CN115513324A - 光检测元件、接收装置及光传感器装置 - Google Patents

光检测元件、接收装置及光传感器装置 Download PDF

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CN115513324A CN202210703632.9A CN202210703632A CN115513324A CN 115513324 A CN115513324 A CN 115513324A CN 202210703632 A CN202210703632 A CN 202210703632A CN 115513324 A CN115513324 A CN 115513324A
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福泽英明
柴田哲也
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Abstract

本发明提供信号和噪声之比即SN比大的光检测元件、接收装置及光传感器装置。该光检测元件具有多个磁性元件，所述多个磁性元件各自具备被照射光的第一铁磁性层、第二铁磁性层、以及被所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层夹持的间隔层，所述多个磁性元件中的至少两个被配置为进入照射的所述光的光斑内。

Description

光检测元件、接收装置及光传感器装置
技术领域
本发明涉及光检测元件、接收装置及光传感器装置。
背景术
光电转换元件被用于各种用途。
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，将光转换为电信号。
另外，例如，在专利文献2中记载了使用半导体的pn结的光传感器及使用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说明书
发明内容
发明所要解决的问题
使用半导体的pn结的光检测元件被广泛利用，但为了进一步的发展，要求新的光检测元件。另外，光检测元件将光转换为电信号，在光检测中，要求信号和噪声之比即SN比的提高。
本发明是鉴于上述问题而创建的，其目的在于提供SN比大的光检测元件、接收装置及光传感器装置。
用于解决问题的技术方案
为了解决上述课题，提供以下的方法。
(1)第一方面提供一种光检测元件，其具备多个磁性元件，所述多个磁性元件各自具备被照射光的第一铁磁性层、第二铁磁性层、以及被所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层夹持的间隔层，所述多个磁性元件中的至少两个被配置为进入照射的所述光的光斑内。
(2)在上述方面的光检测元件中，也可以是，所述多个磁性元件具备被配置为进入所述光斑内的第一磁性元件和第二磁性元件，所述第一磁性元件和所述第二磁性元件的所述第一铁磁性层的体积互不相同。
(3)在上述方面的光检测元件中，也可以是，所述第一磁性元件处于比所述第二磁性元件更靠所述光斑的中心侧，与所述第二磁性元件相比，所述第一磁性元件的所述第一铁磁性层的体积更大。
(4)在上述方面的光检测元件中，也可以是，所述多个磁性元件具备被配置为进入所述光斑内的第一磁性元件和第二磁性元件，所述第一磁性元件和所述第二磁性元件的所述第一铁磁性层的饱和磁化互不相同。
(5)在上述方面的光检测元件中，也可以是，所述第一磁性元件处于比所述第二磁性元件靠所述光斑的中心侧，与所述第二磁性元件相比，所述第一磁性元件的所述第一铁磁性层的饱和磁化更大。
(6)在上述方式的光检测元件中，也可以是，所述多个磁性元件具备被配置为进入所述光斑内的第三磁性元件和第四磁性元件，在所述第三磁性元件的所述第一铁磁性层和所述光检测元件的被照射所述光的一侧的面即光照射面之间还具有第一中间层，在所述第四磁性元件的所述第一铁磁性层和所述光照射面之间还具有第二中间层，所述第三磁性元件比所述第四磁性元件接近所述光照射面，与所述第四磁性元件相比，所述第三磁性元件的所述第一铁磁性层的体积更大。
(7)在上述方面的光检测元件中，也可以是，所述多个磁性元件具有被配置为进入所述光斑内的第三磁性元件和第四磁性元件，在所述第三磁性元件的所述第一铁磁性层和所述光检测元件的被照射所述光的一侧的面即光照射面之间还具有第一中间层，在所述第四磁性元件的所述第一铁磁性层和所述光照射面之间还具有第二中间层，所述第三磁性元件比所述第四磁性元件更接近所述光照射面，与所述第四磁性元件相比，所述第三磁性元件的所述第一铁磁性层的饱和磁化更大。
(8)在上述方面的光检测元件中，也可以是，所述多个磁性元件具有被配置为进入所述光斑内的第五磁性元件和第六磁性元件，所述第五磁性元件处于比所述第六磁性元件更靠所述光斑的中心侧，在所述第五磁性元件的所述第一铁磁性层和所述光检测元件的被照射所述光的一侧的面即光照射面之间还具有第三中间层，在所述第六磁性元件的所述第一铁磁性层和所述光照射面之间还具有第四中间层，与所述第三中间层相比，所述第四中间层的所述光的透射率高。
(9)第二方面提供一种接收装置，其具有上述方式的光检测元件。
(10)第三方面提供一种光传感器装置，其具有上述方式的光检测元件。
发明效果
上述方面的光检测元件、接收装置及光传感器装置的光的SN比大。
附图说明
图1是第一实施方式的光检测元件的立体图。
图2是第一实施方式的光检测元件的俯视图。
图3是第一实施方式的磁性元件的剖视图。
图4是用于对第一实施方式的磁性元件的第一动作例的第一机制进行说明的图。
图5是用于对第一实施方式的磁性元件的第一动作例的第二机制进行说明的图。
图6是用于对第一实施方式的磁性元件的第二动作例的第一机制进行说明的图。
图7是用于对第一实施方式的磁性元件的第二动作例的第二机制进行说明的图。
图8是用于对第一实施方式的磁性元件的第二动作例的另一例进行说明的图。
图9是用于对第一实施方式的磁性元件的第二动作例的另一例进行说明的图。
图10是第一实施方式的第一变形例的光检测元件的俯视图。
图11是第一实施方式的第二变形例的光检测元件的俯视图。
图12是第一实施方式的第三变形例的光检测元件的俯视图。
图13是第二实施方式的光检测元件的俯视图。
图14是第二实施方式的光检测元件的一部分的剖视图。
图15表示第一磁性元件的输出电压相对于光强度的变化。
图16表示第二磁性元件的输出电压相对于光强度的变化。
图17表示第一磁性元件和第二磁性元件的合成输出电压相对于光强度的变化。
图18是第三实施方式的光检测元件的俯视图。
图19是第四实施方式的光检测元件的俯视图。
图20是第五实施方式的光检测元件的俯视图。
图21是第六实施方式的光检测元件的一部分的剖视图。
图22是第七实施方式的光检测元件的一部分的剖视图。
图23是第八实施方式的光检测元件的一部分的剖视图。
图24是第九实施方式的光检测元件的一部分的剖视图。
图25是第九实施方式的第一变形例的光检测元件的一部分的剖视图。
图26是第九实施方式的第二变形例的光检测元件的一部分的剖视图。
图27是第九实施方式的第三变形例的光检测元件的一部分的剖视图。
图28是第一应用例的收发装置的框图。
图29是通信***的一例的概念图。
图30是第二应用例的光传感器装置的截面的概念图。
图31是终端装置的一例的示意图。
具体实施方式
以下，适当地参照图，对实施方式详细地进行说明。为了容易理解本发明的特征，以下的说明中使用的附图存在为了方便说明而将成为特征的部分放大表示的情况，且各构成要素的尺寸比例等有时与实际不同。在以下的说明中例示的材料、尺寸等为一例，本发明不限于此，在实现本发明的效果的范围内能够适当地变更并实施。
对方向进行定义。将磁性元件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方向是层叠方向的一例。以下，有时将+z方向表达为“上”，将－z方向表达为“下”。+z方向是从第二铁磁性层2朝向第一铁磁性层1的方向。上下不一定与施加重力的方向一致。
第一实施方式
图1是第一实施方式的光检测元件200的立体图。图2是从z方向观察第一实施方式的光检测元件200的俯视图。
光检测元件200将照射的光L的状态或状态的变化置换成电信号。光检测元件200具有多个磁性元件10。多个磁性元件10被配置为进入照射的光L的光斑sp内。
光L不限于可见光线，也包括波长比可见光线长的红外线或波长比可见光线短的紫外线。可见光线的波长例如为380nm以上且小于 800nm。红外线的波长例如为800nm以上1mm以下。紫外线的波长例如为200nm以上且小于380nm。光L例如是包含高频的光信号且强度变化的光、或波段被控制的光(例如通过了波长滤波器的光)。高频的光信号例如是具有100MHz以上的频率的信号。光L也可以是激光。
