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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023159987
(43)【公開日】2023-11-02
(54)【発明の名称】光検知素子
(51)【国際特許分類】
H10N 50/80 20230101AFI20231026BHJP
H10N 50/10 20230101ALI20231026BHJP
【ＦＩ】
H01L43/02 Z
H01L43/08 Z
H01L43/08 U
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022069959
(22)【出願日】2022-04-21
(71)【出願人】
【識別番号】000003067
【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100141139
【弁理士】
【氏名又は名称】及川 周
(74)【代理人】
【識別番号】100163496
【弁理士】
【氏名又は名称】荒 則彦
(74)【代理人】
【識別番号】100169694
【弁理士】
【氏名又は名称】荻野 彰広
(74)【代理人】
【識別番号】100114937
【弁理士】
【氏名又は名称】松本 裕幸
(72)【発明者】
【氏名】野尻 武司
(72)【発明者】
【氏名】福澤 英明
(72)【発明者】
【氏名】柴田 哲也
(72)【発明者】
【氏名】水野 友人
(72)【発明者】
【氏名】青木 進
【テーマコード（参考）】
5F092
【Ｆターム（参考）】
5F092AB10
5F092AC08
5F092AC12
5F092AD23
5F092AD24
5F092BB04
5F092BB05
5F092BB10
5F092BB31
5F092BB34
5F092BB35
5F092BB36
5F092BB37
5F092BB38
5F092BB42
5F092BB43
5F092BB53
5F092BC03
5F092BC04
5F092BC07
5F092BC13
5F092CA25
5F092FA10
(57)【要約】
【課題】新規な光検知素子を提供する。
【解決手段】この光検知素子は、磁性素子と光導波路とを備え、前記磁性素子は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれたスペーサ層と、を有し、前記光導波路は、少なくともコアと前記コアの少なくとも一部を被覆するクラッドとによって形成され、前記光導波路を伝搬した光が、前記磁性素子に照射される。
【選択図】図１
【解決手段】この光検知素子は、磁性素子と光導波路とを備え、前記磁性素子は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれたスペーサ層と、を有し、前記光導波路は、少なくともコアと前記コアの少なくとも一部を被覆するクラッドとによって形成され、前記光導波路を伝搬した光が、前記磁性素子に照射される。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
磁性素子と光導波路とを備え、
前記磁性素子は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれたスペーサ層と、を有し、
前記光導波路は、少なくともコアと前記コアの少なくとも一部を被覆するクラッドとによって形成され、
前記光導波路を伝搬した光が、前記磁性素子に照射される、光検知素子。
前記磁性素子は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれたスペーサ層と、を有し、
前記光導波路は、少なくともコアと前記コアの少なくとも一部を被覆するクラッドとによって形成され、
前記光導波路を伝搬した光が、前記磁性素子に照射される、光検知素子。
【請求項2】
前記コアは、前記磁性素子の積層方向と交差する第１方向に延びる主部と、前記主部に接続される第１部分と、を備え、
前記コアの一部である前記第１部分と前記クラッドとの境界面の一部であり、前記積層方向及び前記第１方向と交差する傾斜反射面を、前記光導波路は有し、
前記傾斜反射面で反射した前記光が、前記磁性素子に照射される、請求項１に記載の光検知素子。
前記コアの一部である前記第１部分と前記クラッドとの境界面の一部であり、前記積層方向及び前記第１方向と交差する傾斜反射面を、前記光導波路は有し、
前記傾斜反射面で反射した前記光が、前記磁性素子に照射される、請求項１に記載の光検知素子。
【請求項3】
前記傾斜反射面の前記積層方向の位置は、前記磁性素子の前記積層方向の位置とは異なる、請求項２に記載の光検知素子。
【請求項4】
基板をさらに備え、
前記磁性素子及び前記光導波路は、前記基板上にあり、
前記磁性素子の前記基板の面直方向の位置は、前記傾斜反射面の前記面直方向の位置と前記基板の前記面直方向の位置との間である、請求項２又は３に記載の光検知素子。
前記磁性素子及び前記光導波路は、前記基板上にあり、
前記磁性素子の前記基板の面直方向の位置は、前記傾斜反射面の前記面直方向の位置と前記基板の前記面直方向の位置との間である、請求項２又は３に記載の光検知素子。
【請求項5】
基板をさらに備え、
前記磁性素子及び前記光導波路は、前記基板上にあり、
前記傾斜反射面の前記基板の面直方向の位置は、前記磁性素子の前記面直方向の位置と前記基板の前記面直方向の位置との間である、請求項２又は３に記載の光検知素子。
前記磁性素子及び前記光導波路は、前記基板上にあり、
前記傾斜反射面の前記基板の面直方向の位置は、前記磁性素子の前記面直方向の位置と前記基板の前記面直方向の位置との間である、請求項２又は３に記載の光検知素子。
【請求項6】
基板をさらに備え、
前記基板は、厚み方向で対向する第１面と第２面とを有し、
前記光導波路は、前記第１面側にあり、
前記磁性素子は、前記第２面側にある、請求項２又は３に記載の光検知素子。
前記基板は、厚み方向で対向する第１面と第２面とを有し、
前記光導波路は、前記第１面側にあり、
前記磁性素子は、前記第２面側にある、請求項２又は３に記載の光検知素子。
【請求項7】
前記基板は、前記コアと接する、請求項５に記載の光検知素子。
【請求項8】
前記基板は、前記コアと接する、請求項６に記載の光検知素子。
【請求項9】
前記コアは、前記磁性素子の積層方向と交差する第１方向に延びる主部と、前記主部に接続される第２部分と、を備え、
前記第２部分は、前記第１方向を基準に前記磁性素子に向かう方向に湾曲し、
前記第２部分を伝搬した前記光が、前記磁性素子に照射される、請求項１に記載の光検知素子。
前記第２部分は、前記第１方向を基準に前記磁性素子に向かう方向に湾曲し、
前記第２部分を伝搬した前記光が、前記磁性素子に照射される、請求項１に記載の光検知素子。
【請求項10】
前記第２部分の前記積層方向の位置は、前記磁性素子の前記積層方向の位置とは異なる、請求項９に記載の光検知素子。
【請求項11】
電極をさらに備え、
前記電極は、前記磁性素子と電気的に接続され、前記コアと接し、
前記コアと前記電極との屈折率差の絶対値は、前記コアと前記クラッドとの屈折率差の絶対値より小さい、請求項１に記載の光検知素子。
前記電極は、前記磁性素子と電気的に接続され、前記コアと接し、
前記コアと前記電極との屈折率差の絶対値は、前記コアと前記クラッドとの屈折率差の絶対値より小さい、請求項１に記載の光検知素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光検知素子に関する。
【背景技術】
【0002】
光電変換素子は、様々な用途で用いられている。
【0003】
インターネットの普及に伴い通信量は飛躍的に増大しており、光通信の重要性が高まっている。光通信は、電気信号を光信号に変換し、光信号を用いて送受信を行う通信手段である。
【0004】
例えば、特許文献１には、フォトダイオードを用いて、光信号を受信する受信装置が記載されている。フォトダイオードは、例えば、半導体のｐｎ接合を用いたｐｎ接合ダイオード等である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２００１－２９２１０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
半導体のｐｎ接合を用いた光検知素子は光電変換素子として広く利用されているが、更なる発展のために新たなブレイクスルーが求められている。
【0007】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、新規な光検知素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
【0009】
（１）第１の態様にかかる光検知素子は、磁性素子と光導波路とを備え、前記磁性素子は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれたスペーサ層と、を有し、前記光導波路は、少なくともコアと前記コアの少なくとも一部を被覆するクラッドとによって形成され、前記光導波路を伝搬した光が、前記磁性素子に照射される。
【0010】
（２）上記態様にかかる光検知素子において、前記コアは、前記磁性素子の積層方向と交差する第１方向に延びる主部と、前記主部に接続される第１部分と、を備え、前記コアの一部である前記第１部分と前記クラッドとの境界面の一部であり、前記積層方向及び前記第１方向と交差する傾斜反射面を、前記光導波路は有し、前記傾斜反射面で反射された前記光が、前記磁性素子に照射されてもよい。
【0011】
（３）上記態様にかかる光検知素子において、前記傾斜反射面の前記積層方向の位置は、前記磁性素子の前記積層方向の位置とは異なってもよい。
【0012】
（４）上記態様にかかる光検知素子は、基板をさらに備え、前記磁性素子及び前記光導波路は、前記基板上にあり、前記磁性素子の前記基板の面直方向の位置は、前記傾斜反射面の前記面直方向の位置と前記基板の前記面直方向の位置との間でもよい。
【0013】
（５）上記態様にかかる光検知素子は、基板をさらに備え、前記磁性素子及び前記光導波路は、前記基板上にあり、前記傾斜反射面の前記基板の面直方向の位置は、前記磁性素子の前記面直方向の位置と前記基板の前記面直方向の位置との間でもよい。
【0014】
（６）上記態様にかかる光検知素子は、基板をさらに備え、前記基板は、厚み方向で対向する第１面と第２面とを有し、前記光導波路は、前記基板の第１面側にあり、前記磁性素子は、前記第２面側にあってもよい。
