CN114497268A - 光检测元件及接收装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的光检测元件具备：照射有光的第一铁磁性层、第二铁磁性层、以及夹于所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层的间隔层，所述第一铁磁性层具有与所述间隔层相接的第一区域、和处于比所述第一区域更远离所述间隔层的位置的第二区域，所述第一区域为CoFeB合金，所述第二区域为主要含有Fe和Gd作为构成元素的磁性体。

Description

光检测元件及接收装置
技术领域
本发明涉及光检测元件及接收装置。
背景技术
随着因特网的普及，通信量飞跃性地增大，光通信的重要性变得非常高。光通信是将电信号转换成光信号，并且使用光信号进行收发的通信方式。
例如，在专利文献1中记载有使用光电二极管接收光信号的接收装置。光电二极管例如是使用了半导体的PN结的PN结二极管等。另外，例如在专利文献2中记载有使用了半导体的PN结的光传感器及使用了该光传感器的图像传感器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001－292107号公报
专利文献2：美国专利第9842874号说明书
发明内容
发明所要解决的问题
使用了半导体的PN结的光检测元件被广泛利用，但为了进一步的发展，需要新的光检测元件。另外，光检测元件是将光转换成电信号的元件，谋求将光转换成电信号的效率高的高光检测能力。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种光检测能力高的光检测元件。
用于解决问题的技术方案
为了解决上述问题，提供以下方案。
(1)第一方式的光检测元件，具备：照射有光的第一铁磁性层、第二铁磁性层、以及夹于所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层的间隔层，所述第一铁磁性层具有：与所述间隔层所述的第一区域、和处于比所述第一区域更远离所述间隔层的位置的第二区域，所述第一区域为CoFeB合金，所述第二区域为主要含有Fe和Gd作为构成元素的磁性体。
(2)上述方式的光检测元件，也可以是，在所述第一区域和所述第二区域之间还具有中间层，所述中间层含有选自Mo、Ru、Ta、W、Pt中的任意一种以上的元素。
(3)上述方式的光检测元件，也可以是，所述第二铁磁性层具有：与所述间隔层相接的第三区域、和处于比所述第三区域更远离所述间隔层的位置且含有硼的第四区域，所述第三区域与所述第四区域相比，硼的浓度低，或不含硼。
(4)上述方式的光检测元件，也可以是，所述第一区域与所述第二区域相比，硼的浓度高。
(5)上述方式的光检测元件，也可以是，所述第三区域含有Fe或CoFe合金，并且结晶结构为bcc结构。
(6)第2方式的接收装置，具有上述方式的光检测元件。
发明效果
上述方式的光检测元件的光检测能力高。
附图说明
图1是第一实施方式的通信***的概念图。
图2是第一实施方式的收发装置的框图。
图3是第一实施方式的收发装置的电路图。
图4是第一实施方式的接收装置的截面图。
图5是第一实施方式的光检测元件的截面图。
图6是用于说明第一实施方式的光检测元件的操作的第一机制的示意图。
图7是用于说明第一实施方式的光检测元件的动作的第二机制的示意图。
图8是用于说明使用第一实施方式的光检测元件输出多值的情况的光检测元件的操作的第一机制的示意图。
图9是用于说明使用第一实施方式的光检测元件输出多值的情况的光检测元件的操作的第二机制的示意图。
图10是通信***的另一例的概念图。
图11是通信***的另一例的概念图。
符号说明
1…第一铁磁性层、1A…第一区域、1B…第二区域、1C…中间层、2…第二铁磁性层、2A…第三区域、2B…第四区域、3…间隔层、4…第三铁磁性层、5…磁耦合层、6…基底层、7…垂直磁化诱发层、8…盖层、9…侧壁绝缘层、10…光检测元件、11…信号处理部、15…第一电极、16…第二电极、20…集成电路、30…层间绝缘膜、100…接收装置、200…发送装置、201…光源、202…电信号生成元件、203…光调制元件、300…收发装置、500…移动终端装置、600…信息处理装置、1000、1001、1002…通信***、FB…光纤、G…接地、Is…感测电流、M1、M2…磁化、PG…基准电位端子、Pin…输入端子、Pout…输出端子、PS…电源、w…贯通配线
具体实施方式
以下，适当参照附图详细地说明实施方式。以下的说明所使用的附图中，为了容易理解特征，方便起见有时将成为特征的部分放大表示，有时各构成要素的尺寸比率等与实际不同。以下的说明中例示的材料、尺寸等为一例，本发明不限定于这些，可在实现本发明效果的范围内适当改变并实施。
对方向进行定义。将光检测元件10的层叠方向设为z方向，将与z方向正交的面内的一方向设为x方向，将与x方向及z方向正交的方向设为y方向。z方向为层叠方向的一例。以下，有时将+z方向表示为“上”，将-z方向表示为“下”。+z方向是从基板Sb朝向光检测元件10的方向。上下未必与施加重力的方向一致。