光斑sp是对被照射物照射光L的范围。被照射中心处的光强度的 13.5％以上的强度的光的、包括中心的连续的区域为光斑sp的范围。
光L的光斑sp的范围由光学部件确定。光学部件是例如波导、透镜、光源等。例如，通过了波导的光形成光斑sp。另外，例如，通过透镜而聚焦的光形成光斑sp。光检测元件200也可以具有形成光L的光斑sp的这些光学部件。在该情况下，例如，光学部件配置于在和磁性元件10之间夹持后述的第一电极的位置。
磁性元件10各自例如与其他磁性元件10串联或并联电连接。在该情况下，光检测元件200输出例如多个磁性元件10的合成电阻、合成电位等。磁性元件10各自也可以分别与后级装置连接。在该情况下，光检测元件200输出例如多个磁性元件10各自的电阻、电位等。后级装置例如使来自各个磁性元件10的输出重合。
如果向磁性元件10各自照射的光L的状态变化，则根据光L的状态的变化，从磁性元件10各自输出的电压(各个磁性元件的z方向的端部之间的电位差)变化。图3是第一实施方式的磁性元件10的剖视图。磁性元件10各自例如具有第一铁磁性层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。磁性元件10除了这些之外，也可以具有其他层。从第一铁磁性层1侧向磁性元件10照射光。以下，将磁性元件10的被照射光的一侧的面称为照射面。
磁性元件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，磁性元件10是根据第一铁磁性层 1的磁化状态和第二铁磁性层2的磁化状态的相对变化而z方向的电阻值(使电流沿z方向流通时的电阻值)变化的元件。这样的元件也被称为磁阻效应元件。
第一铁磁性层1是如果从外部照射光则磁化的状态变化的光检测层。第一铁磁性层1也被称为磁化自由层。磁化自由层是包括在施加规定的外力时磁化的状态变化的磁性体的层。规定的外力例如是从外部照射的光L、沿着磁性元件10的z方向流通的电流、外部磁场。第一铁磁性层1的磁化根据向第一铁磁性层1照射的光L的强度而状态变化。
第一铁磁性层1包括铁磁体。第一铁磁性层1至少含有例如Co、 Fe或Ni等磁性元素中的任一种。第一铁磁性层1也可以与如上所述的磁性元素一起含有B、Mg、Hf、Gd等非磁性元素。第一铁磁性层1 例如也可以是含有磁性元素和非磁性元素的合金。第一铁磁性层1也可以由多个层构成。第一铁磁性层1例如是CoFeB合金、由Fe层夹持 CoFeB合金层的层叠体、由CoFe层夹持CoFeB合金层的层叠体。
第一铁磁性层1可以是在膜面内方向(xy面内的任一方向)上具有易磁化轴的面内磁化膜，也可以是在膜法线方向(z方向)上具有易磁化轴的垂直磁化膜。
第一铁磁性层1的膜厚例如为1nm以上5nm以下。第一铁磁性层 1的膜厚例如优选为1nm以上2nm以下。在第一铁磁性层1是垂直磁化膜的情况下，如果第一铁磁性层1的膜厚薄，则从处于第一铁磁性层1的上下的层施加垂直磁各向异性的效果增强，第一铁磁性层1的垂直磁各向异性提高。即，如果第一铁磁性层1的垂直磁各向异性高，则磁化沿沿z方向返回的力增强。另一方面，如果第一铁磁性层1的膜厚厚，则从处于第一铁磁性层1的上下的层施加垂直磁各向异性的效果相减弱，第一铁磁性层1的垂直磁各向异性减弱。
如果第一铁磁性层1的膜厚变薄，则作为铁磁体的体积变小，如果变厚，则作为铁磁体的体积变大。施加来自外部的能量时的第一铁磁性层1地磁化的反应容易度与第一铁磁性层1的磁各向异性(Ku) 和体积(V)之积(KuV)成反比例。即，如果第一铁磁性层1的磁各向异性和体积的积减小，则对于光的反应性提高。从这样的观点来看，为了提高对于光的反应，优选在适当地设计第一铁磁性层1的磁各向异性之后减小第一铁磁性层1的体积。
在第一铁磁性层1的膜厚比2nm厚的情况下，例如也可以将由 Mo、W构成的***层设置于第一铁磁性层1内。即，也可以将沿z方向依次层叠有铁磁性层、***层以及铁磁性层的层叠体作为第一铁磁性层1。通过***层和铁磁性层的界面上的界面磁各向异性，提高第一铁磁性层1整体的垂直磁各向异性。***层的膜厚例如为0.1nm～ 0.6nm。
第二铁磁性层2是磁化固定层。磁化固定层是由在被施加规定的来自外部的能量时磁化的状态与磁化自由层相比不易变化的磁性体构成的层。例如，磁化固定层在被施加规定的来自外部的能量时，磁化的方向与磁化自由层相比，不易变化。另外，例如，磁化固定层在被施加规定的来自外部的能量时，磁化的大小与磁化自由层相比，不易变化。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例如在与第一铁磁性层1相同的方向上具有易磁化轴。第二铁磁性层2可以是面内磁化膜，也可以是垂直磁化膜。
构成第二铁磁性层2的材料例如与第一铁磁性层1同样。第二铁磁性层2例如也可以是0.4nm～1.0nm的厚度的Co、0.1nm～0.5nm的厚度的Mo、0.3nm～1.0nm的厚度的CoFeB合金、0.3nm～1.0nm的厚度的Fe依次层叠的层叠体。
第二铁磁性层2的磁化例如也可以通过经由磁耦合层的与第三铁磁性层的磁耦合来固定。在该情况下，也有时将组合了第二铁磁性层2、磁耦合层及第三铁磁性层的层称为磁化固定层。
第三铁磁性层例如与第二铁磁性层2磁耦合。磁耦合例如是反铁磁性耦合，通过RKKY相互作用而产生。构成第三铁磁性层的材料例如与第一铁磁性层1同样。磁耦合层是例如Ru、Ir等。
间隔层3是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用由导电体、绝缘体或者半导体构成的层、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的磁化和第二铁磁性层2的磁化的取向方向而调整。
例如，在间隔层3由绝缘体构成的情况下，磁性元件10具有由第一铁磁性层1、间隔层3以及第二铁磁性层2构成的磁性隧道结(MTJ： Magnetic Tunnel Junction)。这样的元件被称为MTJ元件。在该情况下，磁性元件10能够呈现隧道磁阻(TMR：TunnelMagnetoresistance) 效应。例如，在间隔层3由金属构成的情况下，磁性元件10能够呈现巨磁阻(GMR：Giant Magnetoresistance)效应。这样的元件被称为GMR 元件。
在间隔层3由绝缘材料构成的情况下，能够使用含有氧化铝、氧化镁、氧化钛或氧化硅等的材料。另外，也可以在这些绝缘材料中含有Al、B、Si、Mg等元素、或Co、Fe、Ni等磁性元素。通过调整间隔层3的膜厚以在第一铁磁性层1和第二铁磁性层2之间呈现高TMR 效应，从而获得高的磁阻变化率。为了高效利用TMR效应，间隔层3 的膜厚可以设为0.5～5.0nm左右，也可以设为1.0～2.5nm左右。
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。为了高效利用GMR效应，间隔层3的膜厚可以设为0.5～5.0nm左右，也可以设为2.0～3.0nm左右。
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左右。
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，也可以设为在由氧化铝或氧化镁构成的非磁性绝缘体中包含由Cu、Au、Al等非磁性导体构成的通电点的结构。另外，也可以由Co、Fe、Ni等磁性元素构成导体。在该情况下，间隔层3的膜厚也可以设为1.0～2.5nm左右。通电点例如是从与膜面垂直的方向观察时的直径为1nm以上5nm以下的柱状体。
如上所述，磁性元件10由于间隔层3的构成材料而有时名称与 MTJ元件、GMR元件等不同，但也统称为磁阻效应元件。
此外，磁性元件10也可以具有基底层、盖层、垂直磁化感应层等。基底层处于第二铁磁性层2的下侧。基底层是籽晶层或缓冲层。籽晶层提高在籽晶层上层叠的层的结晶性。籽晶层例如是Pt、Ru、Hf、Zr、 NiFeCr。籽晶层的膜厚例如为1nm以上5nm以下。缓冲层是缓和不同的晶体之间的晶格失配的层。缓冲层例如是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5nm以下。
盖层处于第一铁磁性层1的上侧。盖层在工艺过程中防止对下层的损伤，并且在退火时提高下层的结晶性。盖层的膜厚例如为3nm以下，以对第一铁磁性层1照射足够的光。盖层例如是MgO、W、Mo、 Ru、Ta、Cu、Cr或它们的层叠膜等。
