CN116907639A - 光探测元件及接收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供考虑了实际使用的新的光探测元件及接收装置。该光探测元件具备磁性元件、电容器以及电阻，所述磁性元件和所述电容器串联连接，所述电阻相对于所述磁性元件和所述电容器并联连接，所述磁性元件具备第一铁磁性层、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，向所述磁性元件照射包含具有光强度变化的光信号的光。
Description
技术领域
本发明涉及光探测元件及接收装置。
背景技术
随着因特网的普及，通信量飞跃性地增大，光通信的重要性非常高。光通信是将电信号转换为光信号并使用光信号进行收发的通信单元。
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。光电二极管是例如使用半导体的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
使用半导体的pn结的光探测元件被广泛利用，但为了进一步的发展，要求新的突破。另外，要求考虑了新的光探测元件的实际使用的结构的探讨。
本发明鉴于上述问题而完成，其目的在于，提供考虑了实际使用的新的光探测元件及接收装置。
为了解决上述技术问题，提供以下的技术手段。
(1)第一方式所涉及的光探测元件，具备磁性元件、电容器以及电阻，所述磁性元件和所述电容器串联连接，所述电阻相对于所述磁性元件和所述电容器并联连接，所述磁性元件具备第一铁磁性层、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，向所述磁性元件照射包含具有光强度变化的光信号的光。
(2)也可以是，上述方式的光探测元件还具备第一电极层和第一电介质，所述磁性元件具有在所述磁性元件的层叠方向上相对的第一面和第二面，所述第一电极层与所述第一面电连接，在所述第一电极层具有填充有所述第一电介质的狭缝，所述第一电介质和所述第一电极层构成所述电容器的至少一部分。
(3)也可以是，上述方式的光探测元件还具备第一连接通孔和第二电极层，所述电阻从所述第一电极层分支并在连接部与所述第一电极层连接，所述电阻位于所述第一电极层的所述连接部和所述第一连接通孔之间，所述狭缝位于所述磁性元件和所述连接部之间，所述第二电极层与所述第二面及所述第一连接通孔电连接，且经由所述第一连接通孔和所述电阻与所述第一电极层电连接。
(4)在上述方式的光探测元件中，也可以是，从所述第一面侧向所述磁性元件照射所述光。
(5)也可以是，上述方式的光探测元件还具备第三电极层和第二电介质，所述磁性元件具有在所述磁性元件的层叠方向上相对的第一面和第二面，在所述磁性元件的层叠方向上，所述第二电介质的位置位于所述第三电极层和所述第二面之间，所述第二电介质和所述第三电极层构成所述电容器的至少一部分。
(6)也可以是，上述方式的光探测元件还具备第二连接通孔和第四电极层，所述电阻从所述第三电极层分支并在连接部与所述第三电极层连接，所述电阻位于所述连接部和所述第二连接通孔之间，所述第四电极层与所述第一面及所述第二连接通孔电连接，且经由所述第二连接通孔和所述电阻与所述第三电极层电连接。
(7)在上述方式的光探测元件中，也可以是，从所述第一面侧向所述磁性元件照射所述光。
(8)第二方式所涉及的光探测元件，具备磁性元件、电阻以及电感器，所述磁性元件和所述电阻串联连接，所述电感器相对于所述磁性元件和所述电阻并联连接，所述磁性元件具备第一铁磁性层、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，向所述磁性元件照射包含具有光强度变化的光信号的光。
(9)第三方式所涉及的接收装置，具备磁性元件和电路，所述磁性元件具备第一铁磁性层、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，向所述磁性元件照射包含具有光强度变化的光信号的光，所述电路与所述磁性元件连接，输出与通过所述光信号而从所述磁性元件输出的输出电压的每个时间的变化量对应的大小的电压，基于从所述电路输出的电压接收所述光信号。
(10)在上述方式的接收装置中，也可以是，所述电路具备与所述磁性元件串联连接的电容器、相对于所述磁性元件和所述电容器并联连接的电阻。
(11)在上述方式的接收装置中，也可以是，所述电路具备与所述磁性元件串联连接的电阻、相对于所述磁性元件和所述电阻并联连接的电感器。
上述方式的光探测元件及接收装置具有能够以新的原理探测光的强度变化且还考虑了实际使用的结构。
附图说明
图1是第一实施方式的接收装置的框图。
图2是第一实施方式的光探测元件的电路图。
图3是第一实施方式的光探测元件的特征部分的俯视图。
图4是第一实施方式的光探测元件的特征部分的截面图。
图5是第一实施方式的光探测元件的特征部分的截面图。
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一动作例的第二机制进行说明的图。
图8是表示输入到CR电路的输入电压和来自CR电路的输出电压的时间变化的图。