【0015】
（７）上記態様にかかる光検知素子において、前記基板は、前記コアと接してもよい。
【0016】
（８）上記態様にかかる光検知素子において、前記コアは、前記磁性素子の積層方向と交差する第１方向に延びる主部と、前記主部に接続される第２部分と、を備え、前記第２部分は、前記第１方向を基準に前記磁性素子に向かう方向に湾曲し、前記第２部分を伝搬した前記光が、前記磁性素子に照射されてもよい。
【0017】
（９）上記態様にかかる光検知素子において、前記第２部分の前記積層方向の位置は、前記磁性素子の前記積層方向の位置とは異なってもよい。
【0018】
（１０）上記態様にかかる光検知素子は、電極をさらに備え、前記電極は、前記磁性素子と電気的に接続され、前記コアと接し、前記コアと前記電極との屈折率差の絶対値は、前記コアと前記クラッドとの屈折率差の絶対値より小さくてもよい。
【発明の効果】
【0019】
上記態様にかかる光検知素子は、新規な原理で光の状態変化を検知できる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】第１実施形態に係る光検知素子の斜視図である。
【図2】第１実施形態に係る光検知素子の断面図である。
【図3】第１実施形態に係る光検知素子の断面図である。
【図4】第１実施形態に係る光検知素子の平面図である。
【図5】第１実施形態に係る磁性素子の断面図である。
【図6】第１実施形態に係る磁性素子の第１動作例の第１メカニズムを説明するための図である。
【図7】第１実施形態に係る磁性素子の第１動作例の第２メカニズムを説明するための図である。
【図8】第１実施形態に係る磁性素子の第２動作例の第１メカニズムを説明するための図である。
【図9】第１実施形態に係る磁性素子の第２動作例の第２メカニズムを説明するための図である。
【図10】第１実施形態に係る磁性素子の第２動作例の別の例を説明するための図である。
【図11】第１実施形態に係る磁性素子の第２動作例の別の例を説明するための図である。
【図12】第２実施形態に係る光検知素子の斜視図である。
【図13】第２実施形態に係る光検知素子の断面図である。
【図14】第２実施形態に係る光検知素子の断面図である。
【図15】第２実施形態の変形例に係る磁性素子の断面図である。
【図16】第３実施形態に係る光検知素子の斜視図である。
【図17】第３実施形態に係る光検知素子の断面図である。
【図18】第３実施形態に係る光検知素子の断面図である。
【図19】第３実施形態に係る光検知素子の変形例の断面図である。
【図20】第４実施形態に係る光検知素子の斜視図である。
【図21】第４実施形態に係る光検知素子の断面図である。
【図22】第５実施形態に係る光検知素子の斜視図である。
【図23】第５実施形態に係る光検知素子の断面図である。
【図24】第１変形例に係る光検知素子の断面図である。
【図25】第２変形例に係る光検知素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【0022】
方向について定義する。基板３０が広がる面内の一方向をｘ方向、ｘ方向と直交する面内の方向をｙ方向とする。例えば、後述する光導波路のコアの主部が延びる方向をｘ方向とする。基板３０の面直方向（ｘ方向及びｙ方向と直交する方向）をｚ方向とする。以下、＋ｚ方向を「上」、－ｚ方向を「下」と表現する場合がある。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。
【0023】
「第１実施形態」
図１は、第１実施形態に係る光検知素子１００の斜視図である。図２及び図３は、第１実施形態に係る光検知素子１００の断面図である。図２は、コア２１の幅方向中央を通るｘｚ断面である。図３は、磁性素子１０の中央を通るｙｚ断面である。図４は、第１実施形態に係る光検知素子１００の平面図である。図４では、クラッド２５及び絶縁層４０が除かれて図示されている。
図１は、第１実施形態に係る光検知素子１００の斜視図である。図２及び図３は、第１実施形態に係る光検知素子１００の断面図である。図２は、コア２１の幅方向中央を通るｘｚ断面である。図３は、磁性素子１０の中央を通るｙｚ断面である。図４は、第１実施形態に係る光検知素子１００の平面図である。図４では、クラッド２５及び絶縁層４０が除かれて図示されている。
【0024】
光検知素子１００は、例えば、磁性素子１０と第１電極１１と第２電極１２と光導波路２０と基板３０と絶縁層４０とを有する。光導波路２０を伝搬した光が、磁性素子１０に照射される。
【0025】
光導波路２０には、光源から出射した光が伝搬する。光源は、例えば、レーザーダイオード、ＬＥＤ等である。光源と光導波路２０の入力端との間には、光学部材があってもよい。光学部材は、例えば、レンズ、メタレンズ、波長フィルター、光ファイバー、リフレクタ等である。例えば、光源から出射され、光学部材を介して光導波路２０を伝搬した光が、磁性素子１０に照射される。また光源から出射された光の一部が、直接、光導波路２０を伝搬して、磁性素子１０に照射されてもよい。
【0026】
光導波路２０を伝搬する光は、例えば、レーザー光のような単一波長の単色光である。光導波路２０を伝搬する光は単色光でなくてもよく、ある程度の幅を持つ範囲に波長が限定された光でもよいし、連続スペクトルを有する光でもよい。光導波路２０を伝搬する光は、可視光線に限らず、可視光線よりも波長の長い赤外線や、可視光線よりも波長の短い紫外線も含む。可視光線の波長は例えば、３８０ｎｍ以上８００ｎｍ未満である。赤外線の波長は例えば、８００ｎｍ以上１ｍｍ以下である。紫外線の波長は例えば、２００ｎｍ以上３８０ｎｍ未満である。光導波路２０を伝搬する光は、例えば、高周波の光信号を含み強度変化する光、又は、波長域が制御された光（例えば波長フィルターを通過した光）である。高周波の光信号は、例えば、１００ＭＨｚ以上の周波数を有する信号である。
【0027】
光導波路２０は、少なくともコア２１とクラッド２５とによって形成されている。コア２１の少なくとも一部はクラッド２５で被覆されている。
【0028】
コア２１は、例えば、主成分としてニオブ酸リチウムを含む。ニオブ酸リチウムの一部元素は、他の元素に置換されていてもよい。クラッド２５は、例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ２、Ｌａ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＨｆＯ２、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＦ２、Ｉｎ２Ｏ３等又はこれらの混合物である。コア２１およびクラッド２５の材料はこの例に限られない。例えば、コア２１がシリコン又は酸化シリコンに酸化ゲルマニウムを添加したもので、クラッド２５が酸化シリコンでもよい。またコア２１には、酸化タンタル、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等も用いることができる。光導波路２０は、プラズモニック導波路でもよい。光導波路２０がプラズモニック導波路の場合、コア２１は例えばシリコン又は酸化シリコンであり、クラッド２５は例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどの金属である。
【0029】
コア２１は、例えば、主部２２と第１部分２３とを備える。主部２２は、例えば、ｘ方向に延びる。ｘ方向は、磁性素子１０の積層方向と交差する第１方向の一例である。磁性素子１０の積層方向は、例えば、ｚ方向と一致する。コア２１のｙ方向の幅は、例えば、０．４μｍ以上８μｍ以下である。コア２１の主部２２のｚ方向の厚みは、例えば、０．２μｍ以上８μｍ以下である。光導波路２０がプラズモニック導波路の場合、コア２１のｙ方向の幅は、例えば、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、コア２１の主部２２のｚ方向の厚みは、例えば、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【0030】
第１部分２３は、主部２２に接続されている。第１部分２３は、主部２２の光の入射端と反対側の端部に接続されている。光は、主部２２から第１部分２３に向かって伝搬する。
【0031】
光導波路２０は、傾斜反射面２４を有する。傾斜反射面２４は、コア２１の一部である第１部分２３とクラッド２５との境界面の一部である。傾斜反射面２４は、磁性素子１０の積層方向及び上述の第１方向と交差している。傾斜反射面２４は、例えば、ｘ方向及びｚ方向と交差している。第１部分２３のｚ方向の厚みは、例えば、第１部分２３と主部２２との接続面から離れるほど薄い。主部２２を伝搬して傾斜反射面２４で反射した光が、磁性素子１０に照射される。傾斜反射面２４のｚ方向（磁性素子１０の積層方向）の位置は、磁性素子１０のｚ方向の位置とは異なる。傾斜反射面２４は、例えば、磁性素子１０の積層方向から見て、磁性素子１０と重なる位置にある。例えば、傾斜反射面２４は、ｚ方向の位置が磁性素子１０よりも上方である。
【0032】
磁性素子１０は、光導波路２０を伝搬した光が照射される位置（傾斜反射面２４で反射した光が照射される位置）にある。図５は、第１実施形態に係る磁性素子１０の断面図である。図５では、第１電極１１と第２電極１２とを同時に図示し、強磁性体の後述する初期状態における磁化の向きを矢印で表している。
【0033】
磁性素子１０は、少なくとも第１強磁性層１と第２強磁性層２とスペーサ層３とを有する。スペーサ層３は、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に位置する。磁性素子１０は、これらの他に、第３強磁性層４、磁気結合層５、下地層６、垂直磁化誘起層７、キャップ層８を有してもよい。第３強磁性層４、磁気結合層５、下地層６は、第２強磁性層２と第２電極１２との間に位置し、垂直磁化誘起層７及びキャップ層８は、第１強磁性層１と第１電極１１との間に位置する。磁性素子１０は、積層方向からの平面視における最長幅が、例えば、１０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であり、好ましくは３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。磁性素子１０の積層方向の厚みは、例えば、１５ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。