垂直磁化感应层在第一铁磁性层1为垂直磁化膜的情况下形成。垂直磁化感应层在第一铁磁性层1上层叠。垂直磁化感应层感应第一铁磁性层1的垂直磁各向异性。垂直磁化感应层是例如氧化镁、W、 Ta、Mo等。在垂直磁化感应层是氧化镁的情况下，为了提高导电性，优选氧化镁具有氧缺陷。垂直磁化感应层的膜厚例如为0.5nm以上 2.0nm以下。
另外，光检测元件200还可以具有与各个磁性元件10连接的第一电极及第二电极。第一电极与磁性元件10的第一面(照射面)相接。第一面在z方向上是磁性元件10的第一铁磁性层1侧的面。第二电极与磁性元件10的第二面相接。第二面在z方向上是磁性元件10的第二铁磁性层2侧的面。第一电极和第二电极例如沿z方向夹持磁性元件10。
第一电极及第二电极由具有导电性的材料构成。第一电极及第二电极由例如Cu、Al、Au或Ru等金属构成。也可以在这些金属的上下层叠Ta或Ti。另外，也可以使用Cu和Ta的层叠膜、Ta、Cu以及Ti 的层叠膜、Ta、Cu以及TaN的层叠膜作为第一电极及第二电极。另外，也可以使用TiN或TaN作为第一电极及第二电极。
第一电极及第二电极也可以相对于向磁性元件10照射的光的波段具有透射性。例如，第一电极及第二电极也可以是含有氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、氧化锌(ZnO)、氧化铟镓锌(IGZO)等氧化物的透明电极材料的透明电极。另外，第一电极及第二电极也可以设为在这些透明电极材料中具有多个柱状金属的结构。
磁性元件10例如通过各层的层叠工序、退火工序、加工工序制作。各层例如通过溅射而成膜。退火例如在250℃以上450℃以下进行。层叠膜的加工例如使用光刻及蚀刻进行。层叠膜成为柱状的磁性元件10。磁性元件10可以是圆柱，也可以是棱柱。例如，从z方向观察磁性元件10时的最短宽度可以设为10nm以上2000nm以下，也可以设为30nm 以上500nm以下。通过上述工序，获得磁性元件10。
图3表示磁性元件10的一例，但磁性元件具有通过光的照射而磁化状态变化的铁磁体，电阻值随着磁化状态的变化而变化即可。在磁性元件中，例如，除了上述的MTJ元件及GMR元件之外，还能够使用各向异性磁阻(AMR：Anisotronipic Magnetoresistance)效应元件、超巨磁阻(CMR：Colossal Magnetoresistance)效应元件等。
接着，对磁性元件10的动作的几个例子进行说明。向第一铁磁性层1照射光强度变化的光。磁性元件10的z方向的电阻值通过向第一铁磁性层1照射光而变化。来自磁性元件10的输出电压通过向第一铁磁性层1照射光而变化。在第一动作例中，以向第一铁磁性层1照射的光的强度为第一强度和第二强度这两个阶段的情况为例进行说明。设为第二强度的光的强度大于第一强度的光的强度。第一强度也可以是向第一铁磁性层1照射的光的强度为零的情况。
图4及图5是用于对第一实施方式的磁性元件10的第一动作例进行说明的图。图4是用于对第一动作例的第一机制进行说明的图，图5 是用于对第一动作例的第二机制进行说明的图。图4及图5的上方的坐标图中，纵轴是向第一铁磁性层1照射的光的强度，横轴是时间。图4及图5的下方的坐标图中，纵轴是磁性元件10的z方向的电阻值，横轴是时间。
首先，在向第一铁磁性层1照射第一强度的光的状态(以下，成为初始状态)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，磁性元件10的z方向的电阻值表示第一电阻值R1。通过使感应电流Is沿磁性元件10的z方向流通，在磁性元件 10的z方向的两端产生电压，并根据其电压值，使用欧姆定律求出磁性元件10的z方向的电阻值。来自磁性元件10的输出电压产生于第一电极和第二电极之间。在图4所示的例子的情况下，使感应电流Is 从第一铁磁性层1朝向第二铁磁性层2流通。通过使感应电流Is沿该方向流通，与第二铁磁性层2的磁化M2相同方向的自旋转移矩(spin transfer torque)作用于第一铁磁性层1的磁化M1，在初始状态下，磁化 M1和磁化M2平行。另外，通过使感应电流Is沿该方向流通，能够防止第一铁磁性层1的磁化M1在动作时反转。
接着，向第一铁磁性层1照射的光的强度从第一强度向第二强度变化。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。未向第一铁磁性层1照射光的状态下的第一铁磁性层1的磁化M1的状态和第二强度下的第一铁磁性层1的磁化M1的状态不同。磁化M1的状态是指例如相对于z方向的倾斜角、大小等。
例如，如图4所示，如果向第一铁磁性层1照射的光的强度从第一强度向第二强度变化，则磁化M1相对于z方向倾斜。另外，例如，如图5所示，如果向第一铁磁性层1照射的光的强度从第一强度向第二强度变化，则磁化M1的大小变小。例如，在第一铁磁性层1的磁化M1根据光的照射强度相对于z方向倾斜的情况下，其倾斜角度大于 0°且小于90°。
如果第一铁磁性层1的磁化M1从初始状态变化，则磁性元件10 的z方向的电阻值表示第二电阻值R2。第二电阻值R2大于第一电阻值 R1。第二电阻值R2在磁化M1和磁化M2平行时的电阻值(第一电阻值R1)与磁化M1和磁化M2反平行时的电阻值之间。
在图4所示的情况下，与第二铁磁性层2的磁化M2相同方向的自旋转移矩作用于第一铁磁性层1的磁化M1。因此，如果磁化M1想要回到与磁化M2平行的状态，且向第一铁磁性层1照射的光的强度从第二强度向第一强度变化，则磁性元件10回到初始状态。在图5所述的情况下，如果向第一铁磁性层1照射的光的强度回到第一强度，则第一铁磁性层1的磁化M1的大小复原，磁性元件10回到初始状态。在任何一种情况下，磁性元件10的z方向的电阻值回到第一电阻值R1。即，在向第一铁磁性层1照射的光的强度从第二强度变为第一强度时，磁性元件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。
磁性元件10的z方向的电阻值与向第一铁磁性层1照射的光的强度的变化对应地变化。来自磁性元件10的输出电压与向第一铁磁性层1照射的光的强度的变化对应地变化。即，磁性元件10能够将照射的光的强度的变化转换为输出电压的变化。即，磁性元件10能够将光转换为电信号。例如，将来自磁性元件10的输出电压为阈值以上的情况作为第一信号(例如，“1”)，将低于阈值的情况作为第二信号(例如，“0”)进行处理。
在此，以在初始状态下磁化M1和磁化M2平行的情况为例进行了说明，但在初始状态下，磁化M1和磁化M2也可以反平行。在该情况下，磁化M1的状态变化越大(例如，磁化M1从初始状态开始的角度变化越大)，磁性元件10的z方向的电阻值变得越小。在将磁化M1 和磁化M2反平行的情况设为初始状态的情况下，感应电流Is优选从第二铁磁性层2朝向第一铁磁性层1流通。通过使感应电流Is沿该方向流通，与第二铁磁性层2的磁化M2相反方向的自旋转移矩作用于第一铁磁性层1的磁化M1，在初始状态下，磁化M1和磁化M2反平行。
在第一动作例中，以向第一铁磁性层1照射的光为第一强度和第二强度这两个阶段的情况为例进行了说明，但在第二动作例中，对向第一铁磁性层1照射的光的强度多阶段或模拟变化的情况进行说明。
图6及图7是用于对第一实施方式的磁性元件10的第二动作例进行说明的图。图6是用于对第二动作例的第一机制进行说明的图，图7 是用于对第二动作例的第二机制进行说明的图。图6及图7的上方的坐标图中，纵轴是向第一铁磁性层1照射的光的强度，横轴是时间。图6及图7的下方的坐标图中，纵轴是磁性元件10的z方向的电阻值，横轴是时间。
在图6的情况下，如果向第一铁磁性层1照射的光的强度变大，则由于光的照射产生的来自外部的能量而第一铁磁性层1的磁化M1 从初始状态倾斜。未向第一铁磁性层1照射光的状态下的第一铁磁性层1的磁化M1的方向和照射了光的状态下的磁化M1的方向的角度均，大于0°且小于90°。
如果第一铁磁性层1的磁化M1从初始状态倾斜，则磁性元件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的倾斜，磁性元件10的z方向的电阻值变为第二电阻值R2、第三电阻值R3、第四电阻值R4。电阻值以第一电阻值R1、第二电阻值R2、第三电阻值R3、第四电阻值R4的顺序变大。即，根据第一铁磁性层1的磁化M1 的倾斜，来自磁性元件10的输出电压从第一电压值向第二电压值、第三电压值、第四电压值变化。输出电压以第一电压值、第二电压值、第三电压值、第四电压值的顺序变大。
