特開 2024-17570 磁壁移動型空間光変調器

(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】P2024017570

(43)【公開日】2024-02-08

(54)【発明の名称】磁壁移動型空間光変調器

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/09 20060101AFI20240201BHJP

   H10N 50/80 20230101ALI20240201BHJP

   H10N 50/10 20230101ALI20240201BHJP

【ＦＩ】

G02F1/09 503

H01L43/02 Z

H01L43/08 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022120290

(22)【出願日】2022-07-28

(71)【出願人】

【識別番号】000004352

【氏名又は名称】日本放送協会

(74)【代理人】

【識別番号】100106002

【弁理士】

【氏名又は名称】正林 真之

(74)【代理人】

【識別番号】100120891

【弁理士】

【氏名又は名称】林 一好

(72)【発明者】

【氏名】川那 真弓

(72)【発明者】

【氏名】船橋 信彦

(72)【発明者】

【氏名】町田 賢司

(72)【発明者】

【氏名】青島 賢一

【テーマコード（参考）】

2K102

5F092

【Ｆターム（参考）】

2K102AA27

2K102BA05

2K102BB05

2K102BC04

2K102BC09

2K102BD08

2K102CA20

2K102DC09

2K102EA02

2K102EB02

2K102EB11

5F092AA12

5F092AB10

5F092AC08

5F092AC12

5F092AD03

5F092AD23

5F092AD25

5F092AD26

5F092BB23

5F092BB31

5F092BB43

5F092BC04

5F092BC12

5F092BC13

5F092GA03

(57)【要約】

【課題】簡易なプロセスで、駆動電流を大きくせずに、磁壁移動型空間光変調素子の開口率を大きくすることが可能な磁壁移動型空間光変調器を提供する。
【解決手段】磁壁移動型空間光変調器３００は、所定方向に延びており、入射した光の偏光の向きを変化させて出射する光変調層３１と、光変調層３１の両端部に平行に延びて配置されており、互いに保磁力が異なる第１磁化固定層２２および第２磁化固定層２３と、を有する磁壁移動型空間光変調素子３０を備える。光変調層３１は、本体部と、本体部の第１磁化固定層２２が配置されている側の端部に設けられている第１漏れ磁界トラップ部と、本体部の第２磁化固定層２３が配置されている側の端部に設けられている第２漏れ磁界トラップ部と、を備える。第１漏れ磁界トラップ部および第２漏れ磁界トラップ部は、本体部よりも幅が小さい。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定方向に延びており、入射した光の偏光の向きを変化させて出射する光変調層と、前記光変調層の両端部に平行に延びて配置されており、互いに保磁力が異なる第１磁化固定層および第２磁化固定層と、を有する磁壁移動型空間光変調素子を備え、
前記光変調層は、本体部と、前記本体部の前記第１磁化固定層が配置されている側の端部に設けられており、前記第１磁化固定層からの漏れ磁界をトラップする第１漏れ磁界トラップ部と、前記本体部の前記第２磁化固定層が配置されている側の端部に設けられており、前記第２磁化固定層からの漏れ磁界をトラップする第２漏れ磁界トラップ部と、を備え、
前記第１漏れ磁界トラップ部および前記第２漏れ磁界トラップ部は、前記本体部よりも幅が小さい、磁壁移動型空間光変調器。

【請求項2】

前記第１漏れ磁界トラップ部および前記第２漏れ磁界トラップ部は、前記本体部よりも面積が小さい、請求項１に記載の磁壁移動型空間光変調器。

【請求項3】

前記第１漏れ磁界トラップ部の長さは、前記磁壁移動型空間光変調素子の計算モデルによる前記光変調層が延びているｘ方向に対する前記第１磁化固定層からの漏れ磁界の前記ｘ方向および前記第１磁化固定層が延びているｙ方向に対して垂直なｚ方向の成分の計算結果において、前記漏れ磁界のｚ方向の成分の絶対値が前記光変調層の有効磁界と同一である場合の交点間距離よりも大きく、
前記第２漏れ磁界トラップ部の長さは、前記磁壁移動型空間光変調素子の計算モデルによる前記ｘ方向に対する前記第２磁化固定層からの漏れ磁界の前記ｚ方向の成分の計算結果において、前記漏れ磁界のｚ方向の成分の絶対値が前記光変調層の有効磁界と同一である場合の交点間距離よりも大きい、請求項１または２に記載の磁壁移動型空間光変調器。

【請求項4】

前記第１漏れ磁界トラップ部および前記第２漏れ磁界トラップ部は、長さが１５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である、請求項３に記載の磁壁移動型空間光変調器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁壁移動型空間光変調器に関する。

【背景技術】

【0002】

立体ホログラフィを実現するためには、実用上、３０°以上の視域が求められる。そのため、表示装置である空間光変調器（ＳＬＭ）の画素ピッチを１μｍ以下にする必要がある。液晶、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）等の既存のＳＬＭは、画素ピッチが５μｍ程度であり、これ以上微細化するのは困難である。

【0003】

一方、画素の書き換えにスピン注入磁化反転や磁壁移動を用いた磁気光学式空間光変調器（ＭＯＳＬＭ）は、光利用効率、動作電流等の観点から、性能を改善する必要があるものの、１μｍ以下の画素ピッチを実現することができる（例えば、特許文献１参照）。ＭＯＳＬＭは、磁化の向きに応じた光の偏光面の回転を明暗に割り当てることにより、光の変調を実現するデバイスである。