【0034】
磁性素子１０は、例えば、スペーサ層３が絶縁材料で構成されたＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子である。磁性素子１０は、外部からの光が照射されると抵抗値が変化する。磁性素子１０は、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の状態と第２強磁性層２の磁化Ｍ２の状態との相対的な変化に応じて、ｚ方向の抵抗値（ｚ方向に電流を流した場合の抵抗値）が変化する。このような素子は磁気抵抗効果素子とも呼ばれる。
【0035】
第１強磁性層１は、光が照射されると磁化の状態が変化する光検知層である。第１強磁性層１は、磁化自由層とも呼ばれる。磁化自由層は、所定の外部からのエネルギーが印加された際に磁化の状態が変化する磁性体を含む層である。所定の外部からのエネルギーは、例えば、外部から照射される光、磁性素子１０の積層方向に流れる電流、外部磁場である。第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、照射される光の強度に応じて状態が変化する。
【0036】
第１強磁性層１は、強磁性体を含む。第１強磁性層１は、例えば、Ｃｏ、ＦｅまたはＮｉ等の磁性元素のいずれかを少なくとも含む。第１強磁性層１は、上述のような磁性元素と共に、Ｂ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｇｄ等の非磁性元素を含んでもよい。第１強磁性層１は、例えば、磁性元素と非磁性元素とを含む合金でもよい。第１強磁性層１は、複数の層から構成されていてもよい。第１強磁性層１は、例えば、ＣｏＦｅＢ合金、ＣｏＦｅＢ合金層をＦｅ層で挟んだ積層体、ＣｏＦｅＢ合金層をＣｏＦｅ層で挟んだ積層体である。
【0037】
また第１強磁性層１は、磁性層と非磁性層とが交互に積層された積層体でもよく、例えば、ＣｏとＰｔとが交互に積層された積層体、ＣｏとＮｉとが交互に積層された積層体でもよい。一般的に、「強磁性」は「フェリ磁性」を含む。第１強磁性層１は、フェリ磁性を示してもよい。一方、第１強磁性層１は、フェリ磁性ではない強磁性を示してもよい。例えば、ＣｏＦｅＢ合金は、フェリ磁性ではない強磁性を示す。
【0038】
第１強磁性層１は、膜面内方向に磁化容易軸を有する面内磁化膜でも、膜面直方向（磁性素子１０の積層方向）に磁化容易軸を有する垂直磁化膜でもよい。
【0039】
第１強磁性層１の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。第１強磁性層１の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上２ｎｍ以下であることが好ましい。第１強磁性層１が垂直磁化膜の場合、第１強磁性層１の膜厚が薄いと、第１強磁性層１の上下にある層からの垂直磁気異方性印加効果が強まり、第１強磁性層１の垂直磁気異方性が高まる。つまり、第１強磁性層１の垂直磁気異方性が高いと、磁化Ｍ１が膜面直方向に（元の状態に）戻ろうとする力が強まる。一方、第１強磁性層１の膜厚が厚いと、第１強磁性層１の上下にある層からの垂直磁気異方性印加効果が相対的に弱まり、第１強磁性層１の垂直磁気異方性が弱まる。
【0040】
第１強磁性層１の膜厚が薄くなると強磁性体としての体積は小さくなり、厚くなると強磁性体としての体積は大きくなる。外部からのエネルギーが加わったときの第１強磁性層１の磁化の反応しやすさは、第１強磁性層１の磁気異方性（Ｋｕ）と体積（Ｖ）との積（ＫｕＶ）に反比例する。つまり、第１強磁性層１の磁気異方性と体積との積が小さくなると、光に対する反応性が高まる。このような観点から、光に対する反応を高めるためには、第１強磁性層１の磁気異方性を適切に設計したうえで第１強磁性層１の体積を小さくすることが好ましい。
【0041】
第１強磁性層１の膜厚が２ｎｍより厚い場合は、例えばＭｏ，Ｗからなる挿入層を第１強磁性層１内に設けてもよい。すなわち、ｚ方向に強磁性層、挿入層、強磁性層が順に積層された積層体を第１強磁性層１としてもよい。挿入層と強磁性層との界面における界面磁気異方性により第１強磁性層１全体の垂直磁気異方性が高まる。挿入層の膜厚は、例えば、０．１ｎｍ～０．６ｎｍである。
【0042】
第２強磁性層２は、磁化固定層である。磁化固定層は、所定の外部からのエネルギーが印加された際に磁化の状態が磁化自由層よりも変化しにくい磁性体からなる層である。例えば、磁化固定層は、所定の外部からのエネルギーが印加された際に磁化の向きが磁化自由層よりも変化しにくい。また、例えば、磁化固定層は、所定の外部からのエネルギーが印加された際に磁化の大きさが磁化自由層よりも変化しにくい。第２強磁性層２の保磁力は、例えば、第１強磁性層１の保磁力よりも大きい。第２強磁性層２は、面内磁化膜でも、垂直磁化膜でもよい。図５に示す例では、第２強磁性層２の磁化Ｍ２の方向はｚ方向である。第２強磁性層１２の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。
【0043】
第２強磁性層２を構成する材料は、例えば、第１強磁性層１と同様である。第２強磁性層２は、例えば、０．４ｎｍ～１．０ｎｍの厚みのＣｏと０．４ｎｍ～１．０ｎｍの厚みのＰｔとが交互に数回積層された多層膜でもよい。第２強磁性層２は、例えば、０．４ｎｍ～１．０ｎｍの厚みのＣｏ、０．１ｎｍ～０．５ｎｍの厚みのＭｏ、０．３ｎｍ～１．０ｎｍの厚みのＣｏＦｅＢ合金、０．３ｎｍ～１．０ｎｍの厚みのＦｅが順に積層された積層体でもよい。
【0044】
第２強磁性層２の磁化Ｍ２は、例えば、磁気結合層５を介した第３強磁性層４との磁気結合によって固定してもよい。この場合、第２強磁性層２、磁気結合層５及び第３強磁性層４を合わせたものを磁化固定層と称する場合もある。第３強磁性層４及び磁気結合層５の詳細は、後述する。
【0045】
スペーサ層３は、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に配置される層である。スペーサ層３は、導電体、絶縁体もしくは半導体によって構成される層、又は、絶縁体中に導体によって構成される通電点を含む層で構成される。スペーサ層３は、例えば非磁性層である。スペーサ層３の膜厚は、後述する初期状態における第１強磁性層１の磁化Ｍ１と第２強磁性層２の磁化Ｍ２の配向方向に応じて調整できる。
【0046】
例えば、スペーサ層３が絶縁体からなる場合は、磁性素子１０は、第１強磁性層１とスペーサ層３と第２強磁性層２とからなる磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を有する。このような素子はＭＴＪ素子と呼ばれる。この場合、磁性素子１０はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を発現することができる。例えば、スペーサ層３が金属からなる場合は、磁性素子１０は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を発現することができる。このような素子はＧＭＲ素子と呼ばれる。磁性素子１０は、スペーサ層３の構成材料によって、ＭＴＪ素子、ＧＭＲ素子などと呼び名が異なることがあるが、総称して磁気抵抗効果素子とも呼ばれる。
【0047】
スペーサ層３が絶縁材料で構成される場合、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン又は酸化ケイ素等を含む材料をスペーサ層３の材料として用いることができる。また、これら絶縁材料は、Ａｌ、Ｂ、Ｓｉ、Ｍｇなどの元素や、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの磁性元素を含んでもよい。第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に高いＴＭＲ効果が発現するようにスペーサ層３の膜厚を調整することで、高い磁気抵抗変化率が得られる。ＴＭＲ効果を効率よく利用するためには、スペーサ層３の膜厚は、０．５～５．０ｎｍ程度としてもよく、１．０～２．５ｎｍ程度としてもよい。
【0048】
スペーサ層３を非磁性導電材料で構成する場合、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ又はＲｕ等の導電材料を用いることができる。ＧＭＲ効果を効率よく利用するためには、スペーサ層３の膜厚は、０．５～５．０ｎｍ程度としてもよく、２．０～３．０ｎｍ程度としてもよい。
【0049】
スペーサ層３を非磁性半導体材料で構成する場合、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化錫、酸化ゲルマニウム、酸化ガリウム又はＩＴＯ等の材料を用いることができる。この場合、スペーサ層３の膜厚は１．０～４．０ｎｍ程度としてもよい。
【0050】
スペーサ層３として非磁性絶縁体中の導体によって構成される通電点を含む層を適用する場合、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウムによって構成される非磁性絶縁体中に、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌなどの非磁性の導体によって構成される通電点を含む構造としてもよい。また、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの磁性元素によって導体を構成してもよい。この場合、スペーサ層３の膜厚は、１．０～２．５ｎｍ程度としてもよい。通電点は、例えば、膜面に垂直な方向からみたときの直径が１ｎｍ以上５ｎｍ以下の柱状体である。
【0051】
第３強磁性層４は、例えば、第２強磁性層２と磁気結合する。磁気結合は、例えば、反強磁性的な結合であり、ＲＫＫＹ相互作用により生じる。第２強磁性層２の磁化Ｍ２の向きと第３強磁性層４の磁化Ｍ４の向きとは反平行の関係である。第３強磁性層４を構成する材料は、例えば、第１強磁性層１と同様である。
【0052】
磁気結合層５は、第２強磁性層２と第３強磁性層４との間に位置する。磁気結合層５は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ等である。
【0053】