就磁性元件10而言，在向第一铁磁性层1照射的光的强度变化时， z方向的电阻值变化。来自磁性元件10的输出电压在向第一铁磁性层 1照射的光的强度变化时变化。例如，如果将第一电压值规定为“0”，将第二电压值规定为“1”，将第三电压值规定为“2”，将第四电压值固定为“3”，则磁性元件10能够输出四个值的信息。在此，作为一例，示出读出四个值的情况，但可以根据通过输出电压的阈值的设定自由设计读出值的个数。另外，磁性元件10也可以原样输出模拟值。
另外，在图7的情况下也是同样的，如果向第一铁磁性层1照射的光的强度变大，则由于光的照射产生的来自外部的能量而第一铁磁性层1的磁化M1的大小从初始状态变小。如果第一铁磁性层1的磁化M1从初始状态变小，则磁性元件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，磁性元件10的z方向的电阻值变为第二电阻值R2、第三电阻值R3、第四电阻值R4。即，根据第一铁磁性层1的磁化M1的大小，来自磁性元件10的输出电压从第一电压值向第二电压值、第三电压值、第四电压值变化。因此，与图6的情况同样，磁性元件10能够将这些输出电压的不同输出为多值或模拟数据。
另外，第二动作例的情况也与第一动作例的情况同样，如果向第一铁磁性层1照射的光的强度回到第一强度，则第一铁磁性层1的磁化M1的状态复原，磁性元件10回到初始状态。
在此，以在初始状态下磁化M1和磁化M2平行的情况为例进行了说明，但在第二动作例中，在初始状态下，磁化M1和磁化M2也可以反平行。
另外，在第一动作例及第二动作例中，例示了在初始状态下磁化 M1和磁化M2平行或反平行的情况，但在初始状态下，磁化M1和磁化M2也可以正交。例如，第一铁磁性层1是磁化M1在xy平面的任一方向上取向的面内磁化膜，第二铁磁性层2是磁化M2在z方向上取向的垂直磁化膜的情况符合该情况。通过磁各向异性，磁化M1在xy 面内的任一方向上取向，磁化M2在z方向上取向，由此，在初始状态下，磁化M1和磁化M2正交。
图8及图9是用于对第一实施方式的光检测元件200的第二动作例的另一例进行说明的图。图8和图9中，对磁性元件10施加的感应电流Is的流通方向不同。图8使感应电流Is从第一铁磁性层1朝向第二铁磁性层2流通。图9使感应电流Is从第二铁磁性层2朝向第一铁磁性层1流通。
在图8及图9中的任一情况下，通过感应电流Is在磁性元件10中流通，在初始状态下，自旋转移矩作用于磁化M1。在图8的情况下，自旋转移矩起作用，使得磁化M1与第二铁磁性层2的磁化M2平行。在图9的情况下，自旋转移矩起作用，使得磁化M1与第二铁磁性层2 的磁化M2反平行。在图8及图9中的任一情况下，在初始状态下，因为磁各向异性产生的对于磁化M1的作用大于自旋转移矩的作用，所以磁化M1朝向xy面内的任一方向。
如果向第一铁磁性层1照射的光的强度变大，则由于光的照射产生的来自外部的能量而第一铁磁性层1的磁化M1从初始状态倾斜。其原因在于，对磁化M1施加的光的照射产生的作用和自旋转移矩产生的作用之和大于磁化M1的磁各向异性产生的作用。如果向第一铁磁性层1照射的光的强度变大，则图8的情况下的磁化M1以与第二铁磁性层2的磁化M2平行的方式倾斜，图9的情况下的磁化M1以与第二铁磁性层2的磁化M2反平行的方式倾斜。因为作用于磁化M1 的自旋转移矩的方向不同，所以图8和图9中的磁化M1的倾斜方向不同。
如果向第一铁磁性层1照射的光的强度变大，则在图8的情况下，磁性元件10的电阻值变小，在图9的情况下，磁性元件10的电阻值变大。即，如果向第一铁磁性层1照射的光的强度变大，则在图8的情况下，来自磁性元件10的输出电压变小，在图9的情况下，磁性元件10的输出电压变大。
如果向第一铁磁性层1照射的光的强度回到第一强度，则通过磁各向异性对于磁化M1产生的作用，第一铁磁性层1的磁化M1的状态复原。其结果，磁性元件10回到初始状态。
在此，举出第一铁磁性层1是面内磁化膜，第二铁磁性层2是垂直磁化膜的例子进行了说明，但该关系也可以相反。即，也可以是，在初始状态下，磁化M1在z方向上取向，磁化M2在xy面内的任一方向上取向。
第一实施方式的光检测元件200的多个磁性元件10处于相同光斑 sp内。多个磁性元件10相对于光L以相同的方式变动。光检测元件 200能够将来自相对于光L以相同的方式变动的各个磁性元件10的输出合成。而且，光检测元件200的多个磁性元件10同时接收相同的光信号。因此，在光检测元件200中，能够抑制对于输出信号的噪声。因此，第一实施方式的光检测元件200的SN比大。
以上，参照附图对第一实施方式进行了详述，但第一实施方式不限于此例。
例如，也可以如图10所示的光检测元件200A那样将磁性元件10 在光斑sp内排列成同心圆状。另外，例如，也可以如图11所示的光检测元件200B那样将磁性元件10在光斑sp内排列成三角格子状。磁性元件10的排列不限于这些情况，可选择六角格子状等各种排列。
另外，例如，也可以如图12所示的光检测元件200C那样，磁性元件10的各个俯视形状为矩形。
第二实施方式
图13是从z方向观察第二实施方式的光检测元件201的俯视图。在第二实施方式中，与第一实施方式同样的结构标注同样的符号，并省略说明。
光检测元件201具有多个磁性元件20。多个磁性元件20被配置为进入照射的光L的光斑sp内。
多个磁性元件20具有第一磁性元件21和第二磁性元件22。第一磁性元件21和第二磁性元件22被配置为进入照射的光L的光斑sp内。第一磁性元件21和第二磁性元件22例如相互串联或并联电连接。图 14是第二实施方式的光检测元件201的剖视图。图14是沿着图13的 A－A线的截面。磁性元件20各自具有与磁性元件10同样的层结构。在图14中，同时图示与磁性元件20各自连接的第一电极11及第二电极12和覆盖磁性元件20的周围的绝缘层In。绝缘层In的材料例如是含有一种以上金属元素或半金属元素的氧化物、氮化物或氮氧化物。更具体而言，绝缘层In的材料例如是含有一种以上选自由Al、Si、Ta、 In、Hf、Sn、Zn、Ti、Cu、Ce、Zr、Nb、Mg、B、Pb、Ca、La及Ge 构成的组中的元素的氧化物、氮化物或氮氧化物。
第一磁性元件21和第二磁性元件22的第一铁磁性层1的体积不同。第一磁性元件21与第二磁性元件22相比，其第一铁磁性层1的体积更大。第一磁性元件21和第二磁性元件22因为第一铁磁性层1 的体积不同，所以对于照射的光的灵敏度不同。第一铁磁性层1的体积越小，第一铁磁性层1的磁化M1的状态相对于照射的光强度的变化的变化程度越大，因此，第一铁磁性层1的体积越小，磁性元件20 相对于照射的光的灵敏度越大。
在图14所示的例子中，因为从z方向观察时的第一铁磁性层1的面积不同，所以第一铁磁性层1的体积在第一磁性元件21和第二磁性元件22中不同。在图14所示的例子中，第一铁磁性层1的厚度在第一磁性元件21和第二磁性元件22中相同。第一铁磁性层1的体积不限于从z方向观察时的面积，也可以通过使第一铁磁性层1的厚度不同而不同。另外，在多个磁性元件20中，也可以有第一铁磁性层1的体积与第一磁性元件21及第二磁性元件22均不同的元件。在图14所示的例子中，第一磁性元件21和第二磁性元件22配置于离光斑sp的中心的距离(从z方向的俯视下的光斑sp的中心和各个磁性元件的中心的距离)不同的位置，但第一磁性元件21和第二磁性元件22也可以配置于离光斑sp的中心的距离相同位置。
图15表示来自第一磁性元件21的输出电压相对于照射的光的强度的变化。图16表示来自第二磁性元件22的输出电压相对于照射的光的强度的变化。
如图16所示，第一铁磁性层1的体积相对小的第二磁性元件22 在光L的强度小的低强度区域电阻值大幅变化。即，第二磁性元件22 在光L的低强度区域，输出电压大幅变化，相对于光L的灵敏度相对高。另一方面，第二磁性元件22因为快速达到最大电阻值，所以在光 L的强度大的高强度区域中的电阻值变化小。即，就第二磁性元件22 而言，在光L的高强度区域，输出电压相对于光L的强度变化的变化小，难以检测光L的强度变化。因此，第二磁性元件22相对于光的灵敏度相对高，另一方面，能够检测光L的强度变化的范围相对窄。
与此相对，如图15所示，第一铁磁性层1的体积相对大的第一磁性元件21在光L的强度小的低强度区域中的电阻值变化和缓。即，第一磁性元件21在光L的低强度区域中输出电压的变化和缓，相对于光 L的灵敏度相对低。另一方面，第一磁性元件21因为电阻值不易饱和，所以即使在光L的强度大的高强度区域中也示出足够大小的电阻值变化。即，第一磁性元件21在光L的高强度区域中也获得输出电压相对于光L的强度变化的变化，能够检测光L的强度变化。因此，第一磁性元件21相对于光L的灵敏度相对低，另一方面，能够检测光L的强度变化的范围相对大。