【0004】

磁壁移動型空間光変調器は、入射した光の偏光の向きを変化させて出射する光変調層と、光変調層の両端部に互いに平行に延びて配置されており、保磁力が異なる第１磁化固定層および第２磁化固定層を有する磁壁移動型空間光変調素子を備え、光変調層に流す電流の向きにより、磁区の拡大および縮小を制御することができる（例えば、特許文献２参照）。磁壁移動型空間光変調器は、スピン注入磁化反転を用いたＭＯＳＬＭに比べて、低消費電力を期待できるが、光変調層と２つの磁化固定層の３種類の強磁性層に十分な保磁力差を与えるとともに、複雑なデバイス構造を精密に作製するために、１μｍ以下の画素ピッチを前提とする高度なデバイス設計を実現する必要がある。

【0005】

特許文献３では、第１磁化固定層および第２磁化固定層の保磁力差を設計する際に、第１磁化固定層および第２磁化固定層を一度のプロセスで形成することで、高精度な位置合わせの回数を省略する方法が記載されている。これにより、簡易なプロセスで磁壁移動型空間光変調素子を形成することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１２－１４１４０２号公報

【特許文献2】特開２０１８－２０６９００号公報

【特許文献3】特開２０１９－２２０５４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ここで、磁壁移動型空間光変調素子では、外部磁界を印加することにより、光変調層の両端で互いに反平行な初期磁化方向を実現すると、第１磁化固定層からの漏れ磁界によって、光変調層の第１磁化固定層側の端部に初期磁区が形成される。また、磁壁電流駆動を実施すると、第２磁化固定層からの漏れ磁界によって、光変調層の第２磁化固定層側の端部に第２磁区が形成される。このため、磁壁移動型空間光変調素子の開口率は、初期磁区および第２磁区を含まない光変調領域で決定される。このとき、光変調層の磁気特性に応じて、初期磁区のサイズが変化し、その結果、磁壁移動型空間光変調素子の開口率が変化する。一方、駆動電流を小さくするためには、光変調層の磁化を低くすることが有効であるが、その場合には、初期磁区のサイズが大きくなるため、磁壁移動型空間光変調素子の開口率が小さくなる。このため、駆動電流を大きくせずに、磁壁移動型空間光変調素子の開口率を大きくすることが望まれている。

【0008】

本発明は、簡易なプロセスで、駆動電流を大きくせずに、磁壁移動型空間光変調素子の開口率を大きくすることが可能な磁壁移動型空間光変調器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】

【0009】

（１）所定方向に延びており、入射した光の偏光の向きを変化させて出射する光変調層と、前記光変調層の両端部に平行に延びて配置されており、互いに保磁力が異なる第１磁化固定層および第２磁化固定層と、を有する磁壁移動型空間光変調素子を備え、前記光変調層は、本体部と、前記本体部の前記第１磁化固定層が配置されている側の端部に設けられており、前記第１磁化固定層からの漏れ磁界をトラップする第１漏れ磁界トラップ部と、前記本体部の前記第２磁化固定層が配置されている側の端部に設けられており、前記第２磁化固定層からの漏れ磁界をトラップする第２漏れ磁界トラップ部と、を備え、前記第１漏れ磁界トラップ部および前記第２漏れ磁界トラップ部は、前記本体部よりも幅が小さい、磁壁移動型空間光変調器。

【0010】

（２）前記第１漏れ磁界トラップ部および前記第２漏れ磁界トラップ部は、前記本体部よりも面積が小さい、（１）に記載の磁壁移動型空間光変調器。

【0011】

（３）前記第１漏れ磁界トラップ部の長さは、前記磁壁移動型空間光変調素子の計算モデルによる前記光変調層が延びているｘ方向に対する前記第１磁化固定層からの漏れ磁界の前記ｘ方向および前記第１磁化固定層が延びているｙ方向に対して垂直なｚ方向の成分の計算結果において、前記漏れ磁界のｚ方向の成分の絶対値が前記光変調層の有効磁界と同一である場合の交点間距離よりも大きく、前記第２漏れ磁界トラップ部の長さは、前記磁壁移動型空間光変調素子の計算モデルによる前記ｘ方向に対する前記第２磁化固定層からの漏れ磁界の前記ｚ方向の成分の計算結果において、前記漏れ磁界のｚ方向の成分の絶対値が前記光変調層の有効磁界と同一である場合の交点間距離よりも大きい、（１）または（２）に記載の磁壁移動型空間光変調器。

【0012】

（４）前記第１漏れ磁界トラップ部および前記第２漏れ磁界トラップ部は、長さが１５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である、（３）に記載の磁壁移動型空間光変調器。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、簡易なプロセスで、駆動電流を大きくせずに、磁壁移動型空間光変調素子の開口率を大きくすることが可能な磁壁移動型空間光変調器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】従来の磁壁移動型空間光変調素子の構造を示す斜視図である。

