CN116344656A - 光检测元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新的光检测元件。该光检测元件具备磁性元件和光波导，所述磁性元件具有第一铁磁性层、第二铁磁性层、被所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层夹持的间隔层，所述光波导至少由芯和包覆所述芯的至少一部分的包层形成，在所述光波导中传播的光向所述磁性元件照射。
Description
技术领域
本发明涉及光检测元件。
背景技术
光电转换元件被用于各种用途中。
随着互联网的普及，通信量飞跃式地增大，光通信的重要性越来越高。光通信是将电信号转换为光信号，且使用光信号进行收发的通信手段。
例如，专利文献1中记载有使用光电二极管来接收光信号的接收装置。光电二极管例如是使用了半导体pn结的pn结二极管等。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-292107号公报
发明内容
发明所要解决的问题
使用了半导体pn结的光检测元件被广泛用作光电转换元件，但为了更好的发展，要求具有新的突破。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种新的光检测元件。
用于解决问题的技术方案
为了解决上述课题，提供以下方案。
(1)第一方面提供一种光检测元件，其具备磁性元件和光波导，所述磁性元件具有第一铁磁性层、第二铁磁性层、被所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层夹持的间隔层，所述光波导至少由芯和包覆所述芯的至少一部分的包层形成，在所述光波导中传播的光向所述磁性元件照射。
(2)在上述方面的光检测元件中，也可以是，所述芯具备沿与所述磁性元件的层叠方向交叉的第一方向延伸的主部、和与所述主部连接的第一部分，所述光波导具有倾斜反射面，该倾斜反射面是所述芯的一部分即所述第一部分和所述包层的边界面的一部分，且与所述层叠方向及所述第一方向交叉，由所述倾斜反射面反射的所述光向所述磁性元件照射。
(3)在上述方面的光检测元件中，也可以是，所述倾斜反射面在所述层叠方向上的位置与所述磁性元件在所述层叠方向上的位置不同。
(4)在上述方面的光检测元件中，也可以是，还具备基板，所述磁性元件及所述光波导处于所述基板上，所述磁性元件在所述基板的面垂直方向上的位置为所述倾斜反射面在所述面垂直方向上的位置和所述基板在所述面垂直方向上的位置之间。
(5)在上述方面的光检测元件中，也可以是，还具备基板，所述磁性元件及所述光波导处于所述基板上，所述倾斜反射面在所述基板的面垂直方向上的位置为所述磁性元件在所述面垂直方向上的位置和所述基板在所述面垂直方向上的位置之间。
(6)在上述方面的光检测元件中，也可以是，还具备基板，所述基板具备在厚度方向上相对的第一面和第二面，所述光波导处于所述基板的第一面侧，所述磁性元件处于所述第二面侧。
(7)在上述方面的光检测元件中，也可以是，所述基板与所述芯相接。
(8)在上述方面的光检测元件中，也可以是，所述芯具备沿与所述磁性元件的层叠方向交叉的第一方向延伸的主部、和与所述主部连接的第二部分，所述第二部分以所述第一方向为基准向朝向所述磁性元件的方向弯曲，在所述第二部分中传播的所述光向所述磁性元件照射。
(9)在上述方面的光检测元件中，也可以是，所述第二部分在所述层叠方向上的位置与所述磁性元件在所述层叠方向上的位置不同。
(10)在上述方面的光检测元件中，也可以是，还具备电极，所述电极与所述磁性元件电连接，且与所述芯相接，所述芯和所述电极的折射率差的绝对值比所述芯和所述包层的折射率差的绝对值小。
发明效果
上述方式的光检测元件能够以新原理来检测光的状态变化。
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截面图。
图3是第一实施方式的光检测元件的截面图。
图4是第一实施方式的光检测元件的俯视图。
图5是第一实施方式的磁性元件的截面图。
图6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理进行说明的图。
图7是用于对第一实施方式的磁性元件的第一动作例的第二机理进行说明的图。
图8是用于对第一实施方式的磁性元件的第二动作例的第一机理进行说明的图。
图9是用于对第一实施方式的磁性元件的第二动作例的第二机理进行说明的图。
图10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11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12是第二实施方式的光检测元件的立体图。
图13是第二实施方式的光检测元件的截面图。
图14是第二实施方式的光检测元件的截面图。
图15是第二实施方式的变形例的磁性元件的截面图。
图16是第三实施方式的光检测元件的立体图。
图17是第三实施方式的光检测元件的截面图。
图18是第三实施方式的光检测元件的截面图。
图19是第三实施方式的光检测元件的变形例的截面图。
图20是第四实施方式的光检测元件的立体图。
图21是第四实施方式的光检测元件的截面图。
图22是第五实施方式的光检测元件的立体图。
图23是第五实施方式的光检测元件的截面图。
图24是第一变形例的光检测元件的截面图。
图25是第二变形例的光检测元件的截面图。
具体实施方式
以下，适当参照附图对实施方式进行详细说明。以下的说明中使用的附图中，为了容易理解本发明的特征，有时为了方便起见而将成为特征的部分放大表示，各构成要素的尺寸比例等有时与实际不同。以下的说明中例示的材料、尺寸等为一例，本发明不限定于此，能够在实现本发明的效果的范围内适当地变更并实施。
对方向进行定义。将基板30扩展的面内的一方向设为x方向，将与x方向正交的面内的方向设为y方向。例如，将后述的光波导的芯的主部延伸的方向设为x方向。将基板30的面垂直方向(与x方向及y方向正交的方向)设为z方向。以下，有时将+z方向表述为“上”，将-z方向表述为“下”。上下不一定与重力所施加的方向一致。
“第一实施方式”
图1是第一实施方式的光检测元件100的立体图。图2及图3是第一实施方式的光检测元件100的截面图。图2是穿过芯21的宽度方向中央的xz截面。图3是穿过磁性元件10的中央的yz截面。图4是第一实施方式的光检测元件100的俯视图。在图4中，去掉包层25及绝缘层40进行图示。
光检测元件100例如具有磁性元件10、第一电极11、第二电极12、光波导20、基板30、绝缘层40。在光波导20中传播的光向磁性元件10照射。
从光源射出的光在光波导20中传播。光源例如是激光二极管、LED等。在光源和光波导20的输入端之间也可以具有光学构件。光学构件例如是透镜、元透镜、波长滤波器、光纤、反射镜等。例如，从光源射出且经由光学构件在光波导20中传播的光向磁性元件10照射。另外，从光源射出的光的一部分也可以直接在光波导20中传播并向磁性元件10照射。
在光波导20中传播的光例如是像激光那样的单一波长的单色光。在光波导20中传播的光也可以不是单色光，可以是波长被限定在具有某种程度宽度的范围内的光，也可以是具有连续光谱的光。在光波导20中传播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。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以上且1mm以下。紫外线的波长例如200nm以上且小于380nm。在光波导20中传播的光例如是包含高频的光信号且强度发生变化的光或控制了波段的光(例如穿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。