下地層６は、第３強磁性層４と第２電極１２との間にある。下地層６は、シード層又はバッファ層である。シード層は、シード層に接する層の結晶性を高める。シード層は、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｚｒ、ＮｉＦｅＣｒである。シード層の膜厚は、例えば１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。バッファ層は、異なる結晶間の格子不整合を緩和する層である。バッファ層は、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ又はこれらの元素の窒化物である。バッファ層の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。
【0054】
キャップ層８は、第１強磁性層１と第１電極１１との間にある。キャップ層８は、アニール時にキャップ層８に接する層の結晶性を高める。キャップ層８の膜厚は、第１強磁性層１に十分な光が照射されるように、例えば１０ｎｍ以下である。キャップ層８は、例えば、ＭｇＯ、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｃｒまたはこれらの積層膜などである。
【0055】
垂直磁化誘起層７は、第１強磁性層１の垂直磁気異方性を誘起する。垂直磁化誘起層７は、例えば酸化マグネシウム、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ等である。垂直磁化誘起層７が酸化マグネシウムの場合は、導電性を高めるために、酸化マグネシウムが酸素欠損していることが好ましい。垂直磁化誘起層７の膜厚は、例えば、０．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下である。
【0056】
第１電極１１は、例えば、磁性素子１０に光が照射される側に配置される。この場合、第１電極１１の少なくとも一部は、磁性素子１０と第１部分２３とに挟まれる。第１電極１１は、例えば、磁性素子１０と電気的に接続されている。また第１電極１１は、例えば、コア２１の第１部分２３と接する。
【0057】
光導波路２０を伝搬した光は、第１電極１１側から磁性素子１０に照射され、少なくとも第１強磁性層１に照射される。第１電極１１は、導電性を有する材料からなる。第１電極１１は、例えば、使用波長域の光に対して透過性を有する透明電極である。第１電極１１は、例えば、使用波長域の光の８０％以上を透過することが好ましい。
【0058】
第１電極１１は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウムガリウム亜鉛（ＩＧＺＯ）等の酸化物である。第１電極１１は、これらの酸化物の透明電極材料の中に複数の柱状金属を有する構成としてもよい。第１電極１１として上記のような透明電極材料を用いることは必須ではなく、Ａｕ、ＣｕまたはＡｌなどの金属材料を薄い膜厚で用いることで、照射される光を第１強磁性層１に到達させるようにしてもよい。第１電極１１の材料として金属を用いる場合、第１電極１１の膜厚は、例えば、３～１０ｎｍである。また第１電極１１は、光が照射される照射面に反射防止膜を有してもよい。
【0059】
第１電極１１がコア２１と接する場合、第１電極１１とコア２１との屈折率差の絶対値は、コア２１とクラッド２５との屈折率差の絶対値より小さいことが好ましい。例えば、クラッド２５が酸化アルミニウムの場合、第１電極１１をＩＴＯ（酸化インジウムと酸化スズとの混合比が２：１のもの）とし、コア２１をニオブ酸リチウムとすると、上記の屈折率差の条件を満たす。上記の屈折率差の条件を満たすと、コア２１と第１電極１１との境界面におけるコア２１を伝搬した光の反射を抑えることができ、磁性素子１０にコア２１を伝搬した光の多くを照射できる。ここでは、第１電極１１の屈折率がコア２１の屈折率よりも小さい例を挙げたが、第１電極１１の屈折率がコア２１の屈折率よりも大きくてもよいし、第１電極１１の屈折率がコア２１の屈折率と同じでもよい。
【0060】
第２電極１２は、磁性素子１０を挟んで第１電極１１と反対側にある。第２電極１２は、例えば、磁性素子１０と電気的に接続されている。第２電極１２は、導電性を有する材料からなる。第２電極１２は、例えば、Ｃｕ、ＡｌまたはＡｕなどの金属により構成される。これらの金属の上下にＴａやＴｉを積層してもよい。また、ＣｕとＴａの積層膜、ＴａとＣｕとＴｉの積層膜、ＴａとＣｕとＴａＮの積層膜を用いてもよい。また、第２電極１２として、ＴｉＮやＴａＮを用いてもよい。第２電極１２の膜厚は、例えば２００ｎｍ～８００ｎｍである。
【0061】
第２電極１２は、磁性素子１０に照射される光に対して透過性を有するようにしてもよい。第２電極１２の材料として、第１電極１１と同様に、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウムガリウム亜鉛（ＩＧＺＯ）等の酸化物の透明電極材料を用いてもよい。第１電極１１のほうから光が照射される場合においても、光の強度によっては光が第２電極１２まで到達する場合もありうるが、この場合、第２電極１２が酸化物の透明電極材料を含んで構成されていることで、第２電極１２が金属で構成されている場合に比べて、第２電極１２とそれに接する層との境界面における光の反射を抑制できる。
【0062】
第１電極１１は、ビア配線５１と接続されている。第２電極１２は、ビア配線５２と接続されている。ビア配線５１は、第１電極１１と外部電極５３とを繋ぐ。ビア配線５２は、第２電極１２と外部電極５４とを繋ぐ。ビア配線５１、５２のそれぞれは、クラッド２５と絶縁層４０とのうち少なくとも一方をｚ方向に貫通する。外部電極５３、５４のそれぞれは、例えば、クラッド２５の上面に露出している。ビア配線５１、５２、外部電極５３、５４は、導電性を有する材料を含む。
【0063】
ビア配線５１、５２のそれぞれは、積層方向からの平面視における最長幅が、例えば、１０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であり、好ましくは３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。ビア配線５１の積層方向からの平面視における最長幅は、例えば、第１電極１１のｘ方向の幅より短い。ビア配線５２の積層方向からの平面視における最長幅は、例えば、第２電極１２のｘ方向の幅より短い。
【0064】
絶縁層４０は、磁性素子１０の周囲を覆う。絶縁層４０は、層間絶縁層である。絶縁層４０は、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇの酸化物、窒化物、酸窒化物である。絶縁層４０は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）、窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、炭窒化ケイ素（ＳｉＣＮ）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）等である。絶縁層４０は、クラッド２５と同じ材料でもよく、絶縁層４０とクラッド２５とは一体化していてもよい。
【0065】
磁性素子１０及び光導波路２０は、例えば、基板３０上にある。磁性素子１０のｚ方向の位置は、傾斜反射面２４のｚ方向の位置と基板３０のｚ方向の位置との間である。例えば、磁性素子１０は、基板３０と傾斜反射面２４とに、ｚ方向に挟まれる。
【0066】
基板３０は、例えば、酸化アルミニウムを含む。基板３０は、例えば、サファイアである。基板３０は、シリコン等の半導体基板でもよい。
【0067】
次いで、光検知素子１００の製造方法について説明する。まず基板３０上に、第２電極１２、下地層６、第３強磁性層４、磁気結合層５、第２強磁性層２、スペーサ層３、第１強磁性層１、垂直磁化誘起層７、キャップ層８の順に積層した積層膜を形成する。各層は、例えば、スパッタリングにより成膜される。
【0068】
次いで、積層膜をアニールする。アニール温度は、例えば、２５０℃から４５０℃である。その後、積層膜をフォトリソグラフィ及びエッチングにより所定の柱状体に加工する。柱状体は、円柱でも角柱でもよい。例えば、柱状体を積層方向から見た際の幅は、１０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下としてもよく、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下としてもよい。
【0069】
次いで、柱状体の側面を被覆するように、絶縁層４０を形成する。絶縁層４０は、複数回に亘って積層してもよい。次いで、化学機械研磨（ＣＭＰ）により絶縁層４０からキャップ層８の上面を露出し、キャップ層８上に、第１電極１１を作製する。
【0070】
次いで、第１電極１１の周囲を覆うようにクラッド２５を形成する。次いで、化学機械研磨（ＣＭＰ）により第１電極１１とクラッド２５の上面の高さ位置を揃える。次いで、一部が第１電極１１と重なる位置にコア２１を形成する。コア２１となる層を積層後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより所定の形状に加工してコア２１を形成する。その後、コア２１を覆うように、クラッド２５を形成する。次いで、クラッド２５に貫通孔を形成し、内部を導電体で充填することで、ビア配線５１、５２が形成される。
【0071】
上述のように、磁性素子１０及び光導波路２０は、同一の基板３０上に、例えば、真空成膜プロセスにより形成することが可能である。
【0072】
次いで、光検知素子１００の動作について説明する。光源から出射された光は、光導波路２０に入力される。光導波路２０に入力される光は、強度変化を有する光であり、例えば、光強度変化を有する光信号を含む。このような光は、例えば光通信システムで使用される。光導波路２０に入力された光は、光導波路２０のコア２１を伝搬する。コア２１を伝搬する光は、傾斜反射面２４で磁性素子１０に向かって反射する。
【0073】