图17表示第一磁性元件21和第二磁性元件22的合成输出电压相对于光L的强度的变化。合成输出电压例如是第一磁性元件21的输出电压和第二磁性元件22的输出电压之和。因此，合成输出电压的值在光L的低强度区域大幅变化，并且即使在光L的高强度区域也示出足够大小的值的变化。即，具有第一磁性元件21和第二磁性元件22的光检测元件201在光L的低强度区域中对于光L的灵敏度高，且能够在大的光强度范围内检测光L的强度变化。
第三实施方式
图18是从z方向观察第三实施方式的光检测元件202的俯视图。在第三实施方式中，与第一实施方式同样的结构标注同样的符号，并省略说明。
光检测元件202具有多个磁性元件30。多个磁性元件30被配置为进入照射的光L的光斑sp内。
多个磁性元件30各自具有与磁性元件10同样的层结构。在图18 所示的例子中，就磁性元件30的第一铁磁性层1的体积而言，越靠近光斑sp的中心，磁性元件30的第一铁磁性层1的体积越大，越远离中心，磁性元件30的第一铁磁性层1的体积越小。即，在从z方向俯视时，其中心和光斑sp的中心之间的距离越短，磁性元件30的第一铁磁性层1的体积越大，其中心和光斑sp的中心的距离越长，磁性元件30的第一铁磁性层1的体积越小。以下，“相对于光斑的中心近或远”及“处于光斑的中心侧或离开光斑的中心”等表达表示从z方向观察时的光斑sp的中心和磁性元件的中心的距离。在特定的磁性元件“靠近光斑的中心”或“处于光斑的中心侧”的情况下，特定的磁性元件的中心和光斑sp的中心的距离比成为比较对象的磁性元件的中心和光斑sp的中心的距离短。另外，在特定的磁性元件“远离光斑的中心”或“离开光斑的中心”的情况下，特定的磁性元件的中心和光斑 sp的中心的距离比成为比较对象的磁性元件的中心和光斑sp的中心的距离长。
例如，多个磁性元件30具有第一磁性元件31和第二磁性元件32。第一磁性元件31和第二磁性元件32被配置为进入照射的光L的光斑 sp内。第一磁性元件31和第二磁性元件32例如相互串联或并联电连接。第一磁性元件31处于比第二磁性元件32靠光斑sp的中心侧。即，在从z方向俯视时，第一磁性元件31的中心和光斑sp的中心的距离比第二磁性元件32的中心和光斑sp的中心的距离短。第一磁性元件31 的第一铁磁性层1的体积比第二磁性元件32的第一铁磁性层1的体积大。第一磁性元件31和第二磁性元件32因为第一铁磁性层1的体积不同，所以对于光L的灵敏度不同。
图18所示的例子中，因为从z方向观察时的第一铁磁性层1的面积不同，所以第一铁磁性层1的体积在第一磁性元件31和第二磁性元件32中不同。在图18所示的例子中，第一铁磁性层1的厚度在第一磁性元件31和第二磁性元件32中相同。第一铁磁性层1的体积不限于从z方向观察时的面积，也可以通过使第一铁磁性层1的厚度不同而不同。另外，在多个磁性元件30中，也可以有第一铁磁性层1的体积与第一磁性元件31和第二磁性元件32均不同的元件。
各个磁性元件30的照射面上的光强度越靠近光斑sp的中心越大。第一铁磁性层1的体积相对大的第一磁性元件31即使被照射比第二磁性元件32高强度的光，输出也不易饱和(参照图15及图16)。另外，因为第一铁磁性层1的体积相对小的第二磁性元件32与第一磁性元件 31相比，对于光L的灵敏度高(参照图15及图16)，所以即使照射的光的强度比第一磁性元件31小，也从第二磁性元件32获得一定程度的大小的输出。这样，在第三实施方式的光检测元件202中，因为能够在光的强度检测中将来自第一磁性元件31的输出和来自第二磁性元件32的输出一起有效利用，所以第三实施方式的光检测元件202的 SN比大。
第四实施方式
图19是从z方向观察第四实施方式的光检测元件203的俯视图。在第四实施方式中，与第一实施方式同样的结构标注同样的符号，并省略说明。
光检测元件203具有多个磁性元件40。多个磁性元件40被配置为进入照射的光L的光斑sp内。多个磁性元件40各自具有与磁性元件 10同样的层结构。
多个磁性元件40具有第一磁性元件41和第二磁性元件42。第一磁性元件41和第二磁性元件42被配置为进入照射的光L的光斑sp内。第一磁性元件41和第二磁性元件42例如相互串联或并联电连接。第一磁性元件41和第二磁性元件42的第一铁磁性层1的饱和磁化不同。第一磁性元件41与第二磁性元件42相比，其第一铁磁性层1的饱和磁化更大。在多个磁性元件40中，也可以具有第一铁磁性层1的饱和磁化与第一磁性元件41和第二磁性元件42均不同的元件。在图19中，在各个磁性元件40之下记入各个磁性元件40的饱和磁化的一例。在图19所示的例子中，第一磁性元件41和第二磁性元件42配置于离光斑sp的中心的距离(俯视下的光斑sp的中心和各个磁性元件的中心的距离)不同的位置，但第一磁性元件41和第二磁性元件42也可以配置于离光斑sp的中心的距离相同的位置。第一铁磁性层1的饱和磁化的大小能够通过使构成第一铁磁性层1的材料不同而不同。例如，在第一铁磁性层1由CoFeB合金构成的情况下，如果增大Fe相对于Co 的比例，则能够增大第一铁磁性层1的饱和磁化，如果缩小Fe相对于Co的比例，则能够缩小第一铁磁性层1的饱和磁化。
第一磁性元件41和第二磁性元件42因为第一铁磁性层1的饱和磁化不同，所以对于照射的光的灵敏度不同。因为第一铁磁性层1的饱和磁化越小，第一铁磁性层1的磁化M1的状态相对于照射的光的强度变化的变化程度越大，所以第一铁磁性层1的饱和磁化越小，磁性元件40对于照射的光的灵敏度越大。因此，第一铁磁性层1的饱和磁化相对大的第一磁性元件41对于光L的灵敏度相对低，另一方面，能够检测光L的强度变化的范围相对大。来自第一磁性元件41的输出电压相对于光L的强度变化示出与图15所示的第一磁性元件21同样的变动。第一铁磁性层1的饱和磁化相对小的第二磁性元件42对于光 L的灵敏度相对高，另一方面，能够检测光强度的变化的范围相对窄。来自第二磁性元件42的输出电压相对于光L的强度变化示出与图16 所示的第二磁性元件22同样的变动。第一磁性元件41和第二磁性元件42的合成输出电压相对于光L的强度变化示出与图17所示的合成输出电压同样的变动。
具有第一磁性元件41和第二磁性元件42的光检测元件203与第二实施方式的光检测元件201同样，在光L的低强度区域对于光L的灵敏度高，且能够在大的光强度范围检测光L的强度变化。
在此，第四实施方式的光检测元件203和第二实施方式的光检测元件201在多个磁性元件中包括对于照射的光的灵敏度不同的元件这点上是共同的。因此，也可以将光检测元件201的特征结构和光检测元件203的特征结构组合，使多个磁性元件中的任一个元件对于照射的光的灵敏度与其他磁性元件不同。具体而言，就被配置为进入光斑 sp内的至少两个磁性元件而言，第一铁磁性层1的体积及饱和磁化双方也可以互不相同。
第五实施方式
图20是从z方向观察第五实施方式的光检测元件204的俯视图。在第五实施方式中，与第一实施方式同样的结构标注同样的符号，并省略说明。
光检测元件204具有多个磁性元件50。多个磁性元件50被配置为进入照射的光L的光斑sp内。
多个磁性元件50各自具有与磁性元件10同样的层结构。在图20 所示的例子中，就磁性元件50的第一铁磁性层1的饱和磁化而言，越靠近光斑sp的中心，磁性元件30的第一铁磁性层1的饱和磁化越大，越远离中心，磁性元件30的第一铁磁性层1的饱和磁化越小。即，在从z方向俯视时，其中心和光斑sp的中心之间的距离越短，磁性元件 50的第一铁磁性层1的饱和磁化越大，其中心和光斑sp的中心的距离越长，磁性元件50的第一铁磁性层1的饱和磁化越小。在图20中，在各个磁性元件50之下记入各个磁性元件50的饱和磁化的一例。
例如，多个磁性元件50具有第一磁性元件51和第二磁性元件52。第一磁性元件51和第二磁性元件52被配置为进入照射的光L的光斑 sp内。第一磁性元件51和第二磁性元件52例如相互串联或并联电连接。在多个磁性元件50中，也可以有第一铁磁性层1的饱和磁化与第一磁性元件51和第二磁性元件52均不同的元件。第一磁性元件51处于比第二磁性元件52靠光斑sp的中心侧。即，在从z方向俯视时，第一磁性元件51的中心和光斑sp的中心的距离比第二磁性元件52的中心和光斑sp的中心的距离短。第一磁性元件51的第一铁磁性层1的饱和磁化比第二磁性元件52的第一铁磁性层1的饱和磁化大。第一磁性元件51和第二磁性元件52因为第一铁磁性层1的饱和磁化不同，所以对于光L的灵敏度不同。
各个磁性元件50的照射面上的光强度越靠近光斑sp的中心越大。第一铁磁性层1的饱和磁化相对大的第一磁性元件51即使被照射比第二磁性元件52高强度的光，输出也不易饱和。另外，第一铁磁性层1 的饱和磁化相对小的第二磁性元件52与第一磁性元件51相比，对于光L的灵敏度高，因此，即使照射的光的强度比第一磁性元件51小，也从第二磁性元件52获得一定程度的大小的输出。这样，在第五实施方式的光检测元件204中，因为能够在光的强度检测中将来自第一磁性元件51的输出和来自第二磁性元件52的输出一起有效利用，所以第五实施方式的光检测元件204的SN比大。