图9表示向第一实施方式的电路的输入电压的时间变化和来自第一实施方式的光探测元件的输出电压的时间变化的关系。
图10是用于对第一实施方式的磁性元件的第二动作例进行说明的图。
图11是第一实施方式的绝对值电路的一个例子。
图12是第二实施方式的光探测元件的特征部分的俯视图。
图13是第二实施方式的光探测元件的特征部分的截面图。
图14是第二实施方式的光探测元件的特征部分的截面图。
图15是变形例的光探测元件的电路图。
图16是第三实施方式的光探测元件的电路图。
图17是第三实施方式的光探测元件的特征部分的俯视图。
图18是第三实施方式的光探测元件的特征部分的截面图。
图19是第三实施方式的光探测元件的特征部分的截面图。
图20是表示输入到RL电路的输入电压和来自RL电路的输出电压的时间变化的图。
图21是第一应用例的通信***的概念图。
图22是第一应用例的收发装置的框图。
图23是通信***的另一个例子的概念图。
图24是通信***的另一个例子的概念图。
符号的说明
1…第一铁磁性层、2…第二铁磁性层、3…间隔层、10…磁性元件、10A…第一面、10B…第二面、20、40…电路、21、41…第一电极层、21A、31A…连接部、22…第一电介质、23、33、43、R…电阻、24、34…连接电极、25、45…第一连接通孔、26…第二电极层、31…第三电极层、32…第二电介质、35…第二连接通孔、36…第四电极层、42…第一连接电极、44…第二连接电极、42A、44A…焊盘、70…绝对值电路、80…电源、81、L’…电感器、90…绝缘层、100、101、102、103…光探测元件、110…信号处理部、200…接收装置、210…发送装置、211…光源、212…电信号生成元件、213…光调制元件、300…收发装置、500…便携式终端装置、600…信息处理装置、1000、1001、1002…通信***、Am…运算放大器、C…电容器、E1…上部电极、E2…下部电极、FB…光纤、Is…感应电流、L…光、L1、L2…光信号、p1…第一端子、p2…第二端子、p3…第三端子、p4…第四端子。
具体实施方式
以下，适当参照图对实施方式进行详细的说明。在以下的说明中使用的附图中，为了容易理解特征，有时为了方便起见而将成为特征的部分放大表示，各结构要素的尺寸比率等有时与实际不同。以下的说明中例示的材料、尺寸等为一个例子，本发明不限于此，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方向为层叠方向的一个例子。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是第一实施方式的接收装置200的框图。接收装置200具备光探测元件100和信号处理部110。
光探测元件100将包含具有光强度变化的光信号的光转换为电信号。本说明书中的光不限于可见光线，还包含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。
信号处理部110处理从光探测元件100接收的电信号。信号处理部110例如具有信号接收部和处理器。信号接收部是信号处理部110的输入端子。信号接收部也可以具备将输入到输入端子的信号放大的放大器。处理器例如是CPU(Central Processing Unit(中央处理器))。信号处理部110也可以具有保存处理后的数据的存储器。由信号处理部110处理的数据向外部输出。
图2是第一实施方式的光探测元件100的电路图。光探测元件100例如具备磁性元件10、电路20、第一端子p1以及第二端子p2。如果向磁性元件10照射包含具有光强度变化的光信号的光L，则光探测元件100输出电信号。光L包含具有光强度变化的光信号。光L具有强度变化。
第一端子p1是与磁性元件10的连接端子。在第一端子p1连接有电源80。电源80能够使用公知的电源。电源80例如也可以是能够产生恒定的直流电流的直流电流源。电源80也可以是产生的直流电流值的大小能够变化的直流电流源。电源80向磁性元件10施加感应电流Is。另外，也可以在电源80和磁性元件10之间设置电感器81。对于电感器81，能够使用片式电感器、基于图案线路的电感器、具有电感分量的电阻元件等。在不需要使电流从外部向磁性元件10流通的情况下，也可以没有第一端子P1及电源80。
第二端子p2是光探测元件100的输出端子。光探测元件100从第二端子p2输出电信号。第二端子p2将电路20和信号处理部110连接。由光探测元件100探测到的光信号被转换为电信号，从第二端子p2向信号处理部110发送。
磁性元件10的下述的下部电极E2侧与基准电位连接。电路20的下述的电阻R与基准电位连接。图2中的基准电位为地线。地线也可以设置于光探测元件100的外部。基准电位也可以是地线以外。
电路20是输出与通过包含光信号的光L的照射而从磁性元件10输出的输出电压的每个时间的变化量对应的大小的电压的电路。向电路20输入的输入电压与通过包含光信号的光L的照射从磁性元件10输出的输出电压对应。与从磁性元件10输出的输出电压的每个时间的变化量对应的大小的电压例如与将时间设为横轴，将从磁性元件10输出的输出电压设为纵轴的图的倾斜度对应。电路20例如是输出与对输入到电路20的输入电压进行时间微分所得的值对应的电压的微分电路。