傾斜反射面２４で反射した光は、磁性素子１０に照射される。磁性素子１０のｚ方向の抵抗値は、光導波路２０を伝搬した含む光の第１強磁性層１への照射により変化する。第１強磁性層１に照射される光の強度が、第１強度と第２強度の２段階である場合を例に説明する。第２強度は、第１強度より大きいものとする。第１強度は、第１強磁性層１に照射される光の強度がゼロの場合でもよい。図６及び図７は、磁性素子１０の第１動作例を説明するための図である。図６は、第１動作例の第１メカニズムを説明するための図であり、図７は、第１動作例の第２メカニズムを説明するための図である。図６及び図７では、磁性素子１０のうち第１強磁性層１、第２強磁性層２及びスペーサ層３のみを抜き出して図示している。図６及び図７の上のグラフは、縦軸が第１強磁性層１に照射される光の強度であり、横軸が時間である。図６及び図７の下のグラフは、縦軸が磁性素子１０のｚ方向の抵抗値であり、横軸が時間である。
【0074】
まず第１強磁性層１に第１強度の光が照射された状態（以下、初期状態と称する）において、第１強磁性層１の磁化Ｍ１と第２強磁性層２の磁化Ｍ２とは平行の関係にあり、磁性素子１０のｚ方向の抵抗値は第１抵抗値Ｒ１を示し、磁性素子１０からの出力電圧の大きさは第１の値を示す。磁性素子１０のｚ方向の抵抗値は、磁性素子１０のｚ方向にセンス電流Ｉｓを流すことで、磁性素子１０のｚ方向の両端に電圧が発生し、その電圧値からオームの法則を用いて求められる。磁性素子１０からの出力電圧は、第１電極１１と第２電極１２との間に発生する。図６に示す例の場合、センス電流Ｉｓを第１強磁性層１から第２強磁性層２に向かって流す。この方向にセンス電流Ｉｓを流すことで、第１強磁性層１の磁化Ｍ１に対して、第２強磁性層２の磁化Ｍ２と同じ方向のスピントランスファートルクが作用し、初期状態において磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが平行になる。図６に示す例では、初期状態において磁化Ｍ１の方向と磁化Ｍ２の方向とが共に＋ｚ方向となっている。また、この方向にセンス電流Ｉｓを流すことで、第１強磁性層１の磁化Ｍ１が動作時に反転することを防止することができる。
【0075】
次いで、第１強磁性層１に照射される光の強度が第１強度から第２強度に変化する。第２強度は、第１強度より大きく、第１強磁性層１の磁化Ｍ１は初期状態から変化する。第１強磁性層１に光が照射されていない状態における第１強磁性層１の磁化Ｍ１の状態と、第１強磁性層１に第２強度の光が照射されている状態における第１強磁性層１の磁化Ｍ１の状態とは異なる。磁化Ｍ１の状態とは、例えば、ｚ方向に対する傾き角、大きさ等である。
【0076】
例えば、図６に示すように、第１強磁性層１に照射される光の強度が第１強度から第２強度に変化すると、磁化Ｍ１はｚ方向に対して傾く。また例えば、図７に示すように、第１強磁性層１に照射される光の強度が第１強度から第２強度に変化すると、磁化Ｍ１の大きさが小さくなる。例えば、第１強磁性層１の磁化Ｍ１が光の照射強度によってｚ方向に対して傾く場合、その傾き角度は、０°より大きく９０°より小さい。
【0077】
第１強磁性層１の磁化Ｍ１が初期状態から変化すると、磁性素子１０のｚ方向の抵抗値は第２抵抗値Ｒ２を示し、磁性素子１０からの出力電圧の大きさは第２の値を示す。第２抵抗値Ｒ２は、第１抵抗値Ｒ１より大きく、出力電圧の第２の値は第１の値よりも大きい。第２抵抗値Ｒ２は、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが平行である場合の抵抗値（第１抵抗値Ｒ１）と、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが反平行である場合の抵抗値との間である。
【0078】
図６に示す場合は、第１強磁性層１の磁化Ｍ１には第２強磁性層２の磁化Ｍ２と同じ方向のスピントランスファートルクが作用している。したがって、磁化Ｍ１は磁化Ｍ２と平行状態に戻ろうとし、第１強磁性層１に照射される光の強度が第２強度から第１強度に変化すると、磁化Ｍ１は磁化Ｍ２と平行状態に戻る。図７に示す場合は、第１強磁性層１に照射される光の強度が第１強度に戻ると、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の大きさは初期状態の大きさに戻る。いずれの場合も磁性素子１０のｚ方向の抵抗値は、第１抵抗値Ｒ１に戻る。つまり、第１強磁性層１に照射される光の強度が第２強度から第１強度に変化した際に、磁性素子１０のｚ方向の抵抗値は、第２抵抗値Ｒ２から第１抵抗値Ｒ１へ変化し、磁性素子１０からの出力電圧の大きさは、第２の値から第１の値へ変化する。
【0079】
磁性素子１０からの出力電圧は、第１強磁性層１に照射される光の強度の変化に対応して変化し、照射される光の強度の変化を磁性素子１０からの出力電圧の変化に変換することができる。すなわち、磁性素子１０は、光を電気信号に置き換えることができる。例えば、光信号の受信装置は、磁性素子１０からの出力電圧が閾値以上の場合を第１信号（例えば、“１”）、閾値未満の場合を第２信号（例えば、“０”）として処理する。
【0080】
ここでは初期状態において磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが平行な場合を例に説明したが、初期状態において磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが反平行でもよい。この場合、磁性素子１０のｚ方向の抵抗値は、磁化Ｍ１の状態が変化するほど（例えば、磁化Ｍ１の初期状態からの角度変化が大きくなるほど）小さくなる。初期状態において磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが反平行な場合は、センス電流Ｉｓは第２強磁性層２から第１強磁性層１に向かって流すことが好ましい。この方向にセンス電流Ｉｓを流すことで、第１強磁性層１の磁化Ｍ１に対して、第２強磁性層２の磁化Ｍ２と反対方向のスピントランスファートルクが作用し、初期状態において磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが反平行になる。
【0081】
第１動作例では、第１強磁性層１に照射される光が、第１強度と第２強度の２段階である場合を例に説明したが、第２動作例では第１強磁性層１に照射される光の強度が多段又はアナログ的に変化する場合について説明する。
【0082】
図８及び図９は、第１実施形態に係る磁性素子１０の第２動作例を説明するための図である。図８は、第２動作例の第１メカニズムを説明するための図であり、図９は、第２動作例の第２メカニズムを説明するための図である。図８及び図９では、磁性素子１０のうち第１強磁性層１、第２強磁性層２及びスペーサ層３のみを抜き出して図示している。図８及び図９の上のグラフは、縦軸が第１強磁性層１に照射される光の強度であり、横軸が時間である。図８及び図９の下のグラフは、縦軸が磁性素子１０のｚ方向の抵抗値であり、横軸が時間である。図８に示す例では、初期状態において磁化Ｍ１の方向と磁化Ｍ２の方向とが共に＋ｚ方向となっている。
【0083】
図８の場合、第１強磁性層１に照射される光の強度が大きくなると、光の照射による外部からのエネルギーによって第１強磁性層１の磁化Ｍ１は初期状態から傾く。第１強磁性層１に光が照射されていない状態における第１強磁性層１の磁化Ｍ１の方向と、光が照射された状態における磁化Ｍ１の方向との角度は、いずれも０°より大きく９０°より小さい。
【0084】
第１強磁性層１の磁化Ｍ１が初期状態から傾くと、磁性素子１０のｚ方向の抵抗値は変化する。そして、磁性素子１０からの出力電圧は変化する。例えば、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の傾きに応じて、磁性素子１０のｚ方向の抵抗値は、第２抵抗値Ｒ２、第３抵抗値Ｒ３、第４抵抗値Ｒ４と変化し、磁性素子１０からの出力電圧は第２の値、第３の値、第４の値と変化する。第１抵抗値Ｒ１、第２抵抗値Ｒ２、第３抵抗値Ｒ３、第４抵抗値Ｒ４の順に抵抗値は大きくなる。第１の値、第２の値、第３の値、第４の値の順に磁性素子１０からの出力電圧は大きくなる。
【0085】
磁性素子１０は、第１強磁性層１に照射される光の強度が変化した際に、磁性素子１０からの出力電圧（磁性素子１０のｚ方向の抵抗値）が変化する。例えば、第１の値（第１抵抗値Ｒ１）を“０”、第２の値（第２抵抗値Ｒ２）を“１”、第３の値（第３抵抗値Ｒ３）を“２”、第４の値（第４抵抗値Ｒ４）を“３”として規定すると、磁性素子１０からは４値の情報を読み出すことができる。ここでは一例として４値を読み出す場合を示したが、磁性素子１０からの出力電圧（磁性素子１０の抵抗値）の閾値の設定により読み出す値の数は自由に設計できる。また磁性素子１０の出力のアナログ値をそのまま利用してもよい。
【0086】
また図９の場合も同様に、第１強磁性層１に照射される光の強度が大きくなると、光の照射による外部からのエネルギーによって第１強磁性層１の磁化Ｍ１の大きさは初期状態から小さくなる。第１強磁性層１の磁化Ｍ１が初期状態から小さくなると、磁性素子１０のｚ方向の抵抗値は変化する。そして、磁性素子１０からの出力電圧は変化する。例えば、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の大きさに応じて、磁性素子１０のｚ方向の抵抗値は、第２抵抗値Ｒ２、第３抵抗値Ｒ３、第４抵抗値Ｒ４と変化し、磁性素子１０からの出力電圧は第２の値、第３の値、第４の値と変化する。したがって、図８の場合と同様に、光検知素子１００は、これらの出力電圧（抵抗値）の違いを、多値又はアナログデータとして読み出すことができる。
【0087】
また第２動作例の場合も、第１動作例の場合と同様に、第１強磁性層１に照射される光の強度が第１強度に戻ると、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の状態は初期状態に戻る。第２動作例によれば、光検知素子１００は、光の強度を多値又はアナログデータとして検知する素子として利用することができ、光通信システムだけでなく、イメージセンサー等の光センサー装置にも適用できる。
【0088】
ここでは初期状態において磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが平行な場合を例に説明したが、第２動作例においても、初期状態において磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが反平行でもよい。
【0089】