在此，第五实施方式的光检测元件204和第三实施方式的光检测元件202在输出不易饱和的第一磁性元件31、51处于光斑sp的内侧，对于照射的光的灵敏度高的第二磁性元件32、52处于光斑sp的外侧的点上是共同的。因此，也可以将光检测元件202的特征结构和光检测元件204的特征结构组合，使多个磁性元件中的任一个元件对于照射的光的灵敏度与其他元件不同。具体而言，也可以是，在被配置为进入光斑sp内的至少两个磁性元件中，越靠近光斑sp的中心，越增大磁性元件的第一铁磁性层1的饱和磁化和体积的积。
第六实施方式
图21是第六实施方式的光检测元件205的一部分的剖视图。在第六实施方式中，与第一实施方式同样的结构标注同样的符号，并省略说明。在图21中，同时图示与磁性元件60各自连接的第一电极11及第二电极12和覆盖磁性元件60的周围的绝缘层In1、In2、In3。
光检测元件205具有多个磁性元件60。多个磁性元件60被配置为进入照射的光L的光斑sp内。
多个磁性元件60各自具有与磁性元件10同样的层结构。例如，多个磁性元件60具有第一磁性元件61和第二磁性元件62。第一磁性元件61和第二磁性元件62被配置为进入照射的光L的光斑sp内。第一磁性元件61和第二磁性元件62例如相互串联或并联电连接。
第一磁性元件61处于与第二磁性元件62不同的分层。在第一磁性元件61和光照射面S1之间有第一电极11，在第二磁性元件62和光照射面S1之间有绝缘层In1及第一电极11。光照射面S1是包括磁性元件、电极及绝缘层的光检测元件的被照射光的面。光照射面S1与各个磁性元件60的照射面不同。在多个磁性元件60中，也可以有处于与第一磁性元件61及第二磁性元件62均不同的分层的元件。
从层叠方向观察，多个磁性元件60中的至少两个不与其他磁性元件60重叠。例如，从层叠方向观察，第一磁性元件61及第二磁性元件62不与其他磁性元件60重叠。如果满足该结构，则光L不被其他磁性元件60阻碍，向第一磁性元件61及第二磁性元件62照射。优选的是，从层叠方向观察，多个磁性元件60中的每一个不与其他磁性元件60重叠。
第六实施方式的光检测元件205因为多个磁性元件60处于相同光斑sp内，所以与第一实施方式的光检测元件200同样，SN比大。
第七实施方式
图22是第七实施方式的光检测元件206的一部分的剖视图。在图 22所示的一例中，在从z方向俯视时，三个磁性元件70各自的中心和光斑sp的中心的距离相同。在第七实施方式中，与第一实施方式同样的结构标注同样的符号，并省略说明。在图22中，同时图示与磁性元件70各自连接的第一电极11及第二电极12和覆盖磁性元件70的周围的绝缘层In1、In2、In3。
光检测元件206具有多个磁性元件70。多个磁性元件70被配置为进入照射的光L的光斑sp内。
多个磁性元件70各自具有与磁性元件10同样的层结构。例如，多个磁性元件70具有第一磁性元件71和第二磁性元件72。第一磁性元件71和第二磁性元件72被配置为进入照射的光L的光斑sp内。第一磁性元件71和第二磁性元件72例如相互串联或并联电连接。第一磁性元件71是权利要求中的第三磁性元件的一例。第二磁性元件72 是权利要求中的第四磁性元件的一例。
第一磁性元件71处于与第二磁性元件72不同的分层。在第一磁性元件71和光照射面S1之间有第一电极11，在第二磁性元件72和光照射面S1之间有绝缘层In1及第一电极11。第一磁性元件71和光照射面S1之间的第一电极11是权利要求中的第一中间层的一例。第二磁性元件72和光照射面S1之间的绝缘层In1及第一电极11是权利要求中的第二中间层的一例。在多个磁性元件70中，也可以有处于与第一磁性元件71和第二磁性元件72均不同的分层的元件。
第一磁性元件71比第二磁性元件72靠近光L的光照射面S1。第二磁性元件72和光照射面S1之间的绝缘层In1及第一电极11的总厚度(第二中间层的厚度)比第一磁性元件71和光照射面S1之间的第一电极11的厚度(第一中间层的厚度)厚。光照射面S1和第一磁性元件71之间的光L的透射率比光照射面S1和第二磁性元件72之间的光L的透射率高。
第一磁性元件71和第二磁性元件72的第一铁磁性层1的体积不同。第一磁性元件71与第二磁性元件72相比，第一铁磁性层1的体积更大。第一磁性元件71和第二磁性元件72因为第一铁磁性层1的体积不同，所以对于光L的灵敏度不同。
图22所示的例子中，因为从z方向观察时的第一铁磁性层1的面积不同，所以第一铁磁性层1的体积在第一磁性元件71和第二磁性元件72中不同。在图22所示的例子中，第一铁磁性层1的厚度在第一磁性元件71和第二磁性元件72中相同。第一铁磁性层1的体积不限于从z方向观察时的面积，也可以通过使第一铁磁性层1的厚度不同而不同。另外，在多个磁性元件70中，也可以有第一铁磁性层1的体积与第一磁性元件71和第2磁性元件72均不同的元件。例如，就多个磁性元件70各自的第一铁磁性层1的体积而言，也可以是，越远离光L的光照射面S1，磁性元件70的第一铁磁性层1的体积越小。
向各个磁性元件70照射的光强度越远离光照射面S1越小。第一铁磁性层1的体积相对大的第一磁性元件71即使被照射比第二磁性元件72高强度的光，输出也不易饱和(参照图15及图16)。另外，第一铁磁性层1的体积相对小的第二磁性元件72与第一磁性元件71相比，对于光L的灵敏度高(参照图15及图16)，因此，即使照射的光的强度比第一磁性元件71小，也从第二磁性元件72获得一定程度的大小的输出。这样，在第七实施方式的光检测元件206中，因为能够在光的强度检测中将来自第一磁性元件71的输出和来自第二磁性元件72的输出一起有效利用，所以第七实施方式的光检测元件206的SN 比大。
第八实施方式
图23是第八实施方式的光检测元件207的一部分的剖视图。在图 23所示的一例中，在从z方向俯视时，三个磁性元件80各自的中心和光斑sp的中心的距离相同。在第八实施方式中，与第一实施方式同样的结构标注同样的符号，并省略说明。在图23中，同时图示与磁性元件80各自连接的第一电极11及第二电极12和覆盖磁性元件80的周围的绝缘层In1、In2、In3。
光检测元件207具有多个磁性元件80。多个磁性元件80被配置为进入照射的光L的光斑sp内。
多个磁性元件80各自具有与磁性元件10同样的层结构。例如，多个磁性元件80具有第一磁性元件81和第二磁性元件82。第一磁性元件81和第二磁性元件82被配置为进入照射的光L的光斑sp内。第一磁性元件81和第二磁性元件82例如相互串联或并联电连接。第一磁性元件81是权利要求中的第三磁性元件的一例。第二磁性元件82 是权利要求中的第四磁性元件的一例。
第一磁性元件81处于与第二磁性元件82不同的分层。在第一磁性元件81和光照射面S1之间有第一电极11，在第二磁性元件82和光照射面S1之间有绝缘层In1及第一电极11。第一磁性元件81和光照射面S1之间的第一电极11是权利要求中的第一中间层的一例。第二磁性元件82和光照射面S1之间的绝缘层In1及第一电极11是权利要求中的第二中间层的一例。在多个磁性元件80中，也可以有处于与第一磁性元件81和第二磁性元件82均不同的分层的元件。
第一磁性元件81比第二磁性元件82靠近光L的光照射面S1。第二磁性元件82和光照射面S1之间的绝缘层In1及第一电极11的总厚度(第二中间层的厚度)比第一磁性元件81和光照射面S1之间的第一电极11的厚度(第一中间层的厚度)厚。光照射面S1和第一磁性元件81之间的光L的透射率比光照射面S1和第二磁性元件82之间的光L的透射率高。
第一磁性元件81和第二磁性元件82的第一铁磁性层1的饱和磁化不同。在图23中示出了各个磁性元件80的饱和磁化的一例。在图 23所示的例子中，就磁性元件80的第一铁磁性层1的饱和磁化而言，越远离光L的光照射面S1，磁性元件80的第一铁磁性层1的饱和磁化越小。第一磁性元件81的第一铁磁性层1的饱和磁化比第二磁性元件82的第一铁磁性层1的饱和磁化大。
向各个磁性元件70照射的光强度越远离光照射面S1越小。第一铁磁性层1的饱和磁化相对大的第一磁性元件81即使被照射比第二磁性元件82高强度的光，输出也不易饱和。另外，第一铁磁性层1的饱和磁化相对小的第二磁性元件82与第一磁性元件81相比，对于光L 的灵敏度高，因此，即使照射的光的强度比第一磁性元件81小，也从第二磁性元件82获得一定程度的大小的输出。这样，在第八实施方式的光检测元件207中，因为能够在光的强度检测中将来自第一磁性元件81的输出和来自第二磁性元件82的输出一起有效利用，所以第八实施方式的光检测元件207的SN比大。