电路20例如是如图2所示包含电容器C和电阻R的CR电路。CR电路通过调整电容器C的电容和电阻R的电阻值，与微分电路大致同样地输出与向CR电路输入的输入电压的每个时间的变化量对应的大小的电压。电容器C在基准电位和第二端子p2之间与磁性元件10串联连接。电阻R在基准电位和第二端子p2之间相对于串联连接的磁性元件10和电容器C并联连接。以包含磁性元件10、电容器C及电阻R的路径观察时，磁性元件10、电容器C及电阻R依次串联连接。
图3是第一实施方式的光探测元件100的特征部分的俯视图。在图3中，省略下述的绝缘层90、下部电极E2等的一部分结构。图4及图5是第一实施方式的光探测元件100的特征部分的截面图。图4是沿着图3的A－A线切断的截面图。图5是沿着图3的B－B线切断的截面图。
光探测元件100例如具备磁性元件10、上部电极E1、下部电极E2、第一电极层21、第一电介质22、电阻23、连接电极24、第一连接通孔25、第二电极层26、以及绝缘层90。
磁性元件10如果被照射的光L的强度变化，则z方向的电阻值根据光L的强度的变化而变化。如果磁性元件10的z方向的电阻值变化，则来自磁性元件10的输出电压变化。因此，如果向磁性元件10照射的光L的强度变化，则来自磁性元件10的输出电压根据光L的强度的变化而变化。磁性元件10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除了这些以外，还可以具有其它层。磁性元件10具有在z方向上相对的第一面10A和第二面10B。从间隔层3观察，第一面10A是磁性元件10的第一铁磁性层1侧的面，第二面10B是磁性元件10的第二铁磁性层2侧的面。
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如果被照射来自外部的光L，则电阻值变化。磁性元件10根据第一铁磁性层1的磁化的状态和第二铁磁性层2的磁化的状态的相对变化，z方向的电阻值(使电流沿z方向流通时的电阻值)变化。这样的元件也被称为磁阻效应元件。
第一铁磁性层1是当从外部照射光时磁化的状态变化的光探测层。第一铁磁性层1也被称为磁化自由层。磁化自由层是包含在施加了来自规定的外部的能量时磁化的状态变化的磁性体的层。来自规定的外部的能量例如是从外部照射的光、沿磁性元件10的层叠方向流通的电流、外部磁场。第一铁磁性层1的磁化根据照射的光的强度而状态变化。
第一铁磁性层1包含铁磁性体。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。一般而言，“铁磁性”包括“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也可以显示不是亚铁磁性的铁磁性。例如，CoFeB合金显示不是亚铁磁性的铁磁性。
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，也可以是在膜面垂直方向(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，则来自处于第一铁磁性层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的垂直磁各向异性提高。即，如果第一铁磁性层1的垂直磁各向异性高，则磁化M1要沿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，则来自处于第一铁磁性层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。
如果第一铁磁性层1的膜厚变薄，则作为铁磁性体的体积减小，如果变厚，则作为铁磁性体的体积变大。施加来自外部的能量时的第一铁磁性层1的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之积减小，则相对于光的反应性提高。从这样的观点来看，为了提高相对于光的反应，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***层设置在第一铁磁性层1内。即，也可以将沿z方向依次层叠有铁磁性层、***层、铁磁性层的层叠体作为第一铁磁性层1。由于***层和铁磁性层的界面上的界面磁各向异性而第一铁磁性层1整体的垂直磁各向异性提高。***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来自规定的外部的能量时磁化的状态比磁化自由层不易变化的磁性体构成的层。例如，磁化固定层在被施加来自规定的外部的能量时磁化的方向比磁化自由层不易变化。另外，例如，磁化固定层在被施加来自规定的外部的能量时磁化的大小比磁化自由层不易变化。第二铁磁性层2的矫顽力例如大于第一铁磁性层1的矫顽力。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。第二铁磁性层12的膜厚例如为1nm以上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交替层叠几次而成的多层膜。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依次层叠而成的层叠体。