“第一实施方式”
图1是第一实施方式的通信***1000的概念图。图1所示的通信***1000具备：多个收发装置300、连接收发装置300之间的光纤FB。通信***1000例如能够用于数据中心内及数据中心间那样的短、中距离的通信、都市间那样的长距离的通信。收发装置300例如设置于数据中心内。光纤FB例如连接数据中心间。通信***1000例如经由光纤FB进行收发装置300之间的通信。通信***1000也可以不经由光纤FB，而通过无线进行收发装置300之间的通信。
图2是第一实施方式的收发装置300的框图。收发装置300具备接收装置100和发送装置200。接收装置100接收光信号L1，发送装置200发送光信号L2。本说明书中的光不限于可见光线，也包含波长比可见光线长的红外线及波长比可见光线短的紫外线。
接收装置100例如具备光检测元件10和信号处理部11。光检测元件10将光信号L1转换成电信号。后面将详细说明光检测元件10。信号处理部11处理由光检测元件10转换的电信号。信号处理部11通过处理由光检测元件10产生的电信号，来接收光信号L1所包含的信号。
发送装置200例如具备：光源201、电信号生成元件202、以及光调制元件203。光源201例如为激光元件。光源201也可以处于发送装置200的外部。电信号生成元件202基于发送信息生成电信号。电信号生成元件202也可以与信号处理部11的信号转换元件成为一体。光调制元件203基于在电信号生成元件202生成的电信号，调制从光源201输出的光，并输出光信号L2。
图3是第一实施方式的收发装置300的电路图。在图3中，省略了信号处理部11。
接收装置100例如具备：光检测元件10、第一电极15、第二电极16、输入端子Pin、输出端子Pout、以及基准电位端子PG。第一电极15和第二电极16在层叠方向上夹持光检测元件10。第一电极15例如是照射有包含光信号L1的光侧的电极。用于光信号L1的光的波长例如为300nm以上且2μm以下，用于光信号L1的光也可以是可见光，也可以是近红外光。
第一电极15例如与输入端子Pin及输出端子Pout连接。第二电极16例如与基准电位端子PG连接。输入端子Pin与电源PS连接。电源PS也可以处于接收装置100的外部。电源PS对光检测元件10施加感测电流等。在不需要使电流从外部流向光检测元件10的情况下，也可以去掉输入端子Pin及电源PS。输出端子Pout输出在层叠方向上夹持光检测元件10的第一电极15和第二电极16之间的电压。光检测元件10的层叠方向上的电阻值通过使感测电流在光检测元件10的层叠方向上流动，根据欧姆定律而求得。输出端子Pout与信号处理部11连接。基准电位端子PG与基准电位连接，并且确定接收装置100的基准电位。图3中的基准电位为接地G。接地G也可以设置于接收装置100的外部。基准电位也可以为除接地G以外。
接收装置100和发送装置200例如与共同的基准电位(接地G)连接。接收装置100和发送装置200的基准电位也可以不同。当接收装置100和发送装置200的基准电位相同时，能够降低噪声的发生。
图4是第一实施方式的接收装置100的截面图。接收装置100例如具备光检测元件10、集成电路20、以及层间绝缘膜30。光检测元件10、集成电路20、以及层间绝缘膜30例如形成于同一基板Sb上。
集成电路20包含处理从光检测元件10输出的信号的信号处理部11。集成电路20例如将来自光检测元件10的输出电压(光检测元件10的z方向的电阻值)为阈值以上的情况设为第一信号(例如，“1”)，并且将低于阈值的情况设为第二信号(例如，“0”)来进行处理。在发送装置200形成于同一基板Sb上的情况下，集成电路20也可以包含光源201、电信号生成元件202、以及光调制元件203。集成电路20和光检测元件10例如经由贯通层间绝缘膜30的贯通配线w而连接。也可以改变贯通配线w而通过引线键合(wire bonding)，将它们之间连接。
层间绝缘膜30是将多层配线的配线间及元件间绝缘的绝缘体。层间绝缘膜30例如为Si、Al、Mg的氧化物、氮化物、氮氧化物。层间绝缘膜30例如为氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、碳化硅(SiC)、氮化铬、碳氮化硅(SiCN)、氮氧化硅(SiON)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrOx)等。
图5是第一实施方式的光检测元件10的截面图。在图5中，同时图示第一电极15及第二电极16，并且以箭头表示铁磁性体的初始状态下的磁化方向。在本说明书中，铁磁性包含亚铁磁性。
光检测元件10至少具有第一铁磁性层1、第二铁磁性层2、以及间隔层3。间隔层3位于第一铁磁性层1和第二铁磁性层2之间。光检测元件10也可以除了这些之外，还具有第三铁磁性层4、磁耦合层5、基底层6、垂直磁化诱发层7、盖层8、以及侧壁绝缘层9。