【図2】図１の磁壁移動型空間光変調素子の動作を示す側面図である。

【図3】図１の磁壁移動型空間光変調素子の構造および動作を示す側面図である。

【図4】従来の磁壁移動型空間光変調器の構造を示す上面図である。

【図5】図４の磁壁移動型空間光変調素子と画素選択トランジスタのドレイン電極およびグランド電極との位置関係を示す上面図である。

【図6】本実施形態の磁壁移動型空間光変調器の構造の一例を示す上面図である。

【図7】図６の磁壁移動型空間光変調素子の部分拡大図である。

【図8】図５および図６の磁壁移動型空間光変調素子の計算モデルの斜視図である。

【図9】図５の磁壁移動型空間光変調素子の計算モデルによる初期磁区形成の計算結果および磁壁電流駆動実施後の計算結果を示す図である。

【図10】図６の磁壁移動型空間光変調素子の計算モデルによる初期磁区形成の計算結果および磁壁電流駆動実施後の計算結果を示す図である。

【図11】図６の磁壁移動型空間光変調素子の計算モデルによる初期磁区形成の計算結果を示す図である。

【図12】図６の磁壁移動型空間光変調素子の計算モデルによる初期磁区形成の計算結果を示す図である。

【図13】図６の磁壁移動型空間光変調素子の計算モデルによる光変調層が延びているｘ方向に対する第１磁化固定層および第２磁化固定層からの漏れ磁界のｚ方向の成分の計算結果を示す図である。

【図14】図６の磁壁移動型空間光変調素子の変形例を示す上面図である。

【図15】図６の磁壁移動型空間光変調素子の変形例を示す上面図である。

【図16】図１４および図１５の磁壁移動型空間光変調素子の計算モデルによる初期磁区形成の計算結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明するが、本実施形態の磁壁移動型空間光変調器の基本的な構成（材料、構造、動作等）は、従来の磁壁移動型空間光変調器と同様であるため、まず、従来の磁壁移動型空間光変調器について説明する。

【0016】

［従来の磁壁移動型空間光変調器］
図１に、従来の磁壁移動型空間光変調素子の構造を示す。磁壁移動型空間光変調素子１０は、入射した光の偏光の向きを変化させて出射する光変調層１１と、光変調層１１の両端部に配置されており、保磁力が異なる第１磁化固定層１２および第２磁化固定層１３と、を有し、Ｓｉ等の基板上に形成される。

【0017】

第１磁化固定層１２および第２磁化固定層１３は、それぞれＣｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｒ等の金属およびその合金等の一般的な金属電極材料で構成される下部電極を最下層に有し、下部電極にパルス電流源が接続されている。

【0018】

磁壁移動型空間光変調素子１０は、所定方向に延びている上面視矩形状の光変調層１１の両端部に、互いに平行に延びている第１磁化固定層１２および第２磁化固定層１３が配置されており、光変調層１１は、第１磁化固定層１２および第２磁化固定層１３が平行に延びている方向に対して、垂直に延びている。光変調層１１の下面と、第１磁化固定層１２および第２磁化固定層１３の上面は、同一平面で接しており、第１磁化固定層１２および第２磁化固定層１３を介して、光変調層１１にパルス電流を印加可能となっている。

【0019】

図２に、磁壁移動型空間光変調素子１０の動作を示す。具体的には、第１磁化固定層１２の保磁力（Ｈｃ１）および第２磁化固定層１３の保磁力（Ｈｃ２）の間に、保磁力差（Ｈｃ２＞Ｈｃ１）を設計し、外部磁界を印加することにより、光変調制御に必須となる光変調層１１の両端の互いに反平行な初期磁化方向を実現する。まず、Ｈｃ２よりも大きい、下向きの外部磁界Ｈｘ１（Ｈｘ１＞Ｈｃ２＞Ｈｃ１）を印加すると、光変調層１１、第１磁化固定層１２および第２磁化固定層１３の磁化が下向きになる（図２（ａ）参照）。次に、Ｈｃ１よりも大きく、Ｈｃ２よりも小さい、上向きの外部磁界Ｈｘ２（Ｈｃ２＞Ｈｘ２＞Ｈｃ１）を印加すると、光変調層１１および第１磁化固定層１２の磁化の向きが上向きに変化する（図２（ｂ）参照）。このとき、第１磁化固定層１２からの漏れ磁界Ｈｌによって光変調層１１の第１磁化固定層１２側の端部に初期磁区１１ａが形成され、これにより、磁壁移動型空間光変調素子１０の開口率が決定される（図２（ｃ）参照）。

【0020】

図３に、磁壁移動型空間光変調素子１０の構造および動作を示す。磁壁移動型空間光変調素子１０Ａは、光変調層１１と、第１磁化固定層１２および第２磁化固定層１３との間に、微細加工プロセスや磁気的な設計に応じて、中間層１４として、非磁性金属層およびバッファ層が形成されている。

【0021】

第１磁化固定層１２は、強磁性材料からなり、磁化方向が一方向に固定された層であり、保磁力が大きい。第１磁化固定層１２は、光変調層１１と同一方向の磁気異方性を有し、光変調層１１に垂直磁気異方性を有する強磁性材料を用いる場合には、第１磁化固定層１２も垂直磁気異方性を有する強磁性材料を用いる。光変調層１１および第１磁化固定層１２が、垂直磁気異方性を有する強磁性材料で構成されることが好ましい。

【0022】

第１磁化固定層１２および第２磁化固定層１３を構成する材料としては、磁化が垂直方向に固定された磁化固定層および磁化の方向が反転可能な磁化自由層で非磁性層が挟持されており、垂直磁気異方性を有するＣＰＰ－ＧＭＲ（垂直通電型巨大磁気抵抗効果）素子、ＴＭＲ素子等の磁化固定層を構成する公知の強磁性材料を用いることができる。具体的には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の遷移金属およびそれらの遷移金属を含む合金を用いることができ、例えば、ＴｂＦｅ系合金、ＴｂＦｅＣｏ系合金、ＣｏＣｒ系合金、ＣｏＰｔ系合金、ＣｏＰｄ系合金、ＦｅＰｔ系合金等が挙げられる。これにより、第１磁化固定層１２の保磁力を大きくすることができ、第１磁化固定層１２の磁化方向が外部磁場によって容易に変化しないように固定することが可能となる。