光波导20至少由芯21和包层25形成。芯21的至少一部分由包层25包覆。
芯21例如含有铌酸锂作为主要成分。铌酸锂的一部分元素也可以替换为其他元素。包层25例如是SiO2、Al2O3、MgF2、La2O3、ZnO、HfO2、MgO、Y2O3、CaF2、In2O3等或它们的混合物。芯21及包层25的材料不限于该例。例如，芯21是在硅或氧化硅中添加有氧化锗的芯，包层25也可以是氧化硅。另外，作为芯21，也可使用氧化钽、氮化硅(Si3N4)等。光波导20也可以是等离子体波导。在光波导20是等离子体波导的情况下，芯21例如是硅或氧化硅，包层25例如是Au、Ag、Al等金属。
芯21例如具备主部22和第一部分23。主部22例如沿x方向延伸。x方向是与磁性元件10的层叠方向交叉的第一方向的一例。磁性元件10的层叠方向例如与z方向一致。芯21的y方向的宽度例如为0.4μm以上且8μm以下。芯21的主部22的z方向的厚度例如为0.2μm以上且8μm以下。在光波导20为等离子体波导的情况下，芯21的y方向的宽度例如为20nm以上且100nm以下，芯21的主部22的z方向的厚度例如为20nm以上且100nm以下。
第一部分23与主部22连接。第一部分23与主部22的光的入射端的相反侧的端部连接。光从主部22向第一部分23传播。
光波导20具有倾斜反射面24。倾斜反射面24是芯21的一部分即第一部分23和包层25的边界面的一部分。倾斜反射面24与磁性元件10的层叠方向及上述第一方向交叉。倾斜反射面24例如与x方向及z方向交叉。第一部分23的z方向的厚度例如越远离第一部分23和主部22的连接面越薄。在主部22中传播并由倾斜反射面24反射的光向磁性元件10照射。倾斜反射面24的z方向(磁性元件10的层叠方向)的位置与磁性元件10在z方向上的位置不同。在从磁性元件10的层叠方向观察时，倾斜反射面24例如位于与磁性元件10重叠的位置。例如，倾斜反射面24在z方向上的位置比磁性元件10更靠上方。
磁性元件10位于被在光波导20中传播的光照射的位置(被由倾斜反射面24反射的光照射的位置)。图5是第一实施方式的磁性元件10的截面图。在图5中，同时图示出第一电极11和第二电极12，用箭头表示铁磁性体的在后述的初始状态下的磁化方向。
磁性元件10至少具有第一铁磁性层1、第二铁磁性层2、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除了这些层以外，还可以具有第三铁磁性层4、磁耦合层5、基底层6、垂直磁化感应层7、盖层8。第三铁磁性层4、磁耦合层5、基底层6都位于第二铁磁性层2和第二电极12之间，垂直磁化感应层7及盖层8位于第一铁磁性层1和第一电极11之间。磁性元件10的从层叠方向俯视时的最长宽度例如为10nm以上且2000nm以下，优选为30nm以上且500nm以下。磁性元件10的层叠方向的厚度例如为15nm以上且40nm以下。
磁性元件10例如是间隔层3由绝缘材料构成的MTJ(Magnetic Tunnel Junction)元件。磁性元件10当被来自外部的光照射时，电阻值发生变化。磁性元件10根据第一铁磁性层1的磁化M1的状态和第二铁磁性层2的磁化M2的状态下的相对变化，z方向的电阻值(沿z方向流过了电流时的电阻值)发生变化。这种元件也被称为磁阻效应元件。
第一铁磁性层1是当被光照射时磁化状态发生变化的光检测层。第一铁磁性层1也被称为磁化自由层。磁化自由层是含有在施加了规定的来自外部的能量时磁化状态发生变化的磁性体的层。规定的来自外部的能量例如是从外部照射的光、沿磁性元件10的层叠方向流动的电流、外部磁场。第一铁磁性层1的磁化M1根据所照射的光的强度而状态变化。
第一铁磁性层1含有铁磁性体。第一铁磁性层1例如至少含有Co、Fe或Ni等磁性元素中的任意种。第一铁磁性层1也可以与如上所述的磁性元素一同含有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。
另外，第一铁磁性层1可以是磁性层和非磁性层交替层叠成的层叠体，例如，也可以是Co和Pt交替层叠成的层叠体、Co和Ni交替层叠成的层叠体。通常，“铁磁性”包含“亚铁磁性”。第一铁磁性层1也可以显示亚铁磁性。另一方面，第一铁磁性层1也可以显示铁磁性而不是亚铁磁性。例如，CoFeB合金显示铁磁性而非亚铁磁性。
第一铁磁性层1可以是在膜面内方向上具有易磁化轴的面内磁化膜，也可以是在膜面垂直方向(磁性元件10的层叠方向)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以上且5nm以下。第一铁磁性层1的膜厚例如优选为1nm以上且2nm以下。在第一铁磁性层1为垂直磁化膜的情况下，当第一铁磁性层1的膜厚较薄时，来自位于第一铁磁性层1的上下的层的垂直磁各向异性施加效果增强，第一铁磁性层1的垂直磁各向异性升高。即，当第一铁磁性层1的垂直磁各向异性较高时，磁化M1要返回到膜面垂直方向(返回到原来的状态)的力增强。另一方面，当第一铁磁性层1的膜厚较厚时，来自位于第一铁磁性层1的上下的层的垂直磁各向异性施加效果相对减弱，第一铁磁性层1的垂直磁各向异性减弱。
当第一铁磁性层1的膜厚变薄时，作为铁磁性体的体积变小，当变厚时，作为铁磁性体的体积变大。施加了来自外部的能量时的第一铁磁性层1的磁化的易反应度与第一铁磁性层1的磁各向异性(Ku)和体积(V)的乘积(KuV)成反比。即，当第一铁磁性层1的磁各向异性和体积的乘积变小时，对光的反应性升高。从这种观点出发，为了提高对光的反应，优选在适当设计了第一铁磁性层1的磁各向异性的基础上，减小第一铁磁性层1的体积。
在第一铁磁性层1的膜厚大于2nm的情况下，例如，也可以将由Mo、W构成的***层设置在第一铁磁性层1内。即，也可以将在z方向上依次层叠铁磁性层、***层、铁磁性层而成的层叠体设为第一铁磁性层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。磁化固定层是由在施加了规定的来自外部的能量时磁化状态比磁化自由层更难以发生变化的磁性体构成的层。例如，磁化固定层在施加了规定的来自外部的能量时，磁化方向比磁化自由层更难以发生变化。另外，例如，磁化固定层在施加了规定的来自外部的能量时，磁化的大小比磁化自由层更难以发生变化。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可以是面内磁化膜，也可以是垂直磁化膜。在图5所示的例子中，第二铁磁性层2的磁化M2的方向为z方向。第二铁磁性层12的膜厚例如为1nm以上且5nm以下。
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和0.4nm～1.0nm的厚度的Pt交替地层叠数次而成的多层膜。第二铁磁性层2例如也可以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依次层叠而成的层叠体。
第二铁磁性层2的磁化M2例如也可以通过经由磁耦合层5的与第三铁磁性层4的磁耦合而固定。在该情况下，有时也将第二铁磁性层2、磁耦合层5及第三铁磁性层4合在一起的层称为磁化固定层。第三铁磁性层4及磁耦合层5的详细情况在后面进行描述。