光检测元件10例如是间隔层3由绝缘材料构成的MTJ(Magnetic TunnelJunction)元件。在该情况下，光检测元件10是根据第一铁磁性层1的磁化方向和第二铁磁性层2的磁化方向的相对角的变化，z方向的电阻值(使电流沿z方向流动的情况的电阻值)变化的元件。这种元件也称为磁阻效应元件。
第一铁磁性层1是从外部照射有光时，磁化方向变化的光检测层。第一铁磁性层1也称为磁化自由层。磁化自由层是包含在施加规定的外力时磁化方向变化的磁性体的层。规定的外力例如是从外部照射的光、沿光检测元件10的z方向流动的电流、外部磁场。铁磁性体的磁化能够追随照射于铁磁性体的光的强度的高速变化(高频的光信号)而改变方向，因此，通过将第一铁磁性层1用作光检测层，接收装置100能够接收高频的光信号，使高速的光通信成为可能。
第一铁磁性层1例如包含第一区域1A、第二区域1B、中间层1C。第一区域1A与间隔层3相接。第二区域1B处于比第一区域1A更远离间隔层3的位置。中间层1C处于第一区域1A和第二区域1B之间。第一区域1A及第二区域1B中的各个例如在x方向及y方向上层状地扩展。
第一区域1A包含铁磁性体。第一区域1A例如也可以与第二区域1B相比，硼的浓度高。第一区域1A为CoFeB合金。当与间隔层3相接的第一区域1A为CoFeB合金时，光检测元件10的磁阻变化率(MR变化率)变大。因此，当与间隔层3相接的第一区域1A为CoFeB合金时，相对于第一区域1A的磁化状态的变化的光检测元件10的输出变化变大。CoFeB合金的组成比可以进行适当地改变。例如，在Co、Fe、和B的总和为100的条件下，CoFeB合金的元素比为Co:Fe:B＝15～55:25～65:15～25。
第一区域1A的膜厚例如为
Figure BDA0003316753930000061
以上且
Figure BDA0003316753930000062
以下，优选为，
Figure BDA0003316753930000063
以上且
Figure BDA0003316753930000064
以下，更优选为
Figure BDA0003316753930000065
以下，各层的膜厚及各区域的膜厚设为xy面内不同的10个点的z方向的厚度的平均值。
构成第一区域1A的CoFeB合金的结晶结构例如为bcc结构。
第二区域1B是主要含有Fe和Gd作为构成元素的磁性体。第二区域1B例如是GdFe合金、GdFeCo合金、层叠有Fe和Gd的层叠膜、或层叠有FeCo合金和Gd的层叠膜。例如，作为GdFe合金或GdFeCo合金的一例，具有Gdx(Fe1-yCoy)1-x。在此，x例如为0.2以上且0.3以下，y例如为0以上且0.2以下。另外，例如作为层叠膜的一例，具有[Fe1-yCoy/Gd]z。在此，y例如为0以上且0.2以下，z为层叠数，例如4以上且10以下。各个Fe1－yCoy层的厚度例如为
Figure BDA0003316753930000071
以上且
Figure BDA0003316753930000072
以下。各个Gd层的厚度例如为
Figure BDA0003316753930000073
以上且
Figure BDA0003316753930000074
以下。第二区域1B也可以是单一的合金，也可以是层叠有多层由单一的元素构成的层的物质。第二区域1B的构成元素中Fe和Gd的合计的摩尔分率例如为70％以上。
第二区域1B例如为具有在膜法线方向(z方向)上易磁化轴的垂直磁化膜。第二区域1B的膜厚例如为
Figure BDA0003316753930000075
以上且
Figure BDA0003316753930000076
以下。第二区域1B的厚度比第一区域1A厚。
包含构成第二区域1B的Fe和Gd的磁性体的结晶结构例如为bcc结构。
中间层1C包含选自Mo、Ru、Ta、W、Pt中的任意1种以上的元素。中间层1C为非磁性层。中间层1C例如由Mo、Ru、Ta、W、Pt中的任一种构成。第一区域1A和第二区域1B通过夹持中间层1C而磁耦合。中间层1C的膜厚例如为
Figure BDA0003316753930000077
以下。中间层1C的膜厚例如为
Figure BDA0003316753930000078
以上且
Figure BDA0003316753930000079
以下。
第一铁磁性层1的整体的膜厚例如为1nm以上且10nm以下。第一铁磁性层1的膜厚例如优选为1nm以上且5nm以下。当第一铁磁性层1的膜厚薄时，第一铁磁性层1的垂直磁各向异性高。通过在第一铁磁性层1设置第一区域1A，即使在第一铁磁性层1薄的情况下，光检测元件10的MR比也提高，并且相对于第一铁磁性层1的磁化的状态的变化的光检测元件10的输出变化的比例也提高。
当第一铁磁性层1具有中间层1C时，能够缓和第一区域1A和第二区域1B的结晶结构的不同所产生的影响。通过中间层1C缓和第一区域1A和第二区域1B的结晶结构的不同，成膜于中间层1C上的第二区域1B的结晶性提高。