【0023】

また、第１磁化固定層１２は、Ｆｅ層、Ｃｏ層、Ｎｉ層等の遷移金属層と非磁性金属層とが交互に積層されている多層膜であってもよく、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｆｅ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ等の多層膜であってもよい。これらの強磁性材料を用いることにより、垂直磁気異方性が高く、保磁力が大きい第１磁化固定層１２が得られる。

【0024】

ここで、上述の多層膜は、熱処理することにより保磁力が増大する特性を有する。そのため、上述の多層膜を熱処理して第１磁化固定層１２の保磁力を増大させると、光変調領域１１ｂとの保磁力差が大きくなる。

【0025】

非磁性金属層およびバッファ層は、光変調層１１および第１磁化固定層１２の間に配置され、光変調層１１および第１磁化固定層１２の間の磁気的結合を保つことができる。

【0026】

非磁性金属層は、第１磁化固定層１２上に積層される。非磁性金属層は、後述する製造工程において、第１磁化固定層１２に、エッチングのダメージが及ばないようにするために設けられる。非磁性金属層としては、非磁性金属からなる薄膜を用いることができる。非磁性金属としては、例えば、Ｔａ、Ｍｏ、Ｒｕ等が挙げられ、これらの中でも、Ｔａが好ましい。

【0027】

バッファ層は、非磁性金属層上に積層される。バッファ層は、磁壁移動型空間光変調素子１０であっても、ＴＭＲ素子であっても、電流を流す必要があるため、薄膜化したときに、適度な導電性を有する材料で構成される。また、バッファ層は、後述する製造工程におけるエッチングのレートが遅く、且つＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）の検出感度が高い元素を含み、ＳＩＭＳ式エンドポイントモニターで見える材料で構成されることが望ましい。これにより、エッチングをバッファ層で確実に止めることが可能となり、第１磁化固定層１２にダメージが及ぶのを回避できる。

【0028】

バッファ層を構成する材料としては、酸化物または窒化物を用いることができ、例えば、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ、ＲｕＯ_２等が挙げられる。これら中でも、ＭｇＯが好ましい。ＭｇＯ層は、適度な導電性を有し、エッチングのレートが遅い上、ＳＩＭＳ感度が高い。

【0029】

光変調層１１は、第１磁化固定層１２上またはバッファ層上に積層される。光変調層１１を構成する材料としては、公知の強磁性材料を用いることができ、磁気光学効果（カー効果）の大きい材料を用いることが好ましい。磁気光学効果を大きくするためには、光変調層１１は、垂直磁気異方性を有する磁性層であることが好ましい。光変調層１１の具体例としては、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜等の遷移金属と、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ等との多層膜、ＴｂＦｅＣｏ膜、ＧｄＦｅ膜等の希土類金属と遷移金属との合金（ＲＥ－ＴＭ合金）膜等が挙げられる。これらの中でも、ＧｄＦｅ膜が好ましい。

【0030】

第１磁化固定層１２と直上に配置された光変調層１１の一部は、非磁性金属層およびバッファ層を介して、強磁性交換結合されている。これにより、第１磁化固定層１２の磁化方向と直上に配置された光変調層１１の一部の磁化方向は同時反転する。

【0031】

第２磁化固定層１３は、第１磁化固定層１２で使用可能な材料の中から選択され、同様に、非磁性金属層およびバッファ層も、それぞれ第１磁化固定層１２における非磁性金属層およびバッファ層で使用可能な材料の中から選択される。光変調層１１に対しては、第１磁化固定層１２の場合と同様に振る舞うように設計する。

【0032】

ここで、第１磁化固定層１２および第２磁化固定層１３は、光変調領域１１ｂおよび磁壁１１ｃを形成するために、互いの保磁力が異なるように設計される。このため、外部磁界を印加することにより、光変調制御に必須となる光変調層１１の両端の互いに反平行な初期磁化方向を実現することが可能となっている。

【0033】

なお、光変調層１１、第１磁化固定層１２、第２磁化固定層１３、各非磁性金属層および各バッファ層の各層間または下部電極との界面に、機能層を適宜形成してもよい。例えば、微細加工プロセス中に光変調層１１が受けるダメージを防ぐために、光変調層１１上に、Ｔａ、ＲｕまたはＳｉＮを含むキャップ層を設けてもよい。キャップ層は、光変調層１１の形成に用いられて酸化しやすいＧｄＦｅやＴｂＦｅＣｏが、磁壁移動型空間光変調素子１０が完成した後に、大気中で酸化するのを防止する機能を有する。

【0034】

上述した通り、第１磁化固定層１２と、直上の光変調層１１の一部は、強磁性交換結合しており、第２磁化固定層１３と直上の光変調層１１の一部は、同じく強磁性交換結合しており、それぞれの磁化方向は、同時に反転する。そして、図１および図３に示すように、第１磁化固定層１２の磁化方向が上向きになるように設計されている一方で、第２磁化固定層１３の磁化方向が下向きになるように設計されている。