间隔层3是配置于第一铁磁性层1和第二铁磁性层2之间的层。间隔层3通过由导电体、绝缘体或半导体构成的层、或者在绝缘体中含有由导体构成的通电点的层构成。间隔层3例如是非磁性层。间隔层3的膜厚可根据在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的取向方向来调节。
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和第二铁磁性层2构成的磁隧道结(MTJ：Magnetic Tunnel Junction)。这种元件被称为MTJ元件。在该情况下，磁性元件10能够呈现隧道磁阻(TMR：Tunnel Magnetoresistance)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：GiantMagnetoresistance)效应。这种元件被称为GMR元件。磁性元件10根据间隔层3的构成材料有时被称为MTJ元件、GMR元件等而名称不同，但也被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，能够使用含有氧化铝、氧化镁、氧化钛或氧化硅等的材料作为间隔层3的材料。另外，这些绝缘材料也可以含有Al、B、Si、Mg等元素或Co、Fe、Ni等磁性元素。通过以在第一铁磁性层1和第二铁磁性层2之间发现高的TMR效应的方式调节间隔层3的膜厚，得到较高的磁阻变化率。为了高效地利用TMR效应，间隔层3的膜厚可以设为0.5～5.0nm程度，也可以设为1.0～2.5nm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。为了高效地利用GMR效应，间隔层3的膜厚可以设为0.5～5.0nm程度，也可以设为2.0～3.0nm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。
在使用含有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，也可以采用在由氧化铝或氧化镁构成的非磁性绝缘体中含有由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程度。通电点例如是在从垂直于膜面的方向观察时的直径为1nm以上且5nm以下的柱状体。
第三铁磁性层4例如与第二铁磁性层2磁耦合。磁耦合例如是反铁磁性的耦合，通过RKKY相互作用而产生。第二铁磁性层2的磁化M2的方向和第三铁磁性层4的磁化M4的方向为反平行的关系。构成第三铁磁性层4的材料例如与第一铁磁性层1同样。
磁耦合层5位于第二铁磁性层2和第三铁磁性层4之间。磁耦合层5例如是Ru、Ir等。
基底层6位于第三铁磁性层4和第二电极12之间。基底层6是籽晶层或缓冲层。籽晶层用于提高与籽晶层相接的层的结晶性。籽晶层例如是Pt、Ru、Hf、Zr、NiFeCr。籽晶层的膜厚例如为1nm以上且5nm以下。缓冲层是缓和不同晶体间的晶格失配的层。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以上且5nm以下。
盖层8位于第一铁磁性层1和第一电极11之间。盖层8用于在退火时提高与盖层8相接的层的结晶性。盖层8的膜厚例如为10nm以下，以向第一铁磁性层1照射足够的光。盖层8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7感应第一铁磁性层1的垂直磁各向异性。垂直磁化感应层7例如是氧化镁、W、Ta、Mo等。在垂直磁化感应层7为氧化镁的情况下，为了提高导电性，优选氧化镁缺氧。垂直磁化感应层7的膜厚例如为0.5nm以上且5.0nm以下。
第一电极11例如配置于向磁性元件10照射光的一侧。在该情况下，第一电极11的至少一部分被磁性元件10和第一部分23夹持。第一电极11例如与磁性元件10电连接。另外，第一电极11例如与芯21的第一部分23相接。
在光波导20中传播的光从第一电极11侧向磁性元件10照射，至少照射到第一铁磁性层1。第一电极11由具有导电性的材料构成。第一电极11例如是对使用波段的光具有透射性的透明电极。第一电极11例如优选透过使用波段的光的80％以上。
第一电极11例如是氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、氧化锌(ZnO)、氧化铟镓锌(IGZO)等氧化物。第一电极11也可以采用在这些氧化物的透明电极材料中具有多个柱状金属的结构。作为第一电极11，并非必须使用如上所述的透明电极材料，也可以通过以薄的膜厚使用Au、Cu或Al等金属材料，使所照射的光到达第一铁磁性层1。在使用金属作为第一电极11的材料的情况下，第一电极11的膜厚例如为3～10nm。另外，第一电极11也可以在被光照射的照射面具有抗反射膜。
在第一电极11与芯21相接的情况下，第一电极11和芯21的折射率差的绝对值优选比芯21和包层25的折射率差的绝对值小。例如，在包层25为氧化铝的情况下，当将第一电极11设为ITO(氧化铟和氧化锡的混合比为2︰1的ITO)，且将芯21设为铌酸锂时，满足上述折射率差的条件。当满足上述折射率差的条件时，能够抑制在芯21和第一电极11的边界面上的在芯21中传播的光的反射，能够向磁性元件10照射大部分在芯21中传播的光。在此，举出第一电极11的折射率小于芯21的折射率的例子，但也可以是第一电极11的折射率大于芯21的折射率，还可以是第一电极11的折射率与芯21的折射率相同。
第二电极12夹持磁性元件10位于第一电极11的相反侧。第二电极12例如与磁性元件10电连接。第二电极12由具有导电性的材料构成。第二电极12例如由Cu、Al或Au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和Ti的层叠膜、Ta、Cu和TaN的层叠膜。另外，作为第二电极12，也可以使用TiN或TaN。第二电极12的膜厚例如为200nm～800nm。
第二电极12也可以相对于向磁性元件10照射的光具有透射性。作为第二电极12的材料，与第一电极11同样，例如，也可以使用氧化铟锡(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。即使在从第一电极11照射光的情况下，光有时也会因光的强度而到达第二电极12，在该情况下，通过第二电极12含有氧化物透明电极材料而构成，与第二电极12由金属构成的情况相比，能够抑制第二电极12和与其相接的层的边界面上的光的反射。
第一电极11与通孔配线51连接。第二电极12与通孔配线52连接。通孔配线51将第一电极11和外部电极53相连。通孔配线52将第二电极12和外部电极54相连。通孔配线51、52分别在z方向上贯通包层25和绝缘层40中的至少一方。外部电极53、54例如分别在包层25的上表面露出。通孔配线51、52、外部电极53、54含有具有导电性的材料。
通孔配线51、52的从层叠方向俯视时的最长宽度例如分别为10nm以上且2000nm以下，优选为30nm以上且500nm以下。通孔配线51的从层叠方向俯视时的最长宽度例如比第一电极11的x方向的宽度短。通孔配线52的从层叠方向俯视时的最长宽度例如比第二电极12的x方向的宽度短。
绝缘层40覆盖磁性元件10的周围。绝缘层40为层间绝缘层。绝缘层40例如是Si、Al、Mg的氧化物、氮化物、氧氮化物。绝缘层40例如是氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、碳化硅(SiC)、氮化铬(CrN)，碳氮化硅(SiCN)、氧氮化硅(SiON)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrOx)等。绝缘层40的材料可以与包层25相同，绝缘层40和包层25也可以一体化。