考虑：第二区域1B的Fe原子的磁矩和Gd原子的磁矩进行亚铁磁性地耦合。Gd原子的磁矩，相对于光的照射，状态容易变化。因此，第二区域1B的磁化与在第一铁磁性层1不存在第二区域1B的单独的情况的第一区域1A的磁化相比，相对于光的照射，状态容易变化。当第二区域1B的磁化的状态变化时，夹持中间层1C并与第二区域1B磁耦合的第一区域1A的磁化的状态也变化。
第二铁磁性层2为磁化固定层。磁化固定层为由施加规定的外力时磁化的方向比磁化自由层难以变化的磁性体构成的层。第二铁磁性层2的矫顽力例如比第一铁磁性层1的矫顽力大。第二铁磁性层2具有在与第一铁磁性层1相同的方向上易磁化轴。第二铁磁性层2也可以是面内磁化膜，也可以是垂直磁化膜。
第二铁磁性层2具有第三区域2A和第四区域2B。第三区域2A与间隔层3相接。第四区域2B处于比第三区域2A更远离间隔层3的位置。第三区域2A及第四区域2B中的各个例如在x方向及y方向上层状地扩展。
第三区域2A包含铁磁性体。第三区域2A例如也可以不含有硼或硼浓度比第四区域2B低。第三区域2A例如含有Fe或CoFe合金。第三区域2A也可以由Fe或CoFe合金构成。第三区域2A的结晶结构例如也可以为bcc结构。第三区域2A的膜厚例如为
Figure BDA0003316753930000081
以上且
Figure BDA0003316753930000082
以下。当第二铁磁性层2具有第三区域2A时，光检测元件10的MR比提高。
第四区域2B包含铁磁性体。第四区域2B也可以是单一合金，也可以是层叠了多层由单一元素构成的层的物质。第四区域2B的硼浓度例如也可以比第三区域2A高。第四区域2B例如包含CoFeB合金。第四区域2B也可以在内部具有例如由W、Ta构成的非磁性的***层。第四区域2B例如也可以从远离间隔层3侧依次具有Co或CoFe合金、Co和Pt的层叠膜、由Mo、Ta构成的***层、CoFeB合金。第四区域2B的膜厚例如为
Figure BDA0003316753930000083
以上且
Figure BDA0003316753930000084
以下，优选为，
Figure BDA0003316753930000085
以上且
Figure BDA0003316753930000086
以下。
第二铁磁性层2的磁化例如也可以通过经由磁耦合层5与第三铁磁性层4的磁耦合而固定。在该情况下，也有时将组合了第二铁磁性层2、磁耦合层5及第三铁磁性层4的层称为磁化固定层。
第三铁磁性层4例如与第二铁磁性层2磁耦合。磁耦合例如为反铁磁性的耦合，并且通过RKKY相互作用而产生。构成第三铁磁性层4的材料例如与第一铁磁性层1一样。第三铁磁性层4例如为交替层叠了Co和Pt的层叠膜、交替层叠了Co和Ni的层叠膜。磁耦合层5例如为Ru、Ir等。磁耦合层5的膜厚例如为第二铁磁性层2和第三铁磁性层4通过RKKY相互作用而反铁磁性地耦合的膜厚。
间隔层3为配置于第一铁磁性层1和第二铁磁性层2之间的非磁性层。间隔层3通过由导电体、绝缘体或半导体构成的层、或在绝缘体中包含由导体构成的通电点的层构成。间隔层3的膜厚能够根据后述的初始状态下的第一铁磁性层1的磁化M1和第二铁磁性层2的磁化M2的取向方向进行调整。
例如，在间隔层3由绝缘体构成的情况下，光检测元件10具有由第一铁磁性层1、间隔层3、以及第二铁磁性层构成的磁隧道结(MTJ：Magnetic Tunnel Junction)。这种元件称为MTJ元件。在该情况下，光检测元件10能够体现隧道磁阻(TMR：TunnelMagnetoresistance)效应。例如，在间隔层3由金属构成的情况下，光检测元件10能够体现巨磁阻(GMR：Giant Magnetoresistance)效应。这种元件称为GMR元件。光检测元件10根据间隔层3的构成材料，有时称为MTJ元件、GMR元件等，名称不同，但也统称为磁阻效应元件。
在间隔层3由绝缘材料构成的情况下，能够使用氧化铝、氧化镁、氧化钛或氧化硅等材料。通过以在第一铁磁性层1和第二铁磁性层2之间体现高的TMR效应的方式调整间隔层3的膜厚，来得到高的磁阻变化率。为了高效地利用TMR效应，间隔层3的膜厚也可以设为0.5～10.0nm程度。
在由非磁性导电材料构成间隔层3的情况下，能够使用Cu、Ag、Au或Ru等导电材料。为了更好地利用GMR效应，间隔层3的膜厚也可以设为0.5～3.0nm程度。
在由非磁性半导体材料构成间隔层3的情况下，能够使用氧化锌、氧化铟、氧化锡、氧化锗、氧化镓或ITO等材料。在该情况下，间隔层3的膜厚也可以设为1.0～4.0nm程度。
在应用包含由非磁性绝缘体中的导体构成的通电点的层作为间隔层3的情况下，优选设为在由氧化铝或氧化镁构成的非磁性绝缘体中包含由CoFe、CoFeB、CoFeSi、CoMnGe、CoMnSi、CoMnAl、Fe、Co、Au、Cu、Al或Mg等导体构成的通电点的结构。在该情况下，间隔层3的膜厚也可以设为0.5～2.0nm程度。通电点例如是直径为1nm以上且5nm以下的柱状体。
图5所示的基底层6例如处于第二电极16上。基底层6为晶种层(seed layer)或缓冲层(buffer layer)。晶种层提高层叠于晶种层上的层的结晶性。晶种层例如为Pt、Ru、Hf、Zr、NiFeCr。晶种层的膜厚例如为1nm以上且5nm以下。缓冲层是缓和不同的结晶间的晶格不匹配的层。缓冲层例如为Ta、Ti、W、Zr、Hf或这些元素的氮化物。缓冲层的膜厚例如为1nm以上且5nm以下。