【0035】

光変調層１１には、光変調層１１の長手方向に対して直交する磁壁１１ｃが形成されている。即ち、光変調層１１の磁壁１１ｃの両側に形成される磁区の磁化方向が互いに逆方向となっている。例えば、図１および図３に示すように、磁壁１１ｃよりも第１磁化固定層１２側の磁区の磁化方向が下向きとなっており、磁壁１１ｃよりも第２磁化固定層１３側の磁区の磁化方向が上向きとなっている。

【0036】

このように、磁壁１１ｃを介して、磁化方向の向きが異なる磁区を光変調層１１に形成することにより、磁壁移動型空間光変調素子１０を空間光変調素子として機能させることができる。より詳しくは、例えば、磁壁移動型空間光変調素子１０を反射型の空間光変調素子として構成した場合には、磁壁移動型空間光変調素子１０の上方から光変調層１１の上面に対して偏光の揃った光が入射すると、磁化方向の向きに応じて、反射光の偏光面の回転角度が異なったものとなる。そのため、これらの異なる偏光面の回転角度に応じた各反射光を、偏光フィルタを介して、それぞれ光の明暗に割り当てることにより、光を変調させることが可能となる。一方で、ガラス、サファイア等の透光性の材料で基板を構成することにより、磁壁移動型空間光変調素子１０を透過型の空間光変調素子として機能させることも可能である。

【0037】

図４に、従来の磁壁移動型空間光変調器の構造を示す。磁壁移動型空間光変調器２００は、複数の磁壁移動型空間光変調素子２０を備える。また、磁壁移動型空間光変調素子２０は、磁壁移動型空間光変調素子１０と同様に、光変調層２１と、第１磁化固定層２２と、第２磁化固定層２３と、を有する。このとき、第１磁化固定層２２および第２磁化固定層２３を構成する材料は同一であるが、第１磁化固定層２２が延びている方向の長さは、第２磁化固定層２３が延びている方向の長さよりも長い。このため、第１磁化固定層２２の保磁力は、第２磁化固定層２３の保磁力よりも小さい。ここで、第１磁化固定層２２の両側に配置されている磁壁移動型空間光変調素子２０は、第１磁化固定層２２を共有している。また、第１磁化固定層２２が延びている方向に配置されている磁壁移動型空間光変調素子２０は、第１磁化固定層２２を共有している。

【0038】

一方、図５に示すように、第１磁化固定層２２がグランド電極２４と接し、第２磁化固定層２３の一部が画素選択トランジスタのドレイン電極２５と接する。

【0039】

なお、磁壁移動型空間光変調器２００の製造方法としては、特に限定されないが、例えば、特許文献３に記載されている方法を用いることができる。具体的には、まず、Ｓｉバックプレーン上に形成された絶縁部材のＳｉＯ_２層に対して、第１磁化固定層２２および第２磁化固定層２３の形状に対応したレジストをパターニングした後、エッチングする。次に、Ｓｉバックプレーン上のエッチングされた領域に、第１磁化固定層２２および第２磁化固定層２３、中間層等を成膜する。次に、レジスト層を除去した後、光変調層２１を構成する材料を成膜する。次に、光変調層２１の形状に対応したレジストをパターニングした後、エッチングする。最後に、レジスト層を除去し、光変調層２１を形成する。

【0040】

［本実施形態の磁壁移動型空間光変調器］
図６に、本実施形態の磁壁移動型空間光変調器の構造の一例を示す。磁壁移動型空間光変調器３００は、磁壁移動型空間光変調器２００と同様に、複数の磁壁移動型空間光変調素子３０を備えるが、磁壁移動型空間光変調素子３０が光変調層３１を有する点で、磁壁移動型空間光変調器２００とは異なる。具体的には、光変調層３１は、本体部３１ａと、本体部３１ａの第１磁化固定層２２が配置されている側の端部に設けられており、第１磁化固定層２２からの漏れ磁界をトラップする第１漏れ磁界トラップ部３１ｂと、本体部３１ａの第２磁化固定層２３が配置されている側の端部に設けられており、第２磁化固定層２３からの漏れ磁界をトラップする第２漏れ磁界トラップ部３１ｃと、を備える。このため、簡易なプロセスで、駆動電流を大きくせずに、磁壁移動型空間光変調素子３０の開口率が大きくなる。

【0041】

本体部３１ａ、第１漏れ磁界トラップ部３１ｂおよび第２漏れ磁界トラップ部３１ｃは、上面視長方形であるが、第１漏れ磁界トラップ部３１ｂおよび第２漏れ磁界トラップ部３１ｃは、本体部３１ａよりも、第１磁化固定層２２および第２磁化固定層２３が延びている方向のサイズ、すなわち、幅が小さいため、漏れ磁界がトラップされる。このとき、第１漏れ磁界トラップ部３１ｂおよび第２漏れ磁界トラップ部３１ｃは、本体部３１ａよりも面積が小さいことが好ましい。これにより、光変調領域を拡大することができるとともに、図中、左右方向の画素ピッチを微細化することができる。

【0042】

第１漏れ磁界トラップ部３１ｂおよび第２漏れ磁界トラップ部３１ｃの幅は、本体部３１ａの幅よりも小さい。第１漏れ磁界トラップ部３１ｂおよび第２漏れ磁界トラップ部３１ｃの幅は、本体部３１ａの幅よりも小さければ、特に限定されないが、例えば、５０ｎｍ以上である。