磁性元件10及光波导20例如位于基板30上。磁性元件10在z方向上的位置为倾斜反射面24在z方向上的位置和基板30在z方向上的位置之间。例如，磁性元件10在z方向上被基板30和倾斜反射面24夹持。
基板30例如含有氧化铝。基板30例如是蓝宝石。基板30也可以是硅等半导体基板。
接着，对光检测元件100的制造方法进行说明。首先，在基板30上形成依次层叠第二电极12、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、垂直磁化感应层7、盖层8而成的层叠膜。各层例如通过溅射而成膜。
接着，对层叠膜进行退火。退火温度例如为250℃～450℃。其后，通过光刻及蚀刻将层叠膜加工成规定的柱状体。柱状体可以是圆柱，也可以是棱柱。例如，从层叠方向观察柱状体时的宽度可以设为10nm以上且2000nm以下，也可以设为30nm以上且500nm以下。
接着，以包覆柱状体的侧面的方式形成绝缘层40。绝缘层40也可以多次层叠。接着，通过化学机械抛光(CMP)，使盖层8的上表面从绝缘层40露出，在盖层8上制作第一电极11。
接着，以覆盖第一电极11的周围的方式形成包层25。接着，通过化学机械抛光(CMP)，使第一电极11和包层25的上表面的高度位置一致。接着，在一部分与第一电极11重叠的位置形成芯21。在层叠了成为芯21的层之后，通过光刻及蚀刻，加工成规定的形状而形成芯21。其后，以覆盖芯21的方式形成包层25。接着，在包层25上形成贯通孔，且用导电体填充内部，由此形成通孔配线51、52。
如上所述，磁性元件10及光波导20例如可通过真空成膜工艺而形成在同一基板30上。
接着，对光检测元件100的动作进行说明。从光源射出的光被输入到光波导20。输入到光波导20的光是具有强度变化的光，例如，包含具有光强度变化的光信号。这种光例如被用在光通信***中。输入到光波导20的光在光波导20的芯21中传播。在芯21中传播的光由倾斜反射面24向磁性元件10反射。
由倾斜反射面24反射的光向磁性元件10照射。磁性元件10的z方向的电阻值通过在光波导20中传播的光向第一铁磁性层1的照射而变化。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。假设第二强度比第一强度大。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6及图7是用于对磁性元件10的第一动作例进行说明的图。图6是用于对第一动作例的第一机理进行说明的图，图7是用于对第一动作例的第二机理进行说明的图。在图6及图7中，仅提取磁性元件10中的第一铁磁性层1、第二铁磁性层2及间隔层3进行图示。就图6及图7的上段的坐标图而言，纵轴是向第一铁磁性层1照射的光的强度，横轴是时间。就图6及图7的下段的坐标图而言，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照射了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，磁性元件10的z方向的电阻值显示第一电阻值R1，来自磁性元件10的输出电压的大小显示第一值。通过在磁性元件10的z方向上流过感应电流Is，在磁性元件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的输出电压是在第一电极11和第二电极12之间产生的。在图6所示之例的情况下，使感应电流Is从第一铁磁性层1向第二铁磁性层2流动。通过在该方向上流过感应电流Is，与第二铁磁性层2的磁化M2相同方向的自旋转移力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变成平行。在图6所示的例子中，在初始状态下，磁化M1的方向和磁化M2的方向一同成为+z方向。另外，通过在该方向上流过感应电流Is，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变化到第二强度。第二强度比第一强度大，第一铁磁性层1的磁化M1从初始状态开始发生变化。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、和向第一铁磁性层1照射了第二强度的光的状态下的第一铁磁性层1的磁化M1的状态是不同的。磁化M1的状态例如是相对于z方向的倾斜角、大小等。
例如，如图6所示，当向第一铁磁性层1照射的光的强度从第一强度变化到第二强度时，磁化M1相对于z方向倾斜。另外，例如，如图7所示，当向第一铁磁性层1照射的光的强度从第一强度变化到第二强度时，磁化M1的大小变小。例如，在第一铁磁性层1的磁化M1因光的照射强度而相对于z方向倾斜的情况下，其倾斜角度大于0°且小于90°。
当第一铁磁性层1的磁化M1从初始状态开始变化时，磁性元件10的z方向的电阻值显示第二电阻值R2，来自磁性元件10的输出电压的大小显示第二值。第二电阻值R2比第一电阻值R1大，输出电压的第二值比第一值大。第二电阻值R2是磁化M1和磁化M2平行时的电阻值(第一电阻值R1)和磁化M1和磁化M2反平行时的电阻值之间的值。
在图6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力矩作用于第一铁磁性层1的磁化M1。因此，磁化M1要返回到与磁化M2平行的状态，当向第一铁磁性层1照射的光的强度从第二强度变化到第一强度时，磁化M1返回到与磁化M2平行的状态。在图7所示的情况下，当向第一铁磁性层1照射的光的强度返回到第一强度时，第一铁磁性层1的磁化M1的大小返回到初始状态下的大小。在任一种情况下，磁性元件10的z方向的电阻值都返回到第一电阻值R1。即，在向第一铁磁性层1照射的光的强度从第二强度变化到了第一强度时，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，来自磁性元件10的输出电压的大小从第二值向第一值变化。
来自磁性元件10的输出电压与向第一铁磁性层1照射的光的强度变化相对应地发生变化，能够将所照射的光的强度变化转换为来自磁性元件10的输出电压的变化。即，磁性元件10能够将光置换为电信号。例如，光信号的接收装置将来自磁性元件10的输出电压为阈值以上的情况作为第一信号(例如“1”)，且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也可以为反平行。在该情况下，磁化M1的状态变化越大(例如，磁化M1的从初始状态起的角度变化越大)，磁性元件10的z方向的电阻值越小。在初始状态下磁化M1和磁化M2反平行的情况下，感应电流Is优选从第二铁磁性层2向第一铁磁性层1流动。通过在该方向上流过感应电流Is，与第二铁磁性层2的磁化M2相反方向的自旋转移力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变成反平行。
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照射的光的强度多级地或模拟地变化的情况进行说明。
图8及图9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8是用于对第二动作例的第一机理进行说明的图，图9是用于对第二动作例的第二机理进行说明的图。在图8及图9中，仅提取磁性元件10中的第一铁磁性层1、第二铁磁性层2及间隔层3进行图示。就图8及图9上方的坐标图而言，纵轴是向第一铁磁性层1照射的光的强度，横轴是时间。就图8及图9下方的坐标图而言，纵轴是磁性元件10的z方向的电阻值，横轴是时间。在图8所示的例子中，在初始状态下，磁化M1的方向和磁化M2的方向一同成为+z方向。
