、偏光フィルタＰＦｏを透過した光を検出する検出器ＰＤとが配置される。
【００５４】
光学系ＯＰＳ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画素アレイ３１の全面に照射する大きさに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にするレンズで構成される（図示省略）。光学系ＯＰＳから照射された光（レーザー光）は様々な偏光成分を含んでいるため、この光を画素アレイ３１の手前の偏光フィルタＰＦｉを透過させて、１つの偏光成分の光（偏光）にする。偏光フィルタＰＦｉ，ＰＦｏはそれぞれ偏光板等であり、検出器ＰＤはスクリーン等の画像表示手段である。
【００５５】
光学系ＯＰＳは、平行光としたレーザー光を、画素アレイ３１へ膜面に垂直に（入射角０°で）入射するように照射する。レーザー光は偏光フィルタＰＦｉを透過して偏光（入射偏光）となり、ハーフミラーＨＭを透過して画素アレイ３１の上方からすべての画素３０に向けて入射する。それぞれの画素３０において、入射偏光は、上部電極層６を透過して素子部１ａで反射して、再び上部電極層６を透過して当該画素３０から出射偏光として出射する。入射角０°であることから、出射偏光は入射偏光と同一の光路となる。そこで、偏光フィルタＰＦｉと画素アレイ３１との間に画素アレイ３１に対して４５°傾斜させたハーフミラーＨＭを配置して、出射偏光を側方へ反射させることで、出射偏光だけを偏光フィルタＰＦｏに到達させる。偏光フィルタＰＦｏはすべての出射偏光のうちの特定の偏光を遮光し、偏光フィルタＰＦｏを透過した光が検出器ＰＤに入射する。
【００５６】
図２を参照して説明した通り、光変調素子１（素子部１ａ）に入射した光は、当該光変調素子１（素子部１ａ）の磁化が平行か反平行かで、異なる角度＋θk，−θkに旋光して出射する。光変調素子１（素子部１ａ）の磁化が平行（Ｐ）である画素３０からの出射偏光は、入射偏光に対して角度＋θk旋光しており、偏光フィルタＰＦｏで遮光されるため、この画素３０は暗く（黒く）、検出器ＰＤに表示される。一方、光変調素子１（素子部１ａ）の磁化が反平行（ＡＰ）である画素３０からの出射偏光は、入射偏光に対して角度−θk旋光しているので、偏光フィルタＰＦｏを透過して検出器ＰＤに到達するため、この画素３０は明るく（白く）検出器ＰＤに表示される。そして、光変調素子１（素子部１ａ）は、旋光角の大きさθkが大きいため、偏光フィルタＰＦｏで遮光される＋θk旋光した出射偏光に対して、−θk旋光した出射偏光は偏光の向きの差が大きく、その多くが偏光フィルタＰＦｏを透過していっそう明るく検出器ＰＤに表示される。すなわち空間光変調器１０は、コントラストに優れた表示を可能とする。
【００５７】
このように、本発明に係る空間光変調器１０は、画素３０毎に明／暗（白／黒）を切り分けられ、各画素３０に供給する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１０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３０の光変調素子１の磁化を反平行にするべく、上部電極層６のすべてを「−」、下部電極層２のすべてを「＋」にして、上向きの電流を供給すればよい。
【００５８】
図４に示す表示装置では、画素アレイ３１に垂直に光を入射する構成としたが、入射偏光を傾斜させて画素アレイ３１に入射し（入射角＞０°）、出射偏光と光路が重複しないようにして、ハーフミラーＨＭを配置しない構成としてもよい（図示せず）。ただし、前記した通り、入射方向が磁化方向に平行に近いほど磁気光学効果が高いので、入射角は３０°程度以内とすることが好ましい。
【００５９】
以上、本発明の光変調素子および空間光変調器を実施するための形態について述べてきたが、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、光変調素子１は、各層の構成を次に示すものとしても構わない。