【0043】

第１漏れ磁界トラップ部３１ｂおよび第２漏れ磁界トラップ部３１ｃの光変調層３１が延びている方向のサイズ、すなわち、長さは、１５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることが好ましく、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。第１漏れ磁界トラップ部３１ｂおよび第２漏れ磁界トラップ部３１ｃの長さが１５０ｎｍ以上であると、磁壁移動型空間光変調素子３０の開口率が大きくなり、４００ｎｍ以下であると、第１磁化固定層２２および第２磁化固定層２３と光変調層３１との位置ずれが抑制される。

【0044】

ここで、磁壁移動型空間光変調素子２０の開口率と比較して、磁壁移動型空間光変調素子３０の開口率が増大するかを、計算機シミュレーションにより検証した。具体的には、磁性体の磁化の動的過程を表すＬＬＧ（Ｌａｎｄａｕ－Ｌｉｆｓｉｔｚ－Ｇｉｌｂｅｒｔ）方程式を用いて、磁壁電流駆動を計算した。このとき、メッシュサイズを１０ｎｍとした。ここで、ＬＬＧ方程式は、式

【0045】

【数1】

で表される。ここで、Ｍは、磁化［Ｔ］、Ｈｅｆｆは、有効磁界［Ａ／ｍ］、γは、磁気ジャイロ定数、αは、ダンピング定数、Ｐは、スピン分極率、ｇは、ランデのｇ因子、μ_Ｂは、ボーア磁子［Ｊ／Ｔ］、ｅは、電子の素電荷［Ｃ］、Ｍ_Ｓは、飽和磁化［Ｔ］、Ｊは、電流密度［Ａ／ｍ^２］である。また、Ｈ_ｅｆｆは、式

【0046】

【数2】

で表される。ここで、Ｅ_ｔｏｔは、全エネルギー、Ｅ_ａｎｉは、磁気異方性エネルギー、Ｅ_ｍａｇは、静磁エネルギー、Ｅ_ｅｘは、交換エネルギー、Ｅ_ｅｘｔは、ゼーマンエネルギーである。

【0047】

図８（ａ）および（ｂ）に、それぞれ磁壁移動型空間光変調素子２０および３０の計算モデルを示す。ここで、光変調層、第１磁化固定層および第２磁化固定層の各方向のサイズは、以下の通りである。
光変調層２１；ｘ方向：１８４０［ｎｍ］、ｙ方向：３００［ｎｍ］、ｚ方向：１０［ｎｍ］
光変調層３１の本体部３１ａ；ｘ方向：１３００［ｎｍ］、ｙ方向：３００［ｎｍ］、ｚ方向：１０［ｎｍ］
光変調層３１の第１漏れ磁界トラップ部；ｘ方向：Ｌ１［ｎｍ］、ｙ方向：Ｗ１［ｎｍ］、ｚ方向：１０［ｎｍ］
光変調層３２の第１漏れ磁界トラップ部；ｘ方向：Ｌ１［ｎｍ］、ｙ方向：Ｗ１［ｎｍ］、ｚ方向：１０［ｎｍ］
第１磁化固定層２２、３２；ｘ方向：１２０［ｎｍ］、ｙ方向：２５００［ｎｍ］、ｚ方向：２０［ｎｍ］
第２磁化固定層２３、３３；ｘ方向：１２０［ｎｍ］、ｙ方向：５００［ｎｍ］、ｚ方向：２０［ｎｍ］

【0048】

また、光変調層２１、３１、第１磁化固定層２２、３２および第２磁化固定層２３、３３の磁気特性のパラメータや構造は、実測と近い以下の値で計算した。
光変調層２１、３１の飽和磁化Ｍ_ｓ：０．０９２［Ｔ］
光変調層２１、３１の異方性磁界Ｈ_ｋ：３［ｋＯｅ］
光変調層２１、３１の交換結合定数Ａ：４．０×１０^－１２［Ｊ／ｍ］
第１磁化固定層２２、３２および第２磁化固定層２３、３３の飽和磁化Ｍ_ｓ：４［Ｔ］
第１磁化固定層２２、３２および第２磁化固定層２３、３３の交換結合定数Ａ：１．０×１０^－１１［Ｊ／ｍ］

【0049】

図９（ａ）および（ｂ）に、それぞれ磁壁移動型空間光変調素子２０の計算モデルの初期磁区形成の計算結果および磁壁電流駆動実施後の計算結果を示す。ここで、スピントランスファートルクによる磁壁電流駆動を実施した場合、－ｘ方向へパルス電流を印加すると、電子が＋ｘ方向へ移動する。この現象を利用して、磁壁電流駆動の計算を実施した。

【0050】

磁壁移動型空間光変調素子２０の動作は、前述した通り、第１磁化固定層２２および第２磁化固定層２３の保磁力差を利用し、第１磁化固定層２２と第２磁化固定層２３の初期磁化方向が反平行になるように設定した。計算機シミュレーションでは、光変調層２１および第１磁化固定層２２の初期磁化方向を上向き（画面白表示）、第２磁化固定層２３の初期磁化方向を下向き（画面黒表示）に設定した。その結果、初期磁化方向が上向きの第１磁化固定層２２からの漏れ磁界により、光変調層２１の第１磁化固定層２２側、すなわち、図中、右側の端部に初期磁区が形成された（図９（ａ）参照）。次に、磁壁電流駆動を実施すると、磁化方向が下向きの第２磁化固定層２３からの漏れ磁界により、光変調層２１の第２磁化固定層２３側、すなわち、図中、左側の端部に第２磁区が形成された。このとき、初期磁区および第２磁区のｘ方向のサイズ、すなわち、長さが約５９０ｎｍであるため、光変調領域の長さが約４２０ｎｍとなった。