盖层8处于第一铁磁性层1和第一电极15之间(第二区域1B和第一电极15之间)。盖层8也可以包含层叠于第一铁磁性层1上且与第一铁磁性层1相接的垂直磁化诱发层7。垂直磁化诱发层7诱发第一铁磁性层1的垂直磁各向异性。垂直磁化诱发层7例如为氧化镁、W、Ta、Mo等。在垂直磁化诱发层7为氧化镁的情况下，为了提高导电性，优选氧化镁缺氧。垂直磁化诱发层7的膜厚例如为0.5nm以上且5.0nm以下。作为一例，第一铁磁性层1的第二区域1B处于Mo层和中间层1C之间。Mo层为盖层8的一部分且与第二区域1B相接。在该情况下，中间层1C的厚度优选比作为盖层8的一部分且与第二区域1B相接的Mo层的厚度薄。
盖层8在工艺过程中防止对下层的损伤，并且在退火(anneal)时提高下层的结晶性。盖层8的膜厚，以对第一铁磁性层1照射充分的光的方式，例如为10nm以下。
侧壁绝缘层9覆盖包含第一铁磁性层1及第二铁磁性层2的层叠体的周围。侧壁绝缘层9例如由与层间绝缘膜30一样的材料构成。
第一电极15例如对光信号L1的使用波长域的光具有透过性。使用于光信号L1的光的使用波长域例如为300nm以上且2μm以下，包含可见光域、近红外光域。第一电极15例如为氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、氧化锌(ZnO)、氧化铟镓锌(IGZO)等透明电极。第一电极15也可以设为在透明电极材料中具有多个柱状金属的结构。另外，第一电极15也可以在照射有光的照射面具有抗反射膜。
第二电极16由具有导电性的材料构成。第二电极16例如为Ta和Ru和Ta的层叠膜、Ta和Cu和Ta的层叠膜、Ta和Cu和Ti的层叠膜、Ta和Cu和TaN的层叠膜。
光检测元件10通过各层的层叠工序、退火工序、加工工序而制作。首先，在第二电极16上，依次层叠基底层6、第三铁磁性层4、磁耦合层5、第二铁磁性层2、间隔层3、第一铁磁性层1、垂直磁化诱发层7、盖层8。各层例如通过溅射(sputtering)而成膜。
接下来，对层叠膜进行退火。退火温度例如为250℃以上且400℃以下。然后，通过光刻及蚀刻将层叠膜加工成规定的柱状体。柱状体也可以是圆柱，也可以是棱柱。例如，从z方向观察柱状体时的最短宽度为10nm以上且1000nm以下。
接下来，以包覆柱状体的侧面的方式形成绝缘层。绝缘层成为侧壁绝缘层9。侧壁绝缘层9也可以层叠至多次。接下来，通过化学机械研磨，使盖层8的上表面从侧壁绝缘层9露出，在盖层8上制作第一电极15。通过上述工序，得到光检测元件10。
接下来，对第一实施方式的光检测元件10的操作的一例进行说明。对第一铁磁性层1照射包含具有光强度变化的光信号L1的光。来自光检测元件10的z方向的输出电压根据包含光信号L1的光对第一铁磁性层1的照射而变化。举例说明对第一铁磁性层1照射的光的强度为第一强度和第二强度的两个阶段的情况。第二强度的光的强度设为大于第一强度的光的强度。第一强度也可以是对第一铁磁性层1照射的光的强度为零的情况。
图6及图7是用于说明第一实施方式的光检测元件10的操作的一例的图。作为光检测元件10的操作的机制，考虑两个机制，图6是用于说明第一机制的图，图7是用于说明第二机制的图。图6及图7的上图表的纵轴为对第一铁磁性层1照射的光的强度，横轴为时间。图6及图7的下图表的纵轴为光检测元件10的z方向的电阻值，横轴为时间。
首先，在对第一铁磁性层1照射第一强度的光的状态(以下，称为初始状态)下，第一铁磁性层1的磁化M1和第二铁磁性层2的磁化M2处于平行的关系，光检测元件10的z方向的电阻值表示第一电阻值R1，来自光检测元件10的输出电压的大小表示第一值。光检测元件10的z方向的电阻值，通过使感测电流Is沿光检测元件10的z方向流动，在光检测元件10的z方向的两端产生电压，根据其电压值，使用欧姆定律而求得。来自光检测元件10的输出电压产生于第一电极15和第二电极16之间。在图6所示的例子的情况下，使感测电流Is从第一铁磁性层1朝向第二铁磁性层2流动。通过使感测电流Is沿该方向流动，相对于第一铁磁性层1的磁化M1，与第二铁磁性层2的磁化M2相同方向的自旋转移转矩作用，在初始状态下，磁化M1和磁化M2成为平行。另外，通过使感测电流Is沿该方向流动，能够防止第一铁磁性层1的磁化M1在操作时反转。
接下来，对第一铁磁性层1照射的光的强度从第一强度变化成第二强度。第二强度大于第一强度，第一铁磁性层1的磁化M1从初始状态变化。磁化M1的状态例如为相对于z方向的倾斜角、大小等。例如，如图6所示，当对第一铁磁性层1照射的光的强度从第一强度变化成第二强度时，磁化M1相对于z方向倾斜。在未对第一铁磁性层1照射包含光信号L1的光的状态下的第一铁磁性层1的磁化M1的方向和第二强度下的第一铁磁性层1的磁化方向的角度为大于0°且小于90°。另外，例如，如图7所示，当对第一铁磁性层1照射的光的强度从第一强度变化成第二强度时，磁化M1的大小变小。当第一铁磁性层1的磁化M1从初始状态变化时，光检测元件10的z方向的电阻值表示第二电阻值R2，来自光检测元件10的输出电压的大小表示第二值。第二电阻值R2大于第一电阻值R1。第二电阻值R2处于磁化M1和磁化M2平行的情况下的电阻值(第一电阻值R1)与磁化M1和磁化M2反平行的情况的电阻值之间。