在图8的情况下，当向第一铁磁性层1照射的光的强度变大时，第一铁磁性层1的磁化M1通过由光的照射产生的来自外部的能量而从初始状态开始倾斜。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的方向的角度都大于0°且小于90°。
当第一铁磁性层1的磁化M1从初始状态开始倾斜时，磁性元件10的z方向的电阻值发生变化。然后，来自磁性元件10的输出电压发生变化。例如，随着第一铁磁性层1的磁化M1的倾斜，磁性元件10的z方向的电阻值变化为第二电阻值R2、第三电阻值R3、第四电阻值R4，来自磁性元件10的输出电压变化为第二值、第三值、第四值。电阻值按照第一电阻值R1、第二电阻值R2、第三电阻值R3、第四电阻值R4的顺序变大。来自磁性元件10的输出电压按照第一值、第二值、第三值、第四值的顺序变大。
磁性元件10在向第一铁磁性层1照射的光的强度发生了变化时，来自磁性元件10的输出电压(磁性元件10的z方向的电阻值)发生变化。例如，当将第一值(第一电阻值R1)规定为“0”、将第二值(第二电阻值R2)规定为“1”、将第三值(第三电阻值R3)规定为“2”、将第四值(第四电阻值R4)规定为“3”时，能够从磁性元件10读出四个值的信息。在此，作为一例，表示出了读出四个值的情况，但通过来自磁性元件10的输出电压(磁性元件10的电阻值)的阈值的设定，能够自由地设计要读出的值的数量。另外，也可以直接利用磁性元件10的输出模拟值。
另外，图9的情况也同样，当向第一铁磁性层1照射的光的强度变大时，第一铁磁性层1的磁化M1的大小通过由光的照射产生的来自外部的能量而从初始状态开始变小。当第一铁磁性层1的磁化M1从初始状态开始变小时，磁性元件10的z方向的电阻值发生变化。而且，来自磁性元件10的输出电压发生变化。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方向的电阻值变化为第二电阻值R2、第三电阻值R3、第四电阻值R4，来自磁性元件10的输出电压变化为第二值、第三值、第四值。因此，与图8的情况同样，光检测元件100能够将这些输出电压(电阻值)的差异作为多个值或模拟数据而读出。
另外，在第二动作例的情况下，也与第一动作例的情况同样，当向第一铁磁性层1照射的光的强度返回到第一强度时，第一铁磁性层1的磁化M1的状态返回到初始状态。根据第二动作例，光检测元件100能够用作将光的强度作为多个值或模拟数据来检测的元件，不仅能够应用于光通信***，还能够应用于图像传感器等光传感装置。
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，但即使在第二动作例中，在初始状态下磁化M1和磁化M2也可以为反平行。
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，在初始状态下第一铁磁性层1是磁化M1在xy平面的任一方向上取向的面内磁化膜，且第二铁磁性层2是磁化M2在z方向上取向的垂直磁化膜的情况相当于这种情况。通过磁各向异性，磁化M1在xy面内的任一方向上取向，且磁化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10及图11是用于对第一实施方式的磁性元件10的第二动作例的另一例进行说明的图。在图10及图11中，仅提取磁性元件10中的第一铁磁性层1、第二铁磁性层2及间隔层3进行图示。图10和图11的施加于磁性元件10的感应电流Is的流动方向不同。图10使感应电流Is从第一铁磁性层1向第二铁磁性层2流动。图11使感应电流Is从第二铁磁性层2向第一铁磁性层1流动。
在图10及图11中的任一种情况下，都通过在磁性元件10中流过感应电流Is，在初始状态下使自旋转移力矩作用于磁化M1。在图10的情况下，自旋转移力矩以磁化M1与第二铁磁性层2的磁化M2变成平行的方式发挥作用。在图11的情况下，自旋转移力矩以磁化M1与第二铁磁性层2的磁化M2变成反平行的方式发挥作用。在图10及图11中的任一种情况下，都因为在初始状态下对磁化M1的由磁各向异性产生的作用大于由自旋转移力矩产生的作用，所以磁化M1朝向xy面内的任一方向。
当向第一铁磁性层1照射的光的强度变大时，第一铁磁性层1的磁化M1通过由光的照射产生的来自外部的能量而从初始状态开始倾斜。这是因为，施加于磁化M1的由光的照射产生的作用和由自旋转移力矩产生的作用之和大于磁化M1的由磁各向异性产生的作用。当向第一铁磁性层1照射的光的强度变大时，在图10的情况下，磁化M1以与第二铁磁性层2的磁化M2平行的方式倾斜，在图11的情况下，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的自旋转移力矩的方向不同，所以图10和图11中的磁化M1的倾斜方向不同。
当向第一铁磁性层1照射的光的强度变大时，在图10的情况下，磁性元件10的电阻值变小，来自磁性元件10的输出电压变小。在图11的情况下，磁性元件10的电阻值变大，来自磁性元件10的输出电压变大。
当向第一铁磁性层1照射的光的强度返回到第一强度时，第一铁磁性层1的磁化M1的状态通过对磁化M1的由磁各向异性产生的作用而返回到初始状态。
在此，举出第一铁磁性层1是面内磁化膜，且第二铁磁性层2是垂直磁化膜的例子进行了说明，但该关系也可以颠倒。即，在初始状态下，磁化M1也可以在z方向上取向，磁化M2也可以在xy面内的任一方向上取向。
磁性元件10可将具有强度变化的光置换为电信号。电信号例如从外部电极53、54输出到外部。电信号例如是来自磁性元件10的输出电压。
第一实施方式的光检测元件100通过将在光波导20中传播且照射到磁性元件10的光置换为来自磁性元件10的输出电压，能够将光置换为电信号。
另外，第一铁磁性层1的体积越小，第一铁磁性层1的磁化M1越容易相对于光的照射发生变化。即，第一铁磁性层1的体积越小，第一铁磁性层1的磁化M1越容易通过光的照射而倾斜，或者，越容易通过光的照射而变小。换句话说，当减小第一铁磁性层1的体积时，即使是微小光量的光，也能够使磁化M1发生变化。
更准确地说，磁化M1的易变化度由第一铁磁性层1的磁各向异性(Ku)和体积(V)的乘积積(KuV)的大小来决定。KuV越小，即使是更微小的光量，磁化M1也会发生变化，KuV越大，如果不是更大的光量，磁化M1就不会发生变化。即，根据在应用中使用的从外部照射的光的光量，来设计第一铁磁性层1的KuV。在假设极微量的超微小光量、光子检测那样的检测的情况下，通过减小第一铁磁性层1的KuV，能够检测这些微小光量的光。因为在现有pn结的半导体中不易减小元件尺寸，所以这种微小光量的光的检测具有很大的优点。即，为了减小KuV，需要减小第一铁磁性层1的体积，即，通过减小元件面积，或者减薄第一铁磁性层1的膜厚，也能够进行光子检测。
另外，第一实施方式的光检测元件100不管所照射的光的波长范围如何，都能够检测光。利用了pn结的半导体光电检测器根据所照射的光的波长，使用不同的适宜的半导体材料。例如，在波长为1.3μm以上且1.5μm以下的近红外光的检测中使用InGaAs等。另外，例如，在波长为400nm以上且800nm以下的可见光的检测中使用硅。与此相对，第一实施方式的光检测元件100不管可见光、近红外光等光的波长如何，都能够高灵敏度地检测光。
第一实施方式的光检测元件100的传播光的光波导20和将光转换为电信号的磁性元件10形成于同一基板30，能够一并形成。另外，第一实施方式的光检测元件100可作为封装化后的一个电子部件来处理。