【0051】

図１０（ａ）および（ｂ）に、それぞれ磁壁移動型空間光変調素子３０の計算モデルの初期磁区形成の計算結果および磁壁電流駆動実施後の計算結果を示す。このとき、Ｌ１＝１５０ｎｍ、Ｗ１＝２００ｎｍとし、光変調層３１の長さを光変調層２１の長さと同一にした。

【0052】

磁壁移動型空間光変調素子３０の動作は、磁壁移動型空間光変調素子２０の動作と同一となるように設定した。その結果、第１磁化固定層２２からの漏れ磁界により、第１漏れ磁界トラップ部３１ｂに初期磁区が形成されており、初期磁区のサイズが小さくなった。すなわち、第１磁化固定層２２からの漏れ磁界が第１漏れ磁界トラップ部３１ｂにトラップされた（図１０（ａ）参照）。次に、磁壁電流駆動を実施すると、第２磁化固定層２３からの漏れ磁界により、第２漏れ磁界トラップ部３１ｃに第２磁区が形成されており、第２磁区のサイズが小さくなった。すなわち、第２磁化固定層２３からの漏れ磁界が第２漏れ磁界トラップ部３１ｃにトラップされた（図１０（ｂ）参照）。このため、光変調領域の長さが約１３００ｎｍとなり、磁壁移動型空間光変調素子３０の開口率は、磁壁移動型空間光変調素子２０の開口率の３倍以上となることがわかった。

【0053】

図１１に、磁壁移動型空間光変調素子３０の計算モデルの初期磁区形成の計算結果を示す。このとき、図１１（ａ）では、Ｌ１＝１５０ｎｍ、Ｗ１＝１００ｎｍとし、図１１（ｂ）では、Ｌ１＝１５０ｎｍ、Ｗ１＝１５０ｎｍとし、図１１（ｃ）では、Ｌ１＝２００ｎｍ、Ｗ１＝２００ｎｍとした。その結果、いずれの場合も、図１０と同様に、第１磁化固定層２２からの漏れ磁界により、第１漏れ磁界トラップ部３１ｂに初期磁区が形成されており、初期磁区のサイズが小さくなった。すなわち、第１磁化固定層２２からの漏れ磁界が第１漏れ磁界トラップ部３１ｂにトラップされた。

【0054】

図１２に、磁壁移動型空間光変調素子３０の計算モデルの初期磁区形成の計算結果を示す。このとき、Ｌ１＝２５０ｎｍ、Ｗ１＝２００ｎｍとし、光変調層３１の異方性磁界Ｈ_ｋを１．５［ｋＯｅ］とした。その結果、図１０と同様に、第１磁化固定層２２からの漏れ磁界により、第１漏れ磁界トラップ部３１ｂに初期磁区が形成されており、初期磁区のサイズが小さくなった。すなわち、第１磁化固定層２２からの漏れ磁界が第１漏れ磁界トラップ部３１ｂにトラップされた。

【0055】

図１３に、磁壁移動型空間光変調素子３０の計算モデルによる光変調層が延びているｘ方向に対する第１磁化固定層２２および第２磁化固定層２３からの漏れ磁界のｚ方向の成分（ｚ成分）の計算結果を示す。このとき、Ｗ１＝２００ｎｍとした。また、ｚ方向は、ｘ方向および第１磁化固定層２２および第２磁化固定層２３が延びているｙ方向に対して垂直な方向である。

【0056】

図１３において、第１磁化固定層２２からの漏れ磁界に注目すると、初期磁化方向が上向きの第１磁化固定層２２の左側では、磁化方向が下向きの漏れ磁界によって、光変調層３１に初期磁区が形成される。漏れ磁界は、第１磁化固定層２２からの距離が大きくなるのに伴い、緩やかに小さくなり、ゼロになる。

【0057】

ここで、光変調層３１の有効磁界Ｈ_ｅｆｆは、式

【数3】

で見積もられ、光変調層３１に印加される漏れ磁界が有効磁界Ｈ_ｅｆｆを超える場合に、光変調層３１の磁化が反転する。ここで、反磁界Ｈ_ｄは、式

【数4】

（式中、Ｍ_ｓは、光変調層３１の飽和磁化であり、μ_０は、真空の透磁率である。）
で表される。

【0058】

以上のことから、光変調層３１の異方性磁界Ｈ_ｋが３．０［ｋＯｅ］（図１１（ｃ）参照）である場合は、光変調層３１の有効磁界Ｈ_ｅｆｆが２．１［ｋＯｅ］と見積もられる。そこで、図１３における第１磁化固定層２２からの漏れ磁界のｚ成分の絶対値が光変調層３１の有効磁界Ｈ_ｅｆｆと同一である場合の交点間距離を求めると、約１００ｎｍとなるため、Ｌ１を１００ｎｍよりも大きくすることが好ましい。

【0059】

一方、光変調層３１の異方性磁界Ｈ_ｋが１．５［ｋＯｅ］（図１２参照）である場合は、光変調層３１の有効磁界Ｈ_ｅｆｆが０．６［ｋＯｅ］と見積もられる。そこで、図１３における第１磁化固定層２２からの漏れ磁界のｚ成分の絶対値が光変調層３１の有効磁界Ｈ_ｅｆｆと同一である場合の交点間距離を求めると、約１７０ｎｍとなるため、Ｌ１を１７０ｎｍよりも大きくすることが好ましい。