第一铁磁性层1的磁化M1的与第二铁磁性层2的磁化M2相同方向的自旋转移转矩作用。因此，在图6所示的情况下，从初始状态倾斜的磁化M1欲恢复成与磁化M2平行的状态，当对第一铁磁性层1照射的光的强度从第二强度变化成第一强度时，光检测元件10恢复成初始状态。在图7所示的情况下，当对第一铁磁性层1照射的光的强度恢复成第一强度时，第一铁磁性层1的磁化M1的大小恢复至最初，光检测元件10恢复成初始状态。在任意情况下，当磁化M1恢复成初始状态时，光检测元件10的z方向的电阻值恢复成第一电阻值R1。即，对第一铁磁性层1照射的光的强度从第二强度变化成第一强度时，光检测元件10的z方向的电阻值从第二电阻值R2向第一电阻值R1变化。
在任意机制下，光检测元件10的层叠方向的电阻值能够根据对第一铁磁性层1照射的光的强度的变化而变化，并且能够将光信号L1的强度的变化转换成光检测元件10的z方向的电阻值的变化。另外，根据对第一铁磁性层1照射的光的强度的变化，来自光检测元件10的输出电压能够变化，并且能够将光信号L1的强度的变化转换成来自光检测元件10的输出电压的变化。来自光检测元件10的输出向信号处理部11进行发送，在输出为阈值以上的情况下作为第一信号(例如，“1”)来处理，在低于阈值的情况下作为第二信号(例如，“0”)来处理。
目前为止，举例说明了对第一铁磁性层1照射的光为第一强度和第二强度的两个阶段的情况，第一实施方式的光检测元件10也能够通过使对第一铁磁性层1照射的光的强度多于两个阶段，从光信号L1读出多值的信息。
图8及图9示出使用第一实施方式的光检测元件10输出多值的情况的光检测元件10的举动。图8是用于说明第一机制的图，图9是用于说明第二机制的图。图8及图9从左依次表示第一强度、第二强度、第三强度、第四强度中的各个下的光检测元件10的磁化状态及z方向的电阻值。对第一铁磁性层1照射的光的强度以第四强度、第三强度、第二强度、第一强度的顺序变强。
如图8所示，在磁化M1根据照射的光的强度倾斜的情况下，磁化M1的距初始状态的角度变化随着对第一铁磁性层1照射的光的强度变大而变大。相对于未对第一铁磁性层1照射包含光信号L1的光的状态下的第一铁磁性层1的磁化M1的方向，第二强度、第三强度、第四强度中的各个的角度变化均大于0°且小于90°。光检测元件10的z方向的电阻值相对于初始状态的变化随着磁化M1的距初始状态的角度变化变大而变大。因此，光检测元件10的z方向的电阻值在第一强度、第二强度、第三强度、第四强度中的各个下不同。第一实施方式的光检测元件10通过将输出电压的阈值(电阻值的阈值)分成多个阶段而规定，能够读出例如“0”、“1”、“2”、“3”的4个值的信息。在此，作为一例示出读出4个值的情况，通过输出电压的阈值(电阻值的阈值)的设定，读出的值的数量能够自由地设计。
另外，图9的情况也同样地，当对第一铁磁性层1照射的光的强度变大时，通过由光的照射的、来自外部的能量，第一铁磁性层1的磁化M1的大小从初始状态变小。当第一铁磁性层1的磁化M1从初始状态变小时，光检测元件10的z方向的电阻值变化。例如，根据第一铁磁性层1的磁化M1的大小，光检测元件10的z方向的电阻值变化为第二电阻值R2、第三电阻值R3、第四电阻值R4。因此，与图8的情况同样地，能够将来自光检测元件10的输出电压的不同作为多值或模拟数据进行输出。
如上述，第一实施方式的光检测元件10将光信号转换成电信号。
光检测元件10，与间隔层3相接的第一区域1A为CoFeB合金，因此，磁阻变化率(MR变化率)大。因此，光检测元件10，相对于第一区域1A的磁化的状态的变化的光检测元件10的输出变化大。
另外，光检测元件10具有作为含有Fe和Gd的磁性体的第二区域1B，因此，即使较小的光量的照射，第二区域1B的磁化的状态也变化，与第二区域1B磁耦合的第一区域1A的磁化的状态也变化。
因此，光检测元件10变为，相对于照射的光的光量的变化，其输出变化大。如上所述，第一实施方式的光检测元件10，光信号向电信号的转换效率大，光检测能力高。
另外，在第一实施方式中，通过第一铁磁性层1具有第一区域1A，光检测元件10的MR比提高。另外，当第二铁磁性层2具有第三区域2A时，光检测元件10的MR比提高。为了提高光检测元件10相对于光的响应特性，期望减薄第一铁磁性层1的膜厚等，但当光检测元件10具有第一区域1A或第三区域2A时，即使在它们制约中，也能够提高光检测元件10的MR比。其结果，能够增大光检测元件10的电阻值相对于光信号L1的光的强度的变化的变化量(从光检测元件10输出的电压的变化量)。由此，能够增大光检测元件10的灵敏度，光检测元件10能够用于可进行高速通信的接收装置100。
另外，目前为止，示出将收发装置应用于图1所示的通信***1000的例子，但通信***不限定于该情况。