在此，第八实施方式的光检测元件207和第七实施方式的光检测元件206在输出不易饱和的第一磁性元件71、81相对靠近光L的光照射面S1的点上是共同的。因此，也可以将光检测元件206的特征结构和光检测元件207的特征结构组合，使多个磁性元件中的任一个元件对于照射的光的灵敏度与其他元件不同。具体而言，在被配置为进入光斑sp内的至少两个磁性元件中，也可以是，越靠近光L的光照射面 S1，越增大磁性元件的第一铁磁性层1的饱和磁化和体积的积。
第九实施方式
图24是第九实施方式的光检测元件208的一部分的剖视图。在第九实施方式中，与第一实施方式同样的结构标注同样的符号，并省略说明。在图24中，同时图示与磁性元件90各自连接的第一电极11及第二电极12和覆盖磁性元件90的周围的绝缘层In1、In2、In3。另外，在图24中，越靠左侧(－x侧)，越靠近光斑sp的中心。
光检测元件208具有多个磁性元件90。多个磁性元件90被配置为进入照射的光L的光斑sp内。
多个磁性元件90各自具有与磁性元件10同样的层结构。例如，多个磁性元件90具有第一磁性元件91和第二磁性元件92。第一磁性元件91和第二磁性元件92被配置为进入照射的光L的光斑sp内。第一磁性元件91和第二磁性元件92例如相互串联或并联电连接。第一磁性元件91是权利要求中的第五磁性元件的一例。第二磁性元件92 是权利要求中的第六磁性元件的一例。
第一磁性元件91处于比第二磁性元件92靠光斑sp的中心侧。第一磁性元件91处于与第二磁性元件92不同的分层。在第一磁性元件 91和光照射面S1之间有绝缘层In1、绝缘层In2及第一电极11，在第二磁性元件92和光照射面S1之间有绝缘层In1及第一电极11。第一磁性元件91和光照射面S1之间的绝缘层In1、绝缘层In2及第一电极 11是权利要求中的第三中间层的一例。第二磁性元件92和光照射面 S1之间的绝缘层In1及第一电极11是权利要求中的第四中间层的一例。在多个磁性元件90中，也可以有处于与第一磁性元件91和第二磁性元件92均不同的分层的元件。
第二磁性元件92比第一磁性元件91靠近光L的光照射面S1。第一磁性元件91和光照射面S1之间的绝缘层In1、绝缘层In2及第一电极11的总厚度(第三中间层的厚度)比第二磁性元件92和光照射面 S1之间的绝缘层In1及第一电极11的总厚度(第四中间层的厚度)厚。第四中间层与第三中间层相比，光L的透射率高。在图24所示的例子中，就磁性元件90而言，越远离光斑sp的中心，磁性元件90越靠近光L的光照射面S1。另外，在图24所示的例子中，在第一磁性元件 91和第二磁性元件92中，第一铁磁性层1的体积及第一铁磁性层1 的饱和磁化相同。
光照射面S1上的光强度越靠近光斑sp的中心越大。就第九实施方式的光检测元件208而言，相对远离光斑sp的中心的第二磁性元件 92与第一磁性元件91相比，与光L的光照射面S1之间的光L的透射率高。如果满足该结构，则也能够向配置于光强度弱的光斑sp的外周侧的磁性元件90照射足够强度的光L。因此，能够减小向第一磁性元件91和第二磁性元件92照射的光强度的偏差。由此，第一磁性元件 91和第二磁性元件92双方能够不使输出饱和而获得一定程度的输出。即，在第九实施方式的光检测元件208中，因为能够在光的强度检测中将来自第一磁性元件91的输出和来自第二磁性元件92的输出一起有效利用，所以第九实施方式的光检测元件208的SN比大。
对第九实施方式的一例进行了详述，但第九实施方式不限于此例。
(第一变形例)
例如，图25是第九实施方式的第一变形例的光检测元件208A的一部分的剖视图。在图25中，越靠左侧(－x侧)越靠近光斑sp的中心。
光检测元件208A具有多个磁性元件100和保护膜105。多个磁性元件100被配置为进入照射的光L的光斑sp内。多个磁性元件100各自具有与磁性元件10同样的层结构。例如，多个磁性元件100具有第一磁性元件101和第二磁性元件102。第一磁性元件101和第二磁性元件102被配置为进入照射的光L的光斑sp内。第一磁性元件101和第二磁性元件102例如相互串联或并联电连接。第一磁性元件101是权利要求中的第五磁性元件的一例。第二磁性元件102是权利要求中的第六磁性元件的一例。第一磁性元件101处于比第二磁性元件102靠光斑sp的中心侧。
在图25所示的例子中，保护膜105越靠近光斑sp的中心，其厚度越厚。就保护膜105而言，例如，光照射面S1相对于xy平面倾斜。保护膜105的光照射面S1也可以是阶梯状。第一磁性元件101和光照射面S1之间的保护层105及第一电极11是权利要求中的第三中间层的一例。第二磁性元件102和光照射面S1之间的保护层105及第一电极11是权利要求中的第四中间层的一例。第四中间层与第三中间层相比，光L的透射率高。
在光检测元件208A中，相对远离光斑sp的中心的第二磁性元件 102与第一磁性元件101相比，与光L的光照射面S1之间的光L的透射率高。因此，能够减小向第一磁性元件101和第二磁性元件102照射的光强度的偏差。
(第二变形例)
例如，图26是第九实施方式的第二变形例的光检测元件208B的一部分的剖视图。在图26中，越靠左侧(－x侧)，越靠近光斑sp的中心。在图26中，对与图25同样的结构标注同样的符号。
光检测元件208B具有介电薄膜106、107、108。介电薄膜106、 107、108的材料例如是含有一种以上金属元素或半金属元素的氧化物、氮化物或氮氧化物。更具体而言，介电薄膜106、107、108的材料例如是含有一种以上选自由Al、Si、Ta、In、Hf、Sn、Zn、Ti、Cu、Ce、 Zr、Nb、Mg、B、Pb、Ca、La及Ge构成的组中的元素的氧化物、氮化物或氮氧化物。介电薄膜106在第一磁性元件101上。介电薄膜107 在第二磁性元件102上。介电薄膜108在第三磁性元件103上。介电薄膜106与介电薄膜107相比，光L的透射率低。介电薄膜107与介电薄膜108相比，光L的透射率低。介电薄膜的光L的透射率例如能够根据电介质的材料而不同。另外，也能够使向电介质添加的添加物的量不同，使介电薄膜的光L的透射率不同。作为一例，可举出介电薄膜106的材料是氧化铪(HfO2)，介电薄膜107的材料是氧化铝 (Al2O3)，介电薄膜108的材料是氧化硅(SiO2)的组合。在该情况下，因为相对于例如波长500nm的光的透射率以氧化铪(HfO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)的顺序降低，所以在光L的波长为500nm 的情况下，介电薄膜106与介电薄膜107相比，光L的透射率低，介电薄膜107与介电薄膜108相比，光L的透射率低。
在光检测元件208B中，相对远离光斑sp的中心的第二磁性元件 102与第一磁性元件101相比，与光L的光照射面S1之间的光L的透射率高。因此，能够减小向第一磁性元件101和第二磁性元件102照射的光强度的偏差。
(第三变形例)
例如，图27是第九实施方式的第三变形例的光检测元件208C的一部分的剖视图。在图27中，越靠左侧(－x侧)，越靠近光斑sp的中心。在图27中，对与图25同样的结构标注同样的符号。
就光检测元件208C而言，第一电极11A、11B、11C各自的光L 的透射率互不相同。第一电极11A与第一电极11B相比，光L的透射率低。第一电极11B与第一电极11C相比，光L的透射率低。第一电极的透射率例如能够通过使第一电极的组成不同而不同。例如，在使用氧化铟锡(ITO)作为第一电极的材料的情况下，通过提高锡相对于铟的组成比，能够提高光的透射率。
在光检测元件208C中，相对远离光斑sp的中心的第二磁性元件 102与第一磁性元件101相比，与光L的光照射面S1之间的光L的透射率高。因此，能够减小向第一磁性元件101和第二磁性元件102照射的光强度的偏差。
以上，本发明不限于上述的实施方式及变形例，在权利要求内所记载的本发明的主旨的范围内，能够进行各种变形或变更。例如，也可以将上述的实施方式及变形例的特征结构分别组合。
上述的实施方式及变形例的光检测元件能够应用于图像传感器等光传感器装置、通信***的收发装置等。
图28是第一应用例的收发装置1000的框图。收发装置1000具备接收装置300和发送装置400。接收装置300接收光信号L1，发送装置400发送光信号L2。
接收装置300例如具备光检测元件301和信号处理部302。光检测元件301是上述的实施方式或变形例中的任一种光检测元件。在接收装置300中，向多个磁性元件的第一铁磁性层1照射包含高频的光信号L1且强度变化的光。光检测元件301将光信号L1转换为电信号。光检测元件301的动作也可以是第一动作例和第二动作例中的任一个。信号处理部302处理由光检测元件301转换的电信号。信号处理部302 通过处理从光检测元件301产生的电信号，接收光信号L1中所含的信号。接收装置300基于例如多个磁性元件的合成输出电压接收光信号 L1中所含的信号。