“第二实施方式”
图12是第二实施方式的光检测元件101的立体图。图13及图14是第二实施方式的光检测元件101的截面图。图13是穿过芯21A的宽度方向中央的xz截面。图14是穿过磁性元件10的中央的yz截面。
光检测元件101例如具有磁性元件10、第一电极11A、第二电极12A、光波导20A、基板30、绝缘层40。在光波导20A中传播的光向磁性元件10照射。在第二实施方式的光检测元件101中，关于与第一实施方式的光检测元件100同样的结构，标注同样的符号，省略说明。
在光波导20A中传播从光源射出的光。在光波导20A中传播的光与在第一实施方式的光波导20中传播的光是同样的。
光波导20A至少由芯21A和包层25形成。芯21A的至少一部分由包层25包覆。构成芯21A的材料与第一实施方式的芯21同样。
芯21A与基板30相接。例如，芯21A的下表面与基板30相接。光由基板30和芯21A的边界面反射，基板30构成包层25的一部分。基板30的折射率小于芯21A的折射率。
芯21A例如具备主部22和第一部分23A。第一部分23A与主部22连接。光波导20A具有倾斜反射面24A。倾斜反射面24A是芯21A的一部分即第一部分23A和包层25的边界面的一部分。倾斜反射面24A与磁性元件10的层叠方向及上述的第一方向交叉。在主部22中传播并由倾斜反射面24A反射的光从第二电极12A侧向磁性元件10照射。照射到磁性元件10的光透过构成磁性元件10的各层而向第一铁磁性层1照射。倾斜反射面24A的z方向(磁性元件10的层叠方向)的位置与磁性元件10在z方向上的位置不同。在从磁性元件10的层叠方向观察时，倾斜反射面24A例如位于与磁性元件10重叠的位置。例如，倾斜反射面24A在z方向上的位置比磁性元件10更靠下方。
磁性元件10及光波导20A例如位于基板30上。倾斜反射面24A在z方向上的位置为磁性元件10在z方向上的位置和基板30在z方向上的位置之间。例如，倾斜反射面24A的至少一部分被磁性元件10和基板30在z方向上夹持。磁性元件10位于被在光波导20A中传播的光照射的位置(被由倾斜反射面24A反射的光照射的位置)，例如，位于倾斜反射面24A的上方。
第一电极11A及第二电极12A各自例如与磁性元件10电连接。第一电极11A与通孔配线51连接。第二电极12A与通孔配线52连接。第二电极12A的至少一部分被磁性元件10和第一部分23A夹持。另外，第二电极12例如与芯21A的第一部分23A相接。第二电极12A的结构与第一实施方式的第一电极11的结构同样。第一电极11A的结构与第一实施方式的第二电极12的结构同样。在第二电极12A与芯21A相接的情况下，第二电极12A和芯21A的折射率差的绝对值优选比芯21A和包层25的折射率差的绝对值小。当满足上述的折射率差的条件时，能够抑制芯21A和第二电极12A的边界面上的在芯21A中传播的光的反射，能够向磁性元件10照射很多在芯21A中传播的光。第二电极12A的折射率可以比芯21A的折射率小，第二电极12A的折射率也可以比芯21A的折射率大，第二电极12A的折射率还可以与芯21A的折射率相同。
接着，对光检测元件101的制造方法进行说明。首先，在基板30上形成成为芯21A的层。例如，在蓝宝石单晶基板上使铌酸锂进行晶体生长。接着，通过光刻及蚀刻将成膜后的层加工成规定的形状，形成芯21A。
接着，在芯21A的第一部分23A上形成依次层叠第二电极12A、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、垂直磁化感应层7、盖层8而成的层叠膜。然后，对层叠膜进行退火，之后将其加工成规定的柱状体，制作磁性元件10。其后，在盖层8上制作第一电极11A。不管构成基底的材料如何，都能够制作磁性元件10，且不经由粘接层等而能够形成在芯21A的一部分即第一部分23A上。
接着，以覆盖芯21A的方式形成包层25。接着，以包覆磁性元件10的方式形成绝缘层40。接着，在绝缘层40上形成贯通孔，且用导电体填充内部，由此形成通孔配线51、52，得到光检测元件101。
另外，图15是第二实施方式的变形例的磁性元件10A的截面图。磁性元件10A能够置换为上述光检测元件101的磁性元件10。这时，磁性元件10A以第一电极11比第二电极12更靠第一部分23A侧的方式配置，第一电极11的至少一部分被磁性元件10A和第一部分23A夹持。从第一电极11侧向磁性元件10A照射由倾斜反射面24A反射的光。在该情况下，第一电极11例如与芯21A的第一部分23A相接。在第一电极11与芯21A相接的情况下，第一电极11和芯21A的折射率差的绝对值优选比芯21A和包层25的折射率差的绝对值小。第一电极11的折射率可以比芯21A的折射率小，第一电极11的折射率也可以比芯21A的折射率大，第一电极11的折射率还可以与芯21A的折射率相同。
磁性元件10A至少具有第一铁磁性层1、第二铁磁性层2、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10A除了具有这些层以外，例如，还具有第三铁磁性层4、磁耦合层5、基底层6、垂直磁化感应层7、盖层8、籽晶层9A、缓冲层9B。
磁性元件10A的盖层8、垂直磁化感应层7、第一铁磁性层1、间隔层3、第二铁磁性层2、磁耦合层5、第三铁磁性层4的层叠顺序与磁性元件10的层叠顺序相反。磁性元件10A与磁性元件10不同，基底层6位于盖层8和第一电极11之间，在第一电极11和第二电极12之间从第一电极层11侧起依次层叠有基底层6、盖层8、垂直磁化感应层7、第一铁磁性层1、间隔层3、第二铁磁性层2、磁耦合层5、第三铁磁性层4、籽晶层9A及缓冲层9B。作为籽晶层9A及缓冲层9B两者，可使用分别与基底层6的籽晶层和缓冲层同样的材料。
光检测元件101的动作与光检测元件100同样。第二实施方式的光检测元件101通过将在光波导20A中传播且照射到磁性元件10的光置换为来自磁性元件10的输出电压，能够将光置换为电信号。第二实施方式的光检测元件101可实现与第一实施方式的光检测元件100同样的效果。
“第三实施方式”
图16是第三实施方式的光检测元件102的立体图。图17及图18是第三实施方式的光检测元件102的截面图。图17是穿过芯21B的宽度方向中央的xz截面。图18是穿过磁性元件10的中央的yz截面。
光检测元件102例如具有磁性元件10、第一电极11B、第二电极12B、光波导20B、基板30、绝缘层40。在第三实施方式的光检测元件102中，关于与第一实施方式的光检测元件100同样的结构，标注同样的符号，省略说明。
在光波导20B中传播从光源射出的光。在光波导20B中传播的光与在第一实施方式的光波导20中传播的光同样。
光波导20B至少由芯21B和包层25形成。构成芯21B的材料与第一实施方式的芯21同样。芯21B例如具备主部22B和第一部分23B。光波导20B具有倾斜反射面24B。第一部分23B与主部22B连接。
磁性元件10及光波导20B都形成在基板30上。基板30具有在厚度方向上相对的第一面31和第二面32。光波导20B位于基板30的第一面31侧。磁性元件10位于基板30的第二面32侧，光波导20B的芯21B与基板30相接。例如，芯21B的下表面与基板30相接。光由基板30和芯21B的边界面反射，基板30构成包层25的一部分。基板30的折射率比芯21B的折射率小。