例如，图10是通信***的另一例的概念图。图10所示的通信***1001为两个移动终端装置500间的通信。移动终端装置500例如为智能手机、平板等。
移动终端装置500中的各个具备接收装置100和发送装置200。将从一移动终端装置500的发送装置200发送的光信号由另一移动终端装置500的接收装置100进行接收。移动终端装置500间的收发所使用的光例如为可见光。作为各个接收装置100的光检测元件10，应用上述的光检测元件。
另外，例如，图11是通信***的另一例的概念图。图11所示的通信***1002为移动终端装置500和信息处理装置600之间的通信。信息处理装置600例如为个人电脑。
移动终端装置500具备发送装置200，信息处理装置600具备接收装置100。从移动终端装置500的发送装置200发送的光信号由信息处理装置600的接收装置100接收。移动终端装置500和信息处理装置600之间的收发所使用的光例如为可见光。作为各个接收装置100的光检测元件10，应用上述的光检测元件。
以上，本发明不限定于上述的实施方式及变形例，可在权利要求的范围内所记载的本发明宗旨的范围内进行各种变形、变化。
在此，例示了将光检测元件用于接收装置的情况，但不限于该情况。例如，本发明的光检测元件能够对图像传感器等各种半导体光检测元件进行替换。
实施例
(实施例1)
在基板上将第二电极、基底层、第二铁磁性层依次使用各材料的靶材(target)成膜。第二电极从基板侧依次设为厚度
Figure BDA0003316753930000151
的Ta、厚度
Figure BDA0003316753930000152
的Ru、厚度
Figure BDA00033167539300001522
的Ta。基底层从基板侧依次设为厚度
Figure BDA0003316753930000153
的Ta、厚度
Figure BDA0003316753930000154
的Pt。第二铁磁性层设为：从基板侧依次将厚度
Figure BDA0003316753930000155
的Co和厚度
Figure BDA0003316753930000156
的Pt交替层叠4次的层叠膜；将厚度
Figure BDA0003316753930000157
的Co、厚度
Figure BDA0003316753930000158
的Ru、厚度
Figure BDA0003316753930000159
的Co、厚度
Figure BDA00033167539300001510
的Pt和厚度
Figure BDA00033167539300001511
的Co交替层叠3次的层叠膜；厚度
Figure BDA00033167539300001512
的Mo；厚度
Figure BDA00033167539300001513
的CoFeB；
Figure BDA00033167539300001514
的Fe。
接下来，在将Mg成膜后，在氧化腔室中进行氧化处理，制作厚度
Figure BDA00033167539300001515
的MgO的间隔层。接下来，在间隔层上进行使用了Co0.65B0.35的靶材和Fe0.65B0.35的靶材的共溅射(二维同时溅射)，将第一铁磁性层的第一区域以
Figure BDA00033167539300001516
的厚度成膜。接下来，作为中间层，将厚度
Figure BDA00033167539300001517
的Mo成膜。接下来，在中间层上进行使用了Gd的靶材和Fe的靶材的共溅射(二维同时溅射)，将第一铁磁性层的第二区域以
Figure BDA00033167539300001518
的厚度成膜。
然后，在第一铁磁性层上将盖层成膜。盖层从基板侧依次设为厚度
Figure BDA00033167539300001519
的Mo、厚度
Figure BDA00033167539300001520
的Ta、厚度
Figure BDA00033167539300001521
的Ru。其后，在真空中，以30分钟、400℃进行退火处理。然后，在退火处理后的层叠体，将第一电极成膜，并且加工成直径300nm的圆柱状而制作光检测元件。第一电极设为厚度
Figure BDA0003316753930000161
的氧化铟锡(ITO)。各层的成膜通过DC磁控溅射装置进行。
以下总结实施例1中制作的光检测元件的元件结构。
第二电极：
Figure BDA0003316753930000162
基底层：
Figure BDA0003316753930000163
第二铁磁性层：
Figure BDA0003316753930000164
Figure BDA0003316753930000165
间隔层：
Figure BDA0003316753930000166
第一铁磁性层：
Figure BDA0003316753930000167
盖层：
Figure BDA0003316753930000168
第一电极：
Figure BDA0003316753930000169