また第１動作例及び第２動作例では、初期状態において磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが平行又は反平行な場合を例示したが、初期状態において磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが直交していてもよい。例えば、初期状態において第１強磁性層１がｘｙ平面のいずれかの方向に磁化Ｍ１が配向した面内磁化膜で、第２強磁性層２がｚ方向に磁化Ｍ２が配向した垂直磁化膜の場合が、この場合に該当する。磁気異方性により磁化Ｍ１がｘｙ面内のいずれかの方向に配向し、磁化Ｍ２がｚ方向に配向することで、初期状態において磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが直交する。
【0090】
図１０及び図１１は、第１実施形態に係る磁性素子１０の第２動作例の別の例を説明するための図である。図１０及び図１１では、磁性素子１０のうち第１強磁性層１、第２強磁性層２及びスペーサ層３のみを抜き出して図示している。図１０と図１１とは、磁性素子１０に印加するセンス電流Ｉｓの流れ方向が異なる。図１０は、センス電流Ｉｓを第１強磁性層１から第２強磁性層２に向かって流している。図１１は、センス電流Ｉｓを第２強磁性層２から第１強磁性層１に向かって流している。
【0091】
図１０及び図１１のいずれの場合でも、磁性素子１０にセンス電流Ｉｓが流れることで、初期状態において磁化Ｍ１に対してスピントランスファートルクが作用している。図１０の場合は、磁化Ｍ１が第２強磁性層２の磁化Ｍ２と平行になるように、スピントランスファートルクが作用している。図１１の場合は、磁化Ｍ１が第２強磁性層２の磁化Ｍ２と反平行になるように、スピントランスファートルクが作用している。図１０及び図１１のいずれの場合でも、初期状態では、磁化Ｍ１に対する磁気異方性による作用がスピントランスファートルクの作用よりも大きいため、磁化Ｍ１はｘｙ面内のいずれかの方向を向いている。
【0092】
第１強磁性層１に照射される光の強度が大きくなると、光の照射による外部からのエネルギーによって第１強磁性層１の磁化Ｍ１は初期状態から傾く。磁化Ｍ１に加わる光の照射による作用とスピントランスファートルクによる作用との和が、磁化Ｍ１に係る磁気異方性による作用より大きくなるためである。第１強磁性層１に照射される光の強度が大きくなると、図１０の場合の磁化Ｍ１は第２強磁性層２の磁化Ｍ２と平行になるように傾き、図１１の場合の磁化Ｍ１は第２強磁性層２の磁化Ｍ２と反平行になるように傾く。磁化Ｍ１に作用するスピントランスファートルクの方向が違うため、図１０と図１１における磁化Ｍ１の傾き方向は異なる。
【0093】
第１強磁性層１に照射される光の強度が大きくなると、図１０の場合は磁性素子１０の抵抗値は小さくなり、磁性素子１０からの出力電圧は小さくなる。図１１の場合は磁性素子１０の抵抗値は大きくなり、磁性素子１０からの出力電圧は大きくなる。
【0094】
第１強磁性層１に照射される光の強度が第１強度に戻ると、磁化Ｍ１に対する磁気異方性による作用により第１強磁性層１の磁化Ｍ１の状態は初期状態に戻る。
【0095】
ここでは第１強磁性層１が面内磁化膜であり、第２強磁性層２が垂直磁化膜の例を挙げて説明したが、この関係は逆でもよい。すなわち、初期状態において、磁化Ｍ１がｚ方向に配向し、磁化Ｍ２がｘｙ面内のいずれかの方向に配向していてもよい。
【0096】
磁性素子１０は、強度変化を有する光を電気信号に置き換える。電気信号は、例えば、外部電極５３、５４から外部に出力される。電気信号は、例えば、磁性素子１０からの出力電圧である。
【0097】
第１実施形態に係る光検知素子１００は、光導波路２０を伝搬し磁性素子１０に照射された光を、磁性素子１０からの出力電圧に置き換えることで、光を電気信号に置き換えることができる。
【0098】
また第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、第１強磁性層１の体積が小さいほど光の照射に対して変化しやすくなる。つまり、第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、第１強磁性層１の体積が小さいほど光の照射により傾きやすい、又は、光の照射により小さくなりやすい。換言すると、第１強磁性層１の体積を小さくすると、わずかな光量の光でも磁化Ｍ１を変化させることができる。
【0099】
より正確には、磁化Ｍ１の変化しやすさは、第１強磁性層１の磁気異方性（Ｋｕ）と体積（Ｖ）との積（ＫｕＶ）の大きさで決定される。ＫｕＶが小さいほどより微小な光量でも磁化Ｍ１は変化し、ＫｕＶが大きいほどより大きな光量でないと磁化Ｍ１は変化しない。つまり、アプリケーションで使用する外部から照射する光の光量に応じて、第１強磁性層１のＫｕＶを設計することになる。極めて微量な超微小な光量、フォトン検出のようなことを想定した場合には、第１強磁性層１のＫｕＶを小さくすることで、これらの微小な光量の光の検出が可能となる。このような微小な光量の光の検出は、従来のｐｎ接合の半導体では素子サイズを小さくすると難しくなるため、大きなメリットである。つまりＫｕＶを小さくするために、第１強磁性層１の体積を小さくする、つまり素子面積を小さくしたり、第１強磁性層１の膜厚を薄くすることで、フォトン検出も可能となる。
【0100】
また第１実施形態に係る光検知素子１００は、照射される光の波長範囲によらず、光を検知できる。ｐｎ接合を利用した半導体フォトディテクタは、照射される光の波長によって、適切な半導体材料が異なる。例えば、波長が１．３μｍ以上１．５μｍ以下の近赤外光の検知には、ＩｎＧａＡｓ等が用いられる。また例えば、波長が４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の可視光の検知には、シリコンが用いられる。これに対し、第１実施形態に係る光検知素子１００は、可視光、近赤外光などの光の波長によらず光を感度良く検知できる。
【0101】
第１実施形態に係る光検知素子１００は、光が伝搬する光導波路２０と、光を電気信号に変換する磁性素子１０とが、同一の基板３０に形成されており、一括形成可能である。また、第１実施形態に係る光検知素子１００は、パッケージ化された一つの電子部品として扱うことが可能である。
【0102】
「第２実施形態」
図１２は、第２実施形態に係る光検知素子１０１の斜視図である。図１３及び図１４は、第２実施形態に係る光検知素子１０１の断面図である。図１３は、コア２１Ａの幅方向中央を通るｘｚ断面である。図１４は、磁性素子１０の中央を通るｙｚ断面である。
図１２は、第２実施形態に係る光検知素子１０１の斜視図である。図１３及び図１４は、第２実施形態に係る光検知素子１０１の断面図である。図１３は、コア２１Ａの幅方向中央を通るｘｚ断面である。図１４は、磁性素子１０の中央を通るｙｚ断面である。
【0103】
光検知素子１０１は、例えば、磁性素子１０と第１電極１１Ａと第２電極１２Ａと光導波路２０Ａと基板３０と絶縁層４０とを有する。光導波路２０Ａを伝搬した光が、磁性素子１０に照射される。第２実施形態に係る光検知素子１０１において、第１実施形態に係る光検知素子１００と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
【0104】
光導波路２０Ａには、光源から出射した光が伝搬する。光導波路２０Ａを伝搬する光は、第１実施形態に係る光導波路２０を伝搬する光と同様である。
【0105】
光導波路２０Ａは、少なくともコア２１Ａとクラッド２５とによって形成されている。コア２１Ａの少なくとも一部はクラッド２５で被覆されている。コア２１Ａを構成する材料は、第１実施形態に係るコア２１と同様である。
【0106】
コア２１Ａは基板３０と接する。例えば、コア２１Ａの下面は、基板３０と接する。基板３０とコア２１Ａとの境界面で光は反射し、基板３０はクラッド２５の一部を構成する。基板３０の屈折率は、コア２１Ａの屈折率よりも小さい。
【0107】
コア２１Ａは、例えば、主部２２と第１部分２３Ａとを備える。第１部分２３Ａは、主部２２に接続されている。光導波路２０Ａは、傾斜反射面２４Ａを有する。傾斜反射面２４Ａは、コア２１Ａの一部である第１部分２３Ａとクラッド２５との境界面の一部である。傾斜反射面２４Ａは、磁性素子１０の積層方向及び上述の第１方向と交差している。主部２２を伝搬して傾斜反射面２４Ａで反射した光が、第２電極１２Ａ側から磁性素子１０に照射される。磁性素子１０に照射された光は、磁性素子１０を構成する各層を透過して、第１強磁性層１に照射される。傾斜反射面２４Ａのｚ方向（磁性素子１０の積層方向）の位置は、磁性素子１０のｚ方向の位置とは異なる。傾斜反射面２４Ａは、例えば、磁性素子１０の積層方向から見て、磁性素子１０と重なる位置にある。例えば、傾斜反射面２４Ａは、ｚ方向の位置が磁性素子１０よりも下方である。
【0108】
磁性素子１０及び光導波路２０Ａは、例えば、基板３０上にある。傾斜反射面２４Ａのｚ方向の位置は、磁性素子１０のｚ方向の位置と基板３０のｚ方向の位置との間である。例えば、傾斜反射面２４Ａの少なくとも一部は、磁性素子１０と基板３０とに、ｚ方向に挟まれる。磁性素子１０は、光導波路２０Ａを伝搬した光が照射される位置（傾斜反射面２４Ａで反射した光が照射される位置）にあり、例えば、傾斜反射面２４Ａの上方にある。
【0109】
第１電極１１Ａ及び第２電極１２Ａのそれぞれは、例えば、磁性素子１０と電気的に接続されている。第１電極１１Ａは、ビア配線５１と接続されている。第２電極１２Ａは、ビア配線５２と接続されている。第２電極１２Ａの少なくとも一部は、磁性素子１０と第１部分２３Ａとに挟まれる。また第２電極１２は、例えば、コア２１Ａの第１部分２３Ａと接する。第２電極１２Ａの構成は、第１実施形態における第１電極１１の構成と同様である。第１電極１１Ａの構成は、第１実施形態における第２電極１２の構成と同様である。第２電極１２Ａがコア２１Ａと接する場合、第２電極１２Ａとコア２１Ａとの屈折率差の絶対値は、コア２１Ａとクラッド２５との屈折率差の絶対値より小さいことが好ましい。上記の屈折率差の条件を満たすと、コア２１Ａと第２電極１２Ａとの境界面におけるコア２１Ａを伝搬した光の反射を抑えることができ、磁性素子１０にコア２１Ａを伝搬した光の多くを照射できる。第２電極１２Ａの屈折率はコア２１Ａの屈折率よりも小さくてもよいし、第２電極１２Ａの屈折率がコア２１Ａの屈折率よりも大きくてもよいし、第２電極１２Ａの屈折率がコア２１Ａの屈折率と同じでもよい。
【0110】