基板30在z方向上的位置为光波导20的倾斜反射面24B在z方向上的位置和磁性元件10在z方向上的位置之间。例如，基板30的一部分被倾斜反射面24B和磁性元件10在z方向上夹持。磁性元件10位于被在光波导20B中传播的光照射的位置(被由倾斜反射面24反射的光照射的位置)，例如，位于倾斜反射面24B的下方。倾斜反射面24B的z方向(磁性元件10的层叠方向)的位置与磁性元件10在z方向上的位置不同。在从磁性元件10的层叠方向观察时，倾斜反射面24B例如位于与磁性元件10重叠的位置。在光波导20B中传播的光由倾斜反射面24B反射，透过基板30，从第二电极12B侧照射到磁性元件10上。照射到磁性元件10的光透过构成磁性元件10的各层而向第一铁磁性层1照射。
第一电极11B及第二电极12B各自例如与磁性元件10电连接。第一电极11B与通孔配线51连接。第二电极12B与通孔配线52连接。第二电极12B的至少一部分被磁性元件10和第一部分23B夹持。第二电极12B的结构与第一实施方式的第一电极11的结构同样。第一电极11B的结构与第一实施方式的第二电极12的结构同样。
接着，对光检测元件102的制造方法进行说明。首先，在基板30的第一面31上形成成为芯21B的层。例如，在蓝宝石单晶基板上使铌酸锂进行晶体生长。接着，通过光刻及蚀刻将成膜后的层加工成规定的形状，形成芯21B。接着，以覆盖芯21B的方式形成包层25。
接着，在基板30的第二面32上形成依次层叠第二电极12B、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、垂直磁化感应层7、盖层8而成的层叠膜。然后，对层叠膜进行退火，之后将其加工成规定的柱状体，制作磁性元件10。其后，在盖层8上制作第一电极11B。
接着，以包覆磁性元件10的方式形成绝缘层40。接着，在绝缘层40上形成贯通孔，用导电体填充内部，由此形成通孔配线51、52，得到光检测元件102。在第三实施方式中，也能够将磁性元件10置换为图15所示的磁性元件10A。这时，磁性元件10A以第一电极11比第二电极12更靠第一部分23B侧的方式配置，第一电极11的至少一部分被磁性元件10A和第一部分23B夹持。从第一电极11侧向磁性元件10A照射由倾斜反射面24B反射的光。在该情况下，第一电极11例如与芯21B的第一部分23B相接。在第一电极11与芯21B相接的情况下，第一电极11和芯21B的折射率差的绝对值优选比芯21B和包层25的折射率差的绝对值小。第一电极11的折射率可以比芯21B的折射率小，第一电极11的折射率也可以比芯21B的折射率大，第一电极11的折射率还可以与芯21B的折射率相同。
光检测元件102的动作与光检测元件100同样。第三实施方式的光检测元件102通过将在光波导20中传播且照射到磁性元件10的光置换为来自磁性元件10的输出电压，能够将光置换为电信号。第三实施方式的光检测元件102可实现与第一实施方式的光检测元件100同样的效果。
另外，图19是第三实施方式的光检测元件102的变形例的截面图。变形例的光检测元件102A在包层25的一部分位于芯21和基板30之间这方面与光检测元件102不同。如变形例所示的光检测元件102A所示，基板30也可以不构成包层25的一部分，芯21也可以不与基板30直接相接。
“第四实施方式”
图20是第四实施方式的光检测元件103的立体图。图21是第四实施方式的光检测元件103的截面图。图21是穿过芯61的宽度方向中央的xz截面。
光检测元件103例如具有磁性元件10、光波导60、基板30、绝缘层40。在光波导60中传播的光向磁性元件10照射。在第四实施方式的光检测元件103中，关于与第一实施方式的光检测元件100同样的结构，标注同样的符号，省略说明。
在光波导60中传播从光源射出的光。在光波导60中传播的光与在第一实施方式的光波导20中传播的光同样。
光波导60至少由芯61和包层65形成。芯61的至少一部分由包层65包覆。构成芯61的材料与第一实施方式的芯21同样。构成包层65的材料与第一实施方式的包层25同样。
芯61例如具备主部62和第二部分63。主部62例如沿x方向延伸。芯61的y方向的宽度与芯21同等。芯61的主部62的z方向的厚度与芯21的主部22同等。
第二部分63与主部62连接。第二部分63与主部62的光的入射端相反侧的端部连接。光从主部62向第二部分63传播。第二部分63以第一方向为基准向朝向磁性元件10的方向弯曲。第二部分63例如从在x方向上延伸的主部62向磁性元件10弯曲。
在第二部分63中传播的光向磁性元件10照射。第二部分63的z方向(磁性元件10的层叠方向)的位置与磁性元件10在z方向上的位置不同。在从磁性元件10的层叠方向观察时，第二部分63的至少一部分例如位于与磁性元件10重叠的位置。例如，第二部分63在z方向上的位置比磁性元件10更靠上方。向磁性元件10照射在光波导60中传播的光。在第一电极11与芯61相接的情况下，第一电极11和芯61的折射率差的绝对值优选比芯61和包层65的折射率差的绝对值小。当满足该折射率差的条件时，能够抑制芯61和第一电极11的边界面上的在芯61中传播的光的反射，能够向磁性元件10照射很多在芯61中传播的光。在该情况下，第一电极11的折射率可以小于也可以大于芯61的折射率，第一电极11的折射率也可以与芯21的折射率相同。
磁性元件10及光波导60例如位于基板30上。磁性元件10在z方向上的位置为第二部分63在z方向上的位置和基板30在z方向上的位置之间。例如，磁性元件10被基板30和第二部分63在z方向上夹持。
光检测元件103可按照与光检测元件100同样的顺序来制作。光检测元件103通过在光波导60中传播的光照射到磁性元件10上来动作。在光波导60中传播的光是具有强度变化的光，例如，包含具有光强度变化的光信号。在芯61中传播的光在第二部分63中传播，且向磁性元件10照射。磁性元件10将光转换为电信号。磁性元件10将光转换为电信号的动作与第一实施方式的光检测元件100同样。
第四实施方式的光检测元件103通过将在光波导60中传播且照射到磁性元件10的光置换为来自磁性元件10的输出电压，能够将光置换为电信号。第四实施方式的光检测元件103可实现与第一实施方式的光检测元件100同样的效果。
另外，在第四实施方式中，磁性元件10、光波导60、基板30的位置关系不限于图20的结构。
例如，也可以像第二实施方式的光检测元件101那样，光波导60的第二部分63位于基板30和磁性元件10之间。在该情况下，磁性元件10及光波导60都位于基板30上。第二部分63在z方向上的位置也可以为磁性元件10在z方向上的位置和基板30在z方向上的位置之间。例如，第二部分63的至少一部分被磁性元件10和基板30在z方向上夹持。磁性元件10位于被在光波导60中传播的光照射的位置，例如，z方向上的位置也可以为第二部分63的上方。
另外，例如，也可以像第三实施方式的光检测元件102那样，光波导60和磁性元件10形成于基板30的不同的面。例如，也可以是光波导60位于基板30的第一面31侧，磁性元件10位于基板30的第二面32侧。
基板30在z方向上的位置也可以为第二部分63在z方向上的位置和磁性元件10在z方向上的位置之间。例如，基板30的一部分也可以被第二部分63和磁性元件10在z方向上夹持。磁性元件10位于被在光波导60中传播的光照射的位置，例如，z方向上的位置也可以为第二部分63的下方。在该情况下，在光波导60的第二部分63中传播的光透过基板30，向磁性元件10照射。
“第五实施方式”
图22是第五实施方式的光检测元件104的立体图。图23是第五实施方式的光检测元件104的截面图。图23是穿过芯71的宽度方向中央的xz截面。
光检测元件104例如具有磁性元件10、光波导70、基板30、绝缘层40。在光波导70中传播的光向磁性元件10照射。在第五实施方式的光检测元件104中，关于与第一实施方式的光检测元件100同样的结构，标注同样的符号，省略说明。