对制作的光检测元件从第一电极侧照射脉冲光。光源使用了50mW的短脉冲激光(波长800nm)。光脉冲宽度设为50fsec，光点(spot)径设为2mm，将50mW的脉冲光的强度减光至1/1000后，对光检测元件照射。对光检测元件施加0.25mA的直流电流。然后，通过高速示波器测定由对光检测元件照射脉冲光而产生的、来自光检测元件的输出电压的变化。实施例1的光检测元件，脉冲光照射前后的输出电压的变化为5.0mV。
(实施例2)
实施例2中，改变第一铁磁性层的第二区域的结构的点与实施例1不同。在实施例2中，在中间层上进行使用了Gd的靶材、Fe的靶材、以及Co靶材的共溅射(三维同时溅射)，将第一铁磁性层的第二区域以
Figure BDA00033167539300001610
的厚度进行成膜。
实施例2的第一铁磁性层的层结构为下述，其它的层的结构与实施例1相同。
第一铁磁性层：
Figure BDA00033167539300001611
Figure BDA00033167539300001612
在实施例2中，也与实施例1同样地照射脉冲光，并测定照射前后的输出电压的变化。实施例2的光检测元件，脉冲光照射前后的输出电压的变化为4.8mV。
(实施例3)
实施例3，改变第一铁磁性层的第二区域的结构的点与实施例1不同。在实施例3中，在中间层上将厚度
Figure BDA0003316753930000171
的Fe、和厚度
Figure BDA0003316753930000172
的Gd交替层叠各5次，将第一铁磁性层的第二区域成膜。
实施例3中的第一铁磁性层的层结构为下述，其它的层的结构与实施例1相同。
第一铁磁性层：
Figure BDA0003316753930000173
在实施例3中，也与实施例1同样地照射脉冲光，并测定照射前后的输出电压的变化。实施例3的光检测元件，脉冲光照射前后的输出电压的变化为9.8mV。
(实施例4)
实施例4，改变第一铁磁性层的第二区域的结构的点与实施例1不同。在实施例4中，在中间层上将厚度
Figure BDA0003316753930000174
的FeCo的合金膜和厚度
Figure BDA0003316753930000175
的Gd交替层叠各5次，将第一铁磁性层的第二区域成膜。FeCo合金膜通过使用了Fe的靶材和Co的靶材的共溅射(二维同时溅射)而成膜。
实施例4中的第一铁磁性层的层结构为下述，其它的层的结构与实施例1相同。
第一铁磁性层：
Figure BDA0003316753930000176
Figure BDA0003316753930000177
在实施例4中，也与实施例1同样地照射脉冲光，并测定照射前后的输出电压的变化。实施例4的光检测元件，脉冲光照射前后的输出电压的变化为10.0mV。
(比较例1)
比较例1，改变第一铁磁性层的结构的点与实施例1不同。在比较例1中，相对于实施例1未形成第一铁磁性层1的中间层及第二区域。
比较例1的第一铁磁性层的层结构为下述，其它的层的结构与实施例1相同。
第一铁磁性层：
Figure BDA0003316753930000178
在比较例1中，也与实施例1同样地照射脉冲光，并测定照射前后的输出电压的变化。比较例1的光检测元件，脉冲光照射前后的输出电压的变化为2.5mV。
将实施例1～4及比较例1的结果总结于以下的表。如表1所示，实施例1～4的光检测元件与比较例1的光检测元件相比，光信号向电信号的转换效率高。
【表1】
脉冲光照射前后的输出电压变化(mV)
实施例1 5.0
实施例2 4.8
实施例3 9.8
实施例4 10.0
比较例1 2.5

Claims (6)

1.一种光检测元件，其中，
具备：照射有光的第一铁磁性层、第二铁磁性层、以及夹于所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层的间隔层，
所述第一铁磁性层具有：与所述间隔层相接的第一区域、和处于比所述第一区域更远离所述间隔层的位置的第二区域，
所述第一区域为CoFeB合金，所述第二区域为主要含有Fe和Gd作为构成元素的磁性体。
2.根据权利要求1所述的光检测元件，其中，
在所述第一区域和所述第二区域之间还具有中间层，
所述中间层含有选自Mo、Ru、Ta、W、Pt中的任意一种以上的元素。
3.根据权利要求1或2所述的光检测元件，其中，
所述第二铁磁性层具有：与所述间隔层相接的第三区域、和处于比所述第三区域更远离所述间隔层的位置且含有硼的第四区域，
所述第三区域与所述第四区域相比，硼的浓度低，或不含硼。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的光检测元件，其中，
所述第一区域与所述第二区域相比，硼的浓度高。
5.根据权利要求3所述的光检测元件，其中，
所述第三区域含有Fe或CoFe合金，并且结晶结构为bcc结构。
6.一种接收装置，其中，具有权利要求1～5中任一项所述的光检测元件。
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