次いで、光検知素子１０１の製造方法について説明する。まず基板３０上に、コア２１Ａとなる層を成膜する。例えば、サファイアの単結晶基板上に、ニオブ酸リチウムを結晶成長させる。次いで、成膜した層をフォトリソグラフィ及びエッチングにより所定の形状に加工し、コア２１Ａを形成する。
【0111】
次いで、コア２１Ａの第１部分２３Ａ上に、第２電極１２Ａ、下地層６、第３強磁性層４、磁気結合層５、第２強磁性層２、スペーサ層３、第１強磁性層１、垂直磁化誘起層７、キャップ層８の順に積層した積層膜を形成する。そして、積層膜をアニール後、所定の柱状体に加工し、磁性素子１０を作製する。その後、キャップ層８上に、第１電極１１Ａを作製する。磁性素子１０は、下地を構成する材料によらず作製が可能であり、接着層等を介さずに、コア２１Ａの一部である第１部分２３Ａ上に形成できる。
【0112】
次いで、コア２１Ａを覆うように、クラッド２５を形制する。次いで、磁性素子１０を被覆するように、絶縁層４０を形成する。次いで、絶縁層４０に貫通孔を形成し、内部を導電体で充填することで、ビア配線５１、５２が形成され、光検知素子１０１が得られる。
【0113】
また図１５は、第２実施形態の変形例に係る磁性素子１０Ａの断面図である。磁性素子１０Ａは、上記の光検知素子１０１の磁性素子１０と置き換えることができる。この際、磁性素子１０Ａは、第１電極１１が第２電極１２より第１部分２３Ａ側になるように配置され、第１電極１１の少なくとも一部は、磁性素子１０Ａと第１部分２３Ａとに挟まれる。磁性素子１０Ａには、第１電極１１側から傾斜反射面２４Ａで反射した光が照射される。この場合、第１電極１１は、例えば、コア２１Ａの第１部分２３Ａと接する。第１電極１１がコア２１Ａと接する場合、第１電極１１とコア２１Ａとの屈折率差の絶対値は、コア２１Ａとクラッド２５との屈折率差の絶対値より小さいことが好ましい。第１電極１１の屈折率はコア２１Ａの屈折率よりも小さくてもよいし、第１電極１１の屈折率がコア２１Ａの屈折率よりも大きくてもよいし、第１電極１１の屈折率がコア２１Ａの屈折率と同じでもよい。
【0114】
磁性素子１０Ａは、少なくとも第１強磁性層１と第２強磁性層２とスペーサ層３とを有する。スペーサ層３は、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に位置する。磁性素子１０Ａは、これらの他に、例えば、第３強磁性層４、磁気結合層５、下地層６、垂直磁化誘起層７、キャップ層８、シード層９Ａ、バッファ層９Ｂを有する。
【0115】
磁性素子１０Ａは、キャップ層８、垂直磁化誘起層７、第１強磁性層１、スペーサ層３、第２強磁性層２、磁気結合層５、第３強磁性層４の積層順が、磁性素子１０の積層順と反対である。磁性素子１０Ａは、磁性素子１０とは異なり、下地層６はキャップ層８と第１電極１１との間にあり、第１電極１１と第２電極１２との間に、下地層６、キャップ層８、垂直磁化誘起層７、第１強磁性層１、スペーサ層３、第２強磁性層２、磁気結合層５、第３強磁性層４、シード層９Ａ及びバッファ層９Ｂが、第１電極層１１側からこの順に積層されている。シード層９Ａ及びバッファ層９Ｂのそれぞれには、下地層６のシード層とバッファ層のそれぞれと同様の材料を用いることができる。
【0116】
光検知素子１０１の動作は、光検知素子１００と同様である。第２実施形態に係る光検知素子１０１は、光導波路２０Ａを伝搬し磁性素子１０に照射された光を、磁性素子１０からの出力電圧に置き換えることで、光を電気信号に置き換えることができる。第２実施形態に係る光検知素子１０１は、第１実施形態に係る光検知素子１００と同様の効果を奏する。
【0117】
「第３実施形態」
図１６は、第３実施形態に係る光検知素子１０２の斜視図である。図１７及び図１８は、第３実施形態に係る光検知素子１０２の断面図である。図１７は、コア２１Ｂの幅方向中央を通るｘｚ断面である。図１８は、磁性素子１０の中央を通るｙｚ断面である。
図１６は、第３実施形態に係る光検知素子１０２の斜視図である。図１７及び図１８は、第３実施形態に係る光検知素子１０２の断面図である。図１７は、コア２１Ｂの幅方向中央を通るｘｚ断面である。図１８は、磁性素子１０の中央を通るｙｚ断面である。
【0118】
光検知素子１０２は、例えば、磁性素子１０と第１電極１１Ｂと第２電極１２Ｂと光導波路２０Ｂと基板３０と絶縁層４０とを有する。第３実施形態に係る光検知素子１０２において、第１実施形態に係る光検知素子１００と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
【0119】
光導波路２０Ｂには、光源から出射した光が伝搬する。光導波路２０Ｂを伝搬する光は、第１実施形態に係る光導波路２０を伝搬する光と同様である。
【0120】
光導波路２０Ｂは、少なくともコア２１Ｂとクラッド２５とによって形成されている。コア２１Ｂを構成する材料は、第１実施形態に係るコア２１と同様である。コア２１Ｂは、例えば、主部２２Ｂと第１部分２３Ｂとを備える。光導波路２０Ｂは、傾斜反射面２４Ｂを有する。第１部分２３Ｂは、主部２２Ｂに接続されている。
【0121】
磁性素子１０及び光導波路２０Ｂは、いずれも基板３０上に形成されている。基板３０は、厚み方向で対向する第１面３１と第２面３２とを有している。光導波路２０Ｂは、基板３０の第１面３１側にある。磁性素子１０は、基板３０の第２面３２側にある光導波路２０Ｂのコア２１Ｂは基板３０と接する。例えば、コア２１Ｂの下面は、基板３０と接する。基板３０とコア２１Ｂとの境界面で光は反射し、基板３０はクラッド２５の一部を構成する。基板３０の屈折率は、コア２１Ｂの屈折率よりも小さい。
【0122】
基板３０のｚ方向の位置は、光導波路２０の傾斜反射面２４Ｂのｚ方向の位置と、磁性素子１０のｚ方向の位置との間である。例えば、基板３０の一部は、傾斜反射面２４Ｂと磁性素子１０とに、ｚ方向に挟まれる。磁性素子１０は、光導波路２０Ｂを伝搬した光が照射される位置（傾斜反射面２４で反射した光が照射される位置）にあり、例えば、傾斜反射面２４Ｂの下方にある。傾斜反射面２４Ｂのｚ方向（磁性素子１０の積層方向）の位置は、磁性素子１０のｚ方向の位置とは異なる。傾斜反射面２４Ｂは、例えば、磁性素子１０の積層方向から見て、磁性素子１０と重なる位置にある。光導波路２０Ｂを伝搬した光は、傾斜反射面２４Ｂで反射し、基板３０を透過し、第２電極１２Ｂ側から磁性素子１０に照射される。磁性素子１０に照射された光は、磁性素子１０を構成する各層を透過して、第１強磁性層１に照射される。
【0123】
第１電極１１Ｂ及び第２電極１２Ｂのそれぞれは、例えば、磁性素子１０と電気的に接続されている。第１電極１１Ｂは、ビア配線５１と接続されている。第２電極１２Ｂは、ビア配線５２と接続されている。第２電極１２Ｂの少なくとも一部は、磁性素子１０と第１部分２３Ｂとに挟まれる。第２電極１２Ｂの構成は、第１実施形態における第１電極１１の構成と同様である。第１電極１１Ｂの構成は、第１実施形態における第２電極１２の構成と同様である。
【0124】
次いで、光検知素子１０２の製造方法について説明する。まず基板３０の第１面３１上に、コア２１Ｂとなる層を成膜する。例えば、サファイアの単結晶基板上に、ニオブ酸リチウムを結晶成長させる。次いで、成膜した層をフォトリソグラフィ及びエッチングにより所定の形状に加工し、コア２１Ｂを形成する。次いで、コア２１Ｂを覆うように、クラッド２５を形成する。
【0125】
次いで、基板３０の第２面３２上に、第２電極１２Ｂ、下地層６、第３強磁性層４、磁気結合層５、第２強磁性層２、スペーサ層３、第１強磁性層１、垂直磁化誘起層７、キャップ層８の順に積層した積層膜を形成する。そして、積層膜をアニール後、所定の柱状体に加工し、磁性素子１０を作製する。その後、キャップ層８上に、第１電極１１Ｂを作製する。
【0126】
次いで、磁性素子１０を被覆するように、絶縁層４０を形成する。次いで、絶縁層４０に貫通孔を形成し、内部を導電体で充填することで、ビア配線５１、５２が形成され、光検知素子１０２が得られる。第３実施形態においても、磁性素子１０を図１５に示す磁性素子１０Ａと置き換えることができる。この際、磁性素子１０Ａは、第１電極１１が第２電極１２より第１部分２３Ｂ側になるように配置され、第１電極１１の少なくとも一部は、磁性素子１０Ａと第１部分２３Ｂとに挟まれる。磁性素子１０Ａには、第１電極１１側から傾斜反射面２４Ｂで反射した光が照射される。この場合、第１電極１１は、例えば、コア２１Ｂの第１部分２３Ｂと接する。第１電極１１がコア２１Ｂと接する場合、第１電極１１とコア２１Ｂとの屈折率差の絶対値は、コア２１Ｂとクラッド２５との屈折率差の絶対値より小さいことが好ましい。第１電極１１の屈折率はコア２１Ｂの屈折率よりも小さくてもよいし、第１電極１１の屈折率がコア２１Ｂの屈折率よりも大きくてもよいし、第１電極１１の屈折率がコア２１Ｂの屈折率と同じでもよい。
【0127】
光検知素子１０２の動作は、光検知素子１００と同様である。第３実施形態に係る光検知素子１０２は、光導波路２０を伝搬し磁性素子１０に照射された光を、磁性素子１０からの出力電圧に置き換えることで、光を電気信号に置き換えることができる。第３実施形態に係る光検知素子１０２は、第１実施形態に係る光検知素子１００と同様の効果を奏する。
【0128】
また図１９は、第３実施形態に係る光検知素子１０２の変形例の断面図である。変形例に係る光検知素子１０２Ａは、コア２１と基板３０との間にクラッド２５の一部がある点が、光検知素子１０２と異なる。変形例に示す光検知素子１０２Ａのように、基板３０は、クラッド２５の一部を構成していなくてもよく、コア２１は基板３０と直接接していなくてもよい。
【0129】
【0130】
光検知素子１０３は、例えば、磁性素子１０と光導波路６０と基板３０と絶縁層４０とを有する。光導波路６０を伝搬した光が、磁性素子１０に照射される。第４実施形態に係る光検知素子１０３において、第１実施形態に係る光検知素子１００と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
【0131】
光導波路６０には、光源から出射した光が伝搬する。光導波路６０を伝搬する光は、第１実施形態に係る光導波路２０を伝搬する光と同様である。
【0132】
光導波路６０は、少なくともコア６１とクラッド６５とによって形成されている。コア６１の少なくとも一部はクラッド６５で被覆されている。コア６１を構成する材料は、第１実施形態に係るコア２１と同様である。クラッド６５を構成する材料は、第１実施形態に係るクラッド２５と同様である。
【0133】