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而固定。在该情况下，也有时将第二铁磁性层2、磁耦合层及第三铁磁性层合起来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的耦合，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之间的层。间隔层3由利用导电体、绝缘体或者半导体构成的层、或在绝缘体中包含利用导体构成的通电点的层构成。间隔层3的膜厚能够根据下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的磁化的取向方向进行调整。
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能够表现隧道磁阻(TMR：TunnelMagnetoresistance)效应。在间隔层3由金属构成的情况下，磁性元件10能够表现巨磁阻(GMR：Giant Magnetoresistance)效应。这样的元件被称为GMR元件。磁性元件10根据间隔层3的构成材料，称呼有时与MTJ元件、GMR元件等不同，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，能够将含有氧化铝、氧化镁、氧化钛或氧化硅等的材料用作间隔层3的材料。另外，在这些绝缘材料中也可以含有Al、B、Si、Mg等元素、或Co、Fe、Ni等磁性元素。调整间隔层3的膜厚以使在第一铁磁性层1和第二铁磁性层2之间表现高的TMR效应，由此，获得高的磁阻变化率。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。为了高效地利用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等非磁性的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。
磁性元件10除此以外还可以具有基底层、帽层、垂直磁化感应层等。基底层位于第二铁磁性层2和下部电极E2之间。基底层是籽晶层或缓冲层。
缓冲层是缓和不同的结晶间的晶格失配的层。缓冲层例如是包含选自Ta、Ti、Zr及Cr中的至少一种元素的金属或含有选自Ta、Ti、Zr及Cu中的至少一种元素的氮化物。更具体而言，缓冲层例如是Ta(单体)、NiCr合金、TaN(氮化钽)、CuN(氮化铜)。缓冲层的膜厚例如为1nm以上5nm以下。缓冲层例如为非晶质。缓冲层例如位于籽晶层和下部电极E2之间，与下部电极E2相接。缓冲层抑制下部电极E2的晶体结构影响到第二铁磁性层2的晶体结构。
籽晶层提高层叠在籽晶层上的层的结晶性。籽晶层例如位于缓冲层上。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。
帽层位于第一铁磁性层1和上部电极E1之间。帽层在工艺过程中防止向下层的损坏，并且在退火时提高下层的结晶性。帽层的膜厚例如为3nm以下，以向第一铁磁性层1照射足够的光。帽层例如是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是垂直磁化膜的情况下形成。垂直磁化感应层层叠于第一铁磁性层1上。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，氧化镁优选缺氧。垂直磁化感应层的膜厚例如为0.5nm以上2.0nm以下。
从第一面10A侧向磁性元件10照射光L。上部电极E1例如配置于磁性元件10的第一面10A侧。光L从上部电极E1侧向磁性元件10照射，至少向第一铁磁性层1照射。例如，上部电极E1与磁性元件10的第一面10A相接。上部电极E1与第一电极层21相接。上部电极E1和第一电极层21也可以一体化。上部电极E1经由第一端子p1与电源80连接。
上部电极E1由具有导电性的材料构成。上部电极E1例如是相对于使用波长频带的光具有透过性的透明电极。上部电极E1例如优选透过使用波长频带的光的80％以上。上部电极E1是例如氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、氧化锌(ZnO)、氧化铟镓锌(IGZO)等氧化物。上部电极E1也可以设为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。作为上部电极E1，不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，使照射的光到达第一铁磁性层1。在使用金属作为上部电极E1的材料的情况下，上部电极E1的膜厚例如为3～10nm。另外，上部电极E1也可以在被照射光的照射面具有反射防止膜。
下部电极E2隔着磁性元件10位于与上部电极E1相反侧。例如，下部电极E2与磁性元件10的第二面10B相接。下部电极E2与第二电极层26相接。如图4所示，下部电极E2也可以是第二电极层26的一部分。