发送装置400例如具备光源401、电信号生成元件402以及光调制元件403。光源401例如是激光元件。光源401也可以处于发送装置 400的外部。电信号生成元件402基于发送信息生成电信号。电信号生成元件402也可以与信号处理部302的信号转换元件成为一体。光调制元件403基于由电信号生成元件402生成的电信号，调制从光源401 输出的光，并输出光信号L2。
图29是通信***的一例的概念图。图29所示的通信***具有两个终端装置500。终端装置500是例如智能手机、平板电脑、个人电脑等。
终端装置500各自具备接收装置300和发送装置400。从一终端装置500的发送装置400发送的光信号由另一终端装置500的接收装置 300接收。用于终端装置500之间的收发的光例如是可见光。接收装置 300具有上述的光检测元件作为光检测元件301。因为上述的光检测元件的SN比优异，所以图29所示的通信***的可靠性高。
图30是第二应用例的光传感器装置2000的截面的概念图。光传感器装置2000例如具有电路基板120、配线层130以及多个光传感器 S。配线层130及多个光传感器S各自形成在电路基板120上。
多个光传感器S各自例如具有光检测元件200、波长滤波器F以及透镜R。在图30中示出了使用光检测元件200的例子，但也可以使用另一实施方式及变形例的光检测元件。向光检测元件200照射透过波长滤波器F的光。如上所示，光检测元件200将照射到多个磁性元件 10上的光替换成电信号。光检测元件200优选在第二动作例中动作。
波长滤波器F分选特定波长的光并使特定波段的光透过。透过各个波长滤波器F的光的波段可以相同，也可以不同。例如，光传感器装置2000也可以具有：具有使蓝色(380nm以上低于490nm的波段) 透过的波长滤波器F的光传感器S(以下，称为蓝色传感器。)、具有使绿色(490nm以上低于590nm的波段)透过的波长滤波器F的光传感器S(以下，称为绿色传感器。)、以及具有使红色(590nm以上低于800nm的波段)透过的波长滤波器F的光传感器S(以下，称为红色传感器。)。通过将蓝色传感器、绿色传感器、红色传感器设为1 像素，并排列该像素，能够将光传感器装置2000用作图像传感器。
透镜R将光朝向多个磁性元件10聚焦。在一个波长滤波器F的下方配置有多个光检测元件200。
电路基板120例如具有模拟数字转换器121和输出端子122。从光传感器S发送的电信号由模拟数字转换器121替换成数字数据，从输出端子122输出。
配线层130具有多个配线131。在多个配线131之间有层间绝缘膜 132。配线131将光传感器S中的每一个和电路基板120之间、形成于电路基板120的各运算电路之间电连接。光传感器S中的每一个和电路基板120例如经由沿z方向贯通层间绝缘膜132的贯通配线连接。通过缩短光传感器S中的每一个和电路基板120之间的配线间距离，能够减小噪声。
配线131具有导电性。配线131是例如Al、Cu等。层间绝缘膜 132是将多层配线的配线之间或元件之间绝缘的绝缘体。层间绝缘膜 132是例如Si、Al、Mg的氧化物、氮化物、氮氧化物。层间绝缘膜132 是例如氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、碳化硅(SiC)、氮化铬、炭氮化硅(SiCN)、氮氧化硅(SiON)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrOx) 等。
上述的光传感器装置2000例如能够用于终端装置。图31是终端装置600的一例的示意图。图31的左侧是终端装置600的表面，图31 的右侧是终端装置600的背面。终端装置600具有摄像头CA。上述的光传感器装置2000能够用于该摄像头CA的摄像元件。在图31中，作为终端装置600的一例，例示出智能手机，但不限于该情况。终端装置600除了智能手机以外，还是例如平板电脑、个人电脑、数码相机等。
附图标记说明
1…第一铁磁性层
2…第二铁磁性层
3…间隔层
10、20、30、40、50、60、70、80、90、100…磁性元件
21、31、41、51、61、71、81、91、101…第一磁性元件
22、32、42、52、62、72、82、92、102…第二磁性元件
11、11A、11B、11C…第一电极
12…第二电极
105…保护膜
106、107、108…介电薄膜
200、200A、200B、200C、201、202、203、204、205、206、207、 208、208A、208B、208C…光检测元件
120…电路基板
121…模拟数字转换器
122…输出端子
130…配线层
131…配线
132…层间绝缘膜
300…接收装置
301…光检测元件
302…信号处理部
400…发送装置
401…光源
402…电信号生成元件
403…光调制元件
500、600…终端装置
1000…收发装置
2000…光传感器装置
CA…摄像头
F…波长滤波器
R…透镜
S…光传感器。

Claims (10)

1.一种光检测元件，其具备多个磁性元件，
所述多个磁性元件各自具备被照射光的第一铁磁性层、第二铁磁性层、以及被所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层夹持的间隔层，
所述多个磁性元件中的至少两个被配置为进入照射的所述光的光斑内。
2.根据权利要求1所述的光检测元件，其中，
所述多个磁性元件具有被配置为进入所述光斑内的第一磁性元件和第二磁性元件，
所述第一磁性元件和所述第二磁性元件的所述第一铁磁性层的体积互不相同。
3.根据权利要求2所述的光检测元件，其中，
所述第一磁性元件处于比所述第二磁性元件更靠所述光斑的中心侧，
与所述第二磁性元件相比，所述第一磁性元件的所述第一铁磁性层的体积更大。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的光检测元件，其中，
所述多个磁性元件具备被配置为进入所述光斑内的第一磁性元件和第二磁性元件，
所述第一磁性元件和所述第二磁性元件的所述第一铁磁性层的饱和磁化互不相同。
5.根据权利要求4所述的光检测元件，其中，
所述第一磁性元件处于比所述第二磁性元件更靠所述光斑的中心侧，
与所述第二磁性元件相比，所述第一磁性元件的所述第一铁磁性层的饱和磁化更大。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的光检测元件，其中，
所述多个磁性元件具有被配置为进入所述光斑内的第三磁性元件和第四磁性元件，
在所述第三磁性元件的所述第一铁磁性层和所述光检测元件的光照射面之间还具有第一中间层，所述光照射面为所述光检测元件的被照射所述光的一侧的面，
在所述第四磁性元件的所述第一铁磁性层和所述光照射面之间还具有第二中间层，
所述第三磁性元件比所述第四磁性元件更接近所述光照射面，
与所述第四磁性元件相比，所述第三磁性元件的所述第一铁磁性层的体积更大。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的光检测元件，其中，
所述多个磁性元件具有被配置为进入所述光斑内的第三磁性元件和第四磁性元件，
在所述第三磁性元件的所述第一铁磁性层和所述光检测元件的光照射面之间还具有第一中间层，所述光照射面为所述光检测元件的被照射所述光的一侧的面，
在所述第四磁性元件的所述第一铁磁性层和所述光照射面之间还具有第二中间层，
所述第三磁性元件比所述第四磁性元件更接近所述光照射面，
与所述第四磁性元件相比，所述第三磁性元件的所述第一铁磁性层的饱和磁化更大。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的光检测元件，其中，
所述多个磁性元件具有被配置为进入所述光斑内的第五磁性元件和第六磁性元件，
所述第五磁性元件处于比所述第六磁性元件更靠所述光斑的中心侧，
在所述第五磁性元件的所述第一铁磁性层和所述光检测元件的光照射面之间还具有第三中间层，所述光照射面为所述光检测元件的被照射所述光的一侧的面，
在所述第六磁性元件的所述第一铁磁性层和所述光照射面之间还具有第四中间层，
与所述第三中间层相比，所述第四中间层的所述光的透射率更高。
9.一种接收装置，其具有权利要求1～8中任一项所述的光检测元件。
10.一种光传感器装置，其具有权利要求1～8中任一项所述的光检测元件。
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