コア６１は、例えば、主部６２と第２部分６３とを備える。主部６２は、例えば、ｘ方向に延びる。コア６１のｙ方向の幅は、コア２１と同等である。コア６１の主部６２のｚ方向の厚みは、コア２１の主部２２と同等である。
【0134】
第２部分６３は、主部６２に接続されている。第２部分６３は、主部６２の光の入射端と反対側の端部に接続されている。光は、主部６２から第２部分６３に向かって伝搬する。第２部分６３は、第１方向を基準に磁性素子１０に向かう方向に湾曲している。第２部分６３は、例えば、ｘ方向に延びる主部６２から磁性素子１０に向かって湾曲している。
【0135】
第２部分６３を伝搬する光が、磁性素子１０に照射される。第２部分６３のｚ方向（磁性素子１０の積層方向）の位置は、磁性素子１０のｚ方向の位置とは異なる。第２部分６３の少なくとも一部は、例えば、磁性素子１０の積層方向から見て、磁性素子１０と重なる位置にある。例えば、第２部分６３は、ｚ方向の位置が磁性素子１０よりも上方である。磁性素子１０には、光導波路６０を伝搬した光が照射される。第１電極１１がコア６１と接する場合、第１電極１１とコア６１との屈折率差の絶対値は、コア６１とクラッド６５との屈折率差の絶対値より小さいことが好ましい。この屈折率差の条件を満たすと、コア６１と第１電極１１との境界面におけるコア６１を伝搬した光の反射を抑えることができ、磁性素子１０にコア６１を伝搬した光の多くを照射できる。この場合、第１電極１１の屈折率がコア６１の屈折率よりも小さくても大きくてもよく、第１電極１１の屈折率がコア２１の屈折率と同じでもよい。
【0136】
磁性素子１０及び光導波路６０は、例えば、基板３０上にある。磁性素子１０のｚ方向の位置は、第２部分６３のｚ方向の位置と基板３０のｚ方向の位置との間である。例えば、磁性素子１０は、基板３０と第２部分６３とに、ｚ方向に挟まれる。
【0137】
光検知素子１０３は、光検知素子１００と同様の手順で作製できる。光検知素子１０３は、光導波路６０を伝搬する光が磁性素子１０に照射されることで動作する。光導波路６０を伝搬する光は、強度変化を有する光であり、例えば、光強度変化を有する光信号を含む。コア６１を伝搬する光は、第２部分６３を伝搬し、磁性素子１０に照射される。磁性素子１０は光を電気信号に変換する。磁性素子１０が光を電気信号に変換する動作は、第１実施形態に係る光検知素子１００と同様である。
【0138】
第４実施形態に係る光検知素子１０３は、光導波路６０を伝搬し磁性素子１０に照射された光を、磁性素子１０からの出力電圧に置き換えることで、光を電気信号に置き換えることができる。第４実施形態に係る光検知素子１０３は、第１実施形態に係る光検知素子１００と同様の効果を奏する。
【0139】
また第４実施形態において磁性素子１０、光導波路６０、基板３０の位置関係は、図２０の構成に限られない。
【0140】
例えば、第２実施形態に係る光検知素子１０１のように、光導波路６０の第２部分６３は、基板３０と磁性素子１０との間にあってもよい。この場合、磁性素子１０及び光導波路６０は、いずれも基板３０上にある。第２部分６３のｚ方向の位置は、磁性素子１０のｚ方向の位置と基板３０のｚ方向の位置との間でもよい。例えば、第２部分６３の少なくとも一部は、磁性素子１０と基板３０とに、ｚ方向に挟まれる。磁性素子１０は、光導波路６０を伝搬した光が照射される位置にあり、例えば、ｚ方向の位置が第２部分６３の上方であってもよい。
【0141】
また例えば、第３実施形態に係る光検知素子１０２のように、光導波路６０と磁性素子１０とは、基板３０の異なる面に形成されていてもよい。例えば、光導波路６０が基板３０の第１面３１側にあり、磁性素子１０が基板３０の第２面３２側にあってもよい。
【0142】
基板３０のｚ方向の位置は、第２部分６３のｚ方向の位置と、磁性素子１０のｚ方向の位置との間でもよい。例えば、基板３０の一部は、第２部分６３と磁性素子１０とに、ｚ方向に挟まれていてもよい。磁性素子１０は、光導波路６０を伝搬した光が照射される位置にあり、例えば、ｚ方向の位置が第２部分６３の下方であってもよい。この場合、光導波路６０の第２部分６３を伝搬した光は、基板３０を透過し、磁性素子１０に照射される。
【0143】
【0144】
光検知素子１０４は、例えば、磁性素子１０と光導波路７０と基板３０と絶縁層４０とを有する。光導波路７０を伝搬した光が、磁性素子１０に照射される。第５実施形態に係る光検知素子１０４において、第１実施形態に係る光検知素子１００と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
【0145】
光導波路７０には、光源から出射した光が伝搬する。光導波路７０を伝搬する光は、第１実施形態に係る光導波路２０を伝搬する光と同様である。
【0146】
光導波路７０は、少なくともコア７１とクラッド７５とによって形成されている。コア７１の少なくとも一部はクラッド７５で被覆されている。コア７１を構成する材料は、第１実施形態に係るコア２１と同様である。クラッド７５を構成する材料は、第１実施形態に係るクラッド２５と同様である。コア７１のｙ方向の幅、ｚ方向の厚みは、コア２１と同等である。
【0147】
光導波路７０を伝搬する光が、磁性素子１０に照射される。コア７１の一部は、例えば、磁性素子１０の積層方向から見て、磁性素子１０と重なる位置にある。第１電極１１は、コア７１と接し、第１電極１１とコア７１との屈折率差の絶対値は、コア７１とクラッド７５との屈折率差の絶対値より小さい。その結果、コア７１と第１電極１１との境界面におけるコア７１を伝搬した光の反射を抑えることができ、コア７１を伝搬した光は、第１電極１１とコア７１との境界面から磁性素子１０に照射される。第１電極１１の屈折率はコア７１の屈折率よりも小さくても大きくてもよく、第１電極１１の屈折率がコア７１の屈折率と同じでもよい。
【0148】
磁性素子１０及び光導波路７０は、例えば、基板３０上にある。磁性素子１０のｚ方向の位置は、光導波路７０の少なくとも一部のｚ方向の位置と基板３０のｚ方向の位置との間である。例えば、磁性素子１０は、基板３０と光導波路７０とに、ｚ方向に挟まれる。
【0149】
光検知素子１０４は、光検知素子１００と同様の手順で作製できる。光検知素子１０４は、光導波路７０を伝搬する光が磁性素子１０に照射されることで動作する。光導波路７０を伝搬する光は、強度変化を有する光であり、例えば、光強度変化を有する光信号を含む。磁性素子１０は光を電気信号に変換する。磁性素子１０が光を電気信号に変換する動作は、第１実施形態に係る光検知素子１００と同様である。
【0150】
第５実施形態に係る光検知素子１０４は、光導波路７０を伝搬し磁性素子１０に照射された光を、磁性素子１０からの出力電圧に置き換えることで、光を電気信号に置き換えることができる。第５実施形態に係る光検知素子１０４は、第１実施形態に係る光検知素子１００と同様の効果を奏する。
【0151】
また第５実施形態において磁性素子１０、光導波路７０、基板３０の位置関係は、図２２の構成に限られない。
【0152】
例えば、第２実施形態に係る光検知素子１０１のように、光導波路７０は、基板３０と磁性素子１０との間にあってもよい。光導波路７０の少なくとも一部のｚ方向の位置は、磁性素子１０のｚ方向の位置と基板３０のｚ方向の位置との間でもよい。この場合、例えば、光導波路７０の一部は、磁性素子１０と基板３０とに、ｚ方向に挟まれる。
【0153】
また例えば、第３実施形態に係る光検知素子１０２のように、光導波路７０と磁性素子１０とは、基板３０の異なる面に形成されていてもよい。例えば、光導波路７０が基板３０の第１面３１側にあり、磁性素子１０が基板３０の第２面３２側にあってもよい。光導波路７０のコア７１は基板３０と接していても、接していなくてもよい。
【0154】
基板３０のｚ方向の位置は、光導波路７０の少なくとも一部のｚ方向の位置と、磁性素子１０のｚ方向の高さ位置との間でもよい。例えば、基板３０の一部は、光導波路７０と磁性素子１０とに、ｚ方向に挟まれてもよい。
【0155】
以上、本発明は上記の実施形態及び変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【0156】
例えば、図２４は、第１変形例に係る光検知素子１１０の断面図である。図２４は、磁性素子１０の中央を通るｙｚ断面である。光検知素子１１０は、ビア配線５５、５６及び外部電極５７、５８を有し、外部電極５４、５８が基準電位（例えばグラウンド）に接続されている点が、光検知素子１００と異なる。基準電位は、グラウンドでもグラウンド以外でもよい。
【0157】
ビア配線５５は、第１電極１１と外部電極５７とを繋ぐ。ビア配線５６は、第２電極１２と外部電極５８とを繋ぐ。
【0158】
第１電極１１にビア配線５５及び外部電極５７が接続され、第２電極１２にビア配線５６及び外部電極５８が接続され、外部電極５４、５８が基準電位に接続される構成は、第２実施形態から第５実施形態のそれぞれに適用してもよい。
【0159】
また例えば、図２５は、第２変形例に係る光検知素子１１１の断面図である。図２５は、磁性素子１０の中央を通るｙｚ断面である。図２５に示すように、基板３０には、トランジスタＴｒ等を含む集積回路が形成されていてもよい。例えば、ビア配線５２は、トランジスタＴｒと接続されていてもよい。集積回路は、例えば、磁性素子１０と電気的に接続され、例えば、磁性素子１０から出力電圧が閾値以上の場合を第１信号（例えば、“１”）、閾値未満の場合を第２信号（例えば、“０”）として処理する。
【0160】
基板３０に集積回路を形成する構成は、第２実施形態から第５実施形態のそれぞれに適用してもよい。
【0161】
上記の実施形態及び変形例にかかる光検知素子は、イメージセンサー等の光センサー装置、通信システムの送受信装置等に適用できる。
【符号の説明】
【0162】
１…第１強磁性層、２…第２強磁性層、３…スペーサ層、４…第３強磁性層、５…磁気結合層、６…下地層、７…垂直磁化誘起層、８…キャップ層、１０…磁性素子、１１…第１電極、１２…第２電極、２０，２０Ａ…光導波路、２１，２１Ａ，６１，７１…コア、２２，６２…主部、２３，２３Ａ…第１部分、２４，２４Ａ…傾斜反射面、２５，２５Ａ，６５，７５…クラッド、３０…基板、３１…第１面、３２…第２面、４０…絶縁層、５１，５２，５５，５６…ビア配線、５３，５４…外部電極、５７，５８…グラウンド電極、６０，７０…光導波路、６３…第２部分、１００，１０１，１０２，１０２Ａ，１０３，１０４，１１０，１１１…光検知素子
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】