【0060】

したがって、光変調層３１の異方性磁界Ｈ_ｋが異なると、好ましいＬ１の値が異なることがわかる。同様に、光変調層３１の飽和磁化Ｍ_ｓが異なる場合にも、好ましいＬ１の値が異なる。

【0061】

図１４に、磁壁移動型空間光変調素子３０の変形例を示す。磁壁移動型空間光変調素子４０は、本体部４１ａの光変調層４１が延びている方向の両端部の幅が連続的に小さくなっている以外は、磁壁移動型空間光変調素子３０と同様である。

【0062】

なお、第１漏れ磁界トラップ部および第２漏れ磁界トラップ部の幅が、光変調層が延びている方向に対して、連続的に変化していてもよい。

【0063】

なお、本明細書および特許請求の範囲において、光変調層が延びている方向に対して、本体部（または漏れ磁界トラップ部）の幅が連続的に変化している場合、本体部（または漏れ磁界トラップ部）の幅とは、本体部（または漏れ磁界トラップ部）の幅の平均値を意味する。

【0064】

図１５に、磁壁移動型空間光変調素子３０の変形例を示す。磁壁移動型空間光変調素子５０は、第１漏れ磁界トラップ部５１ｂおよび第２漏れ磁界トラップ部５１ｃが、本体部３１ａの第１磁化固定層２２および第２磁化固定層２３が延びている方向の両端部に隔離して設けられている以外は、磁壁移動型空間光変調素子３０と同様である。

【0065】

なお、本明細書および特許請求の範囲において、漏れ磁界トラップ部が隔離して複数設けられている場合、漏れ磁界トラップ部の幅とは、複数の漏れ磁界トラップ部の幅の合計を意味する。

【0066】

図１６（ａ）および（ｂ）に、それぞれ磁壁移動型空間光変調素子４０および５０の計算モデルの初期磁区形成の計算結果を示す。その結果、いずれの場合も、図１０と同様に、第１磁化固定層２２からの漏れ磁界により、第１漏れ磁界トラップ部３１ｂおよび５１ｂに初期磁区が形成されており、初期磁区のサイズが小さくなった。すなわち、第１磁化固定層２２からの漏れ磁界が第１漏れ磁界トラップ部３１ｂおよび５１ｂにトラップされた。

【0067】

なお、本実施形態の磁壁移動型空間光変調素子を駆動する場合に、アクティブマトリクス駆動方式が有効である（例えば、Aoshima, H. Kinjo, K. Machida, D. Kato, K. Kuga, T. Ishibashi and H. Kikuchi：“Active Matrix Magneto-Optical Spatial Light Modulator for Three-Dimensional Holographic Display Applications，”J. Display Tech.，Vol.12，No.10，pp.1212-1217（2016）参照）。アクティブマトリクス駆動方式は、ＭＯＳＦＥＴの電流ＯＮ／ＯＦＦ比が、通常、１０^９程度であり、選択した磁壁移動型空間光変調素子以外に流れる電流がほとんどないため、トランジスタを用いて、磁壁移動型空間光変調素子のスイッチング動作を確実に実施することが可能である。アクティブマトリクス駆動方式では、画素ピッチの高密度化（画素面積の減少）に伴って、１画素当たりに供給することが可能な駆動電流が小さくなる。また、画素ピッチが小さくなると、トランジスタのサイズが小さくなるため、トランジスタから供給される駆動電流が小さくなる。このため、磁壁移動型空間光変調素子の抵抗が重要になり、磁壁移動型空間光変調素子の抵抗が大きくなると、駆動電流が小さくなる。本実施形態の磁壁移動型空間光変調素子では、漏れ磁界トラップ部の長さが大きくないため、従来の磁壁移動型空間光変調素子に比べて、抵抗が大きく変化せず、実デバイスで実現できる構造である。

【0068】

なお、本実施形態の磁壁移動型空間光変調器は、光変調層の形状に対応したレジストをパターニングする以外は、従来の磁壁移動型空間光変調器と同様にして、製造することができる。すなわち、本実施形態の磁壁移動型空間光変調器は、プロセスを複雑化することなく、光変調層の両端部に第１磁化固定層および第２磁化固定層からの漏れ磁界をトラップする第１漏れ磁界トラップ部および第２漏れ磁界トラップ部を設けることで、駆動電流を大きくせずに、磁壁移動型空間光変調素子の開口率を大きくすることができる。

【0069】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨の範囲内で、上記の実施形態を適宜変更してもよい。例えば、第１磁化固定層の延びている方向の長さを長くする代わりに、第１磁化固定層の幅を広くして、第１磁化固定層の保磁力を小さくしてもよい。

【符号の説明】

【0070】

１０、２０、３０、４０、５０ 磁壁移動型空間光変調素子
１１、２１、３１、４１ 光変調層
３１ａ、４１ａ 本体部
３１ｂ、５１ｂ 第１漏れ磁界トラップ部
３１ｃ、５１ｃ 第２漏れ磁界トラップ部
１１ａ 初期磁区
１１ｂ 光変調領域
１１ｃ 磁壁
１２、２２ 第１磁化固定層
１３、２３ 第２磁化固定層
１４ 中間層
２４、３４ グランド電極
２５、３５ ドレイン電極
２００、３００ 磁壁移動型空間光変調器

【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】