在光波导70中传播从光源射出的光。在光波导70中传播的光与在第一实施方式的光波导20中传播的光同样。
光波导70至少由芯71和包层75形成。芯71的至少一部分由包层75包覆。构成芯71的材料与第一实施方式的芯21同样。构成包层75的材料与第一实施方式的包层25同样。芯71的y方向的宽度、z方向的厚度与芯21同等。
在光波导70中传播的光向磁性元件10照射。例如在从磁性元件10的层叠方向观察时，芯71的一部分位于与磁性元件10重叠的位置。第一电极11与芯71相接，第一电极11和芯71的折射率差的绝对值比芯71和包层75的折射率差的绝对值小。其结果是，能够抑制芯71和第一电极11的边界面上的在芯71中传播的光的反射，在芯71中传播的光从第一电极11和芯71的边界面向磁性元件10照射。第一电极11的折射率可以小于也可以大于芯71的折射率，第一电极11的折射率也可以与芯71的折射率相同。
磁性元件10及光波导70例如位于基板30上。磁性元件10在z方向上的位置为光波导70的至少一部分在z方向上的位置和基板30在z方向上的位置之间。例如，磁性元件10被基板30和光波导70在z方向上夹持。
光检测元件104可按照与光检测元件100同样的顺序来制作。光检测元件104通过在光波导70中传播的光向磁性元件10照射而动作。在光波导70中传播的光是具有强度变化的光，例如，包含具有光强度变化的光信号。磁性元件10将光转换为电信号。磁性元件10将光转换为电信号的动作与第一实施方式的光检测元件100同样。
第五实施方式的光检测元件104通过将在光波导70中传播且照射到磁性元件10的光置换为来自磁性元件10的输出电压，能够将光置换为电信号。第五实施方式的光检测元件104可实现与第一实施方式的光检测元件100同样的效果。
另外，在第五实施方式中，磁性元件10、光波导70、基板30的位置关系不限于图22的结构。
例如，也可以像第二实施方式的光检测元件101那样，光波导70位于基板30和磁性元件10之间。光波导70的至少一部分在z方向上的位置为磁性元件10在z方向上的位置和基板30在z方向上的位置之间。在该情况下，例如，光波导70的一部分被磁性元件10和基板30在z方向上夹持。
另外，例如，也可以像第三实施方式的光检测元件102那样，光波导70和磁性元件10形成于基板30的不同的面。例如，也可以是光波导70位于基板30的第一面31侧，且磁性元件10位于基板30的第二面32侧。光波导70的芯71可以与基板30相接，也可以不相接。
基板30在z方向上的位置也可以为光波导70的至少一部分在z方向上的位置和磁性元件10的z方向的高度位置之间。例如，基板30的一部分也可以被光波导70和磁性元件10在z方向上夹持。
以上，本发明不限定于上述实施方式及变形例，可在权利要求书所述的本发明宗旨的范围内，进行种种变形、变更。
例如，图24是第一变形例的光检测元件110的截面图。图24是穿过磁性元件10的中央的yz截面。光检测元件110在具有通孔配线55、56及外部电极57、58，且外部电极54、58与基准电位(例如接地)连接这方面与光检测元件100不同。基准电位可以是接地，也可以是接地以外的情况。
通孔配线55将第一电极11和外部电极57连接。通孔配线56将第二电极12和外部电极58连接。
通孔配线55及外部电极57与第一电极11连接、通孔配线56及外部电极58与第二电极12连接、外部电极54、58与基准电位连接的结构也可以应用于第二实施方式至第五实施方式各者。
另外，例如，图25是第二变形例的光检测元件111的截面图。图25是穿过磁性元件10的中央的yz截面。如图25所示，也可以在基板30上形成有包含晶体管Tr等的集成电路。例如，通孔配线52也可以与晶体管Tr连接。集成电路例如与磁性元件10电连接，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”)，且将低于阈值的情况作为第二信号(例如“0”)进行处理。
在基板30上形成有集成电路的结构也可以应用于第二实施方式至第五实施方式各者。
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装置、通信***的收发装置等。
附图标记说明
1……第一铁磁性层；2……第二铁磁性层；3……间隔层；4……第三铁磁性层；5……磁耦合层；6……基底层；7……垂直磁化感应层；8……盖层；10……磁性元件；11……第一电极；12……第二电极；20、20A……光波导；21、21A、61、71……芯；22、62……主部；23、23A……第一部分；24、24A……倾斜反射面；25、25A、65、75……包层；30……基板；31……第一面；32……第二面；40……绝缘层；51、52、55、56……通孔配线；53、54……外部电极；57、58……接地电极；60、70……光波导；63……第二部分；100、101、102、102A、103、104、110、111……光检测元件
Claims (11)
1.一种光检测元件，其中，
具备：磁性元件、和光波导，
所述磁性元件具有：第一铁磁性层、第二铁磁性层、被所述第一铁磁性层、和所述第二铁磁性层夹持的间隔层，
所述光波导至少由芯和包覆所述芯的至少一部分的包层形成，
在所述光波导中传播的光向所述磁性元件照射。
2.根据权利要求1所述的光检测元件，其中，
所述芯具备：沿与所述磁性元件的层叠方向交叉的第一方向延伸的主部、和与所述主部连接的第一部分，
所述光波导具有：倾斜反射面，该倾斜反射面是：作为所述芯的一部分的所述第一部分、与所述包层的边界面的一部分，并且该倾斜反射面与所述层叠方向及所述第一方向交叉，
由所述倾斜反射面反射的所述光向所述磁性元件照射。
3.根据权利要求2所述的光检测元件，其中，
所述倾斜反射面在所述层叠方向上的位置，与所述磁性元件在所述层叠方向上的位置不同。
4.根据权利要求2或3所述的光检测元件，其中，
还具备：基板，
所述磁性元件及所述光波导处于所述基板上，
所述磁性元件在所述基板的面垂直方向上的位置，为所述倾斜反射面在所述面垂直方向上的位置和所述基板在所述面垂直方向上的位置之间。
5.根据权利要求2或3所述的光检测元件，其中，
还具备：基板，
所述磁性元件及所述光波导处于所述基板上，
所述倾斜反射面在所述基板的面垂直方向上的位置，为所述磁性元件在所述面垂直方向上的位置和所述基板在所述面垂直方向上的位置之间。
6.根据权利要求2或3所述的光检测元件，其中，
还具备：基板，
所述基板具有在厚度方向上相对的第一面和第二面，
所述光波导处于所述第一面侧，
所述磁性元件处于所述第二面侧。
7.根据权利要求5所述的光检测元件，其中，
所述基板与所述芯相接。
8.根据权利要求6所述的光检测元件，其中，
所述基板与所述芯相接。
9.根据权利要求1所述的光检测元件，其中，
所述芯具备：沿与所述磁性元件的层叠方向交叉的第一方向延伸的主部、和与所述主部连接的第二部分，
所述第二部分以所述第一方向为基准向朝向所述磁性元件的方向弯曲，
在所述第二部分中传播的所述光向所述磁性元件照射。
10.根据权利要求9所述的光检测元件，其中，
所述第二部分在所述层叠方向上的位置，与所述磁性元件在所述层叠方向上的位置不同。
11.根据权利要求1所述的光检测元件，其中，
还具备：电极，
所述电极与所述磁性元件电连接，且与所述芯相接，
所述芯和所述电极的折射率差的绝对值，比所述芯和所述包层的折射率差的绝对值小。
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