図１（ｂ）に示すように、光変調素子１の第２実施形態は、前記下部電極層２がＡｕ膜２ａと金属膜２ｂとの多層膜からなるもので、その他の構成（下地層７、磁化固定層３、非磁性中間層４、磁化自由層５、保護層８、上部電極層６）は前記第１実施形態と同一である。
【００６０】
下部電極層２は、少なくとも素子部１ａ側である上層部がＡｕからなり、Ａｕ膜２ａと金属膜２ｂとの多層膜であることが好ましい。下部電極層２の上層部がＡｕ膜２ａからなることにより，磁気光学効果としてカー回転角が増大し、光変調素子１の光変調度が向上する。なお、Ａｕ膜２ａの厚さは、１０ｎｍ以上が好ましく、３０ｎｍ以上がさらに好ましい。図５に示すように、Ａｕ膜２ａの厚さ（ＴＡｕ）が１０ｎｍ未満であると、光変調度の向上に寄与する程のカー回転角（θｋ）の増大が期待できない。また、厚さ（ＴＡｕ）が３０ｎｍ以上で、カー回転角（θｋ）の増大が飽和する。
金属膜２ｂは、導電性の優れた電極用金属材料で形成され、例えばＣｕ，Ａｌ，Ｐｔ等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。
【００６１】
また、光変調素子１は、下地層７および保護層８を備えていない構造であってもよい。さらに、磁化固定層３および磁化自由層５の磁化方向が、前記したように層面と垂直な方向ではなく、層面と平行な方向である面内磁化であってもよい。
【実施例】
【００６２】
本発明の効果を確認するために、本発明に係る光変調素子１（図１（ａ）、（ｂ）参照）の積層構造を模擬した積層膜のサンプル（平面視１０ｍｍ×１０ｍｍ）を作製し、その磁気光学効果を評価した。詳しくは、表面を熱酸化したＳｉ基板上に、ＤＣマグネトロンスパッタリング法で、下部電極層として表１に示すＣｕ膜、Ｃｕ膜とＡｕ膜との多層膜またはＡｕ膜、下地層として厚さ３ｎｍのＲｕ膜、磁化固定層として厚さ２０ｎｍのＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金膜と厚さ１ｎｍのＣｏ−Ｆｅ合金膜との多層膜、非磁性中間層として厚さ６ｎｍのＡｇ膜、磁化自由層として厚さ９ｎｍのＧｄ−Ｆｅ合金膜、保護層として厚さ３ｎｍのＲｕ膜をこの順序で連続成膜してサンプルを作製した。
【００６３】
作製したサンプルについて、レーザー光を用いた偏光変調法にてカー回転角（θｋ）を測定した。詳しくは、サンプルに、外部から一様な磁界を印加することによって、磁化固定層および磁化自由層の磁化方向が一方向となるようにした。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を、垂直磁界Ｋｅｒｒ効果測定装置で測定した。次に、反射光の偏光の測定を継続したまま、前記印加磁界と反対方向の磁界をその大きさを漸増させながら印加することによって、磁化自由層の磁化を反転させて、サンプルからの反射光の偏光の向きを再び測定した。磁化反転の前後における各旋光角の絶対値の平均をカー回転角（θｋ）とする。その結果を表１、図５に示す。なお、図５において、Ａｕ膜の厚さ（ＴＡｕ）０ｎｍは、従来の下部電極層が全てＣｕ膜からなる場合（表１のＮｏ．１）である。Ａｕ膜の厚さ（ＴＡｕ）１００ｎｍは、図１（ａ）で示した下部電極層が全てＡｕ膜からなる場合（表１のＮｏ．６）である。
【００６４】
【表１】
2013148698.tif 000003
【００６５】
表１、図５に示すように、下部電極層の全部または一部がＡｕ膜からなることによって、磁気光学効果としてカー回転角が増大することが確認された。
【符号の説明】
【００６６】
１      光変調素子
２      下部電極層
３      磁化固定層
４      非磁性中間層
５      磁化自由層
６      上部電極層
１０    空間光変調器
２０    基板
３０    画素
５１    電源
５４    画素選択手段
【図１】
2013148698.tif 000004
【図２】
2013148698.tif 000005
【図３】
2013148698.tif 000006
【図４】
2013148698.tif 000007
【図５】
2013148698.tif 000008