下部电极E2由具有导电性的材料构成。下部电极E2由例如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以及Ti的层叠膜、Ta、Cu以及TaN的层叠膜。另外，也可以使用TiN或TaN作为下部电极E2。下部电极E2的膜厚例如为200nm～800nm。
下部电极E2也可以相对于向磁性元件10照射的光具有透过性。作为下部电极E2的材料，与上部电极E1同样，也可以使用例如氧化铟锡(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。在从上部电极E1照射光的情况下，也有时由于光的强度而光到达至下部电极E2，但在该情况下，通过下部电极E2包含氧化物的透明电极材料而构成，与下部电极E2由金属构成的情况相比，能够抑制下部电极E2和与其相接的层的界面上的光的反射。
第一电极层21与磁性元件10的第一面10A电连接。例如如图4所示，第一电极层21经由上部电极E1与第一面10A电连接。例如如图4、5所示，第一电极层21被配置为z方向上的位置成为比磁性元件10靠第一面10A侧(+z方向侧)。第一电极层21由具有导电性的材料构成。第一电极层21由例如Cu、Al或Au等金属构成。另外，第一电极层21是输出电路20的输出电压的电极，经由第二端子p2与信号处理部110连接。
第一电极层21具有狭缝SL。从z方向俯视时，狭缝SL的长边方向成为与将磁性元件10和第二端子p2相连的线段交叉的方向。狭缝SL的内部由第一电介质22填充。第一电介质22例如是Si、Al、Mg的氧化物、氮化物、氮氧化物。第一电介质22是例如氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、碳化硅(SiC)、氮化铬(CrN)、碳氮化硅(SiCN)、氮氧化硅(SiON)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrOx)等。
第一电介质22和第一电极层21构成图2所示的电容器C的至少一部分。夹着狭缝SL的第一电极层21与电容器C的极板对应，第一电介质22与极板间的电介质对应。例如，使用相对介电常数为3.8的氧化硅作为第一电介质22的材料，如果将第一电极层21的z方向的厚度设为0.8μm，将y方向的宽度设为5μm，将狭缝SL的x方向的宽度设为0.1μm，则能够将电容器C的电容值设为0.001pF。
第一电极层21例如在磁性元件10(上部电极1E)和第二端子p2之间具有连接部21A。连接部21A是在第一电极层21连接有电阻23的部分。连接部21A例如在从z方向俯视时，向与将磁性元件10和第二端子p2相连的线段交叉的方向突出地设置。狭缝SL例如位于磁性元件10和连接部21A之间。
电阻23构成图2的电阻R。电阻23从第一电极层21分支并在连接部21A与第一电极层21连接。电阻23位于第一电极层21的连接部21A和第一连接通孔25之间。电阻23例如将连接部21A和连接电极24连接，且与第一电极层21及第一连接通孔25电连接。电阻23能够根据求出的电阻值设计材料、截面积等。对于电阻23，能够将例如NiCr合金、Ta、Ti、TaN、Ta2N、TiN、ZrN、SnO2、CrSiO、RuO2等金属、金属氮化物或金属氧化物用作材料。例如，使用体积电阻率为1μΩm的NiCr合金作为电阻23的材料，如果将电阻23的z方向的厚度设为0.01μm，将x方向的宽度设为1μm，将y方向的长度设为10μm，则能够将电阻23的电阻值设为1000Ω。
连接电极24将电阻23和第一连接通孔25相连。也可以没有连接电极24，电阻23也可以与第一连接通孔25直接连接。对于连接电极24，能够使用与第一电极层21所例示的材料同样的材料。
第一连接通孔25沿z方向贯通绝缘层90。第一连接通孔25将电阻23和第二电极层26电连接。第一连接通孔25例如将连接电极24和第二电极层26连接。对于第一连接通孔25，能够使用与第一电极层21所例示的材料同样的材料。
第二电极层26与磁性元件10的第二面10B及第一连接通孔25电连接。例如如图4、5所示，第二电极层26被配置为z方向上的位置成为比磁性元件10靠第二面10B侧(－z方向侧)。第二电极层26经由第一连接通孔25和电阻23与第一电极层21电连接。第二电极层26与基准电位连接，例如接地。第二电极层26例如具有沿着xy面扩展的形状。对于第二电极层26，能够使用与第一电极层21所例示的材料同样的材料。
绝缘层90是将多层配线的配线间或元件间绝缘的绝缘体。绝缘层90覆盖磁性元件10的周围。绝缘层90例如是Si、Al、Mg的氧化物、氮化物、氮氧化物。绝缘层90是例如氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、碳化硅(SiC)、氮化铬(CrN)、碳氮化硅(SiCN)、氮氧化硅(SiON)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrOx)等。
接着，对第一实施方式的光探测元件100的动作进行说明。向磁性元件10的第一铁磁性层1照射包含具有光强度变化的光信号的光L。光L包含的光信号具有至少两个等级的强度。也可以在磁性元件10的层叠方向的第一铁磁性层1侧配置透镜，照射经由透镜聚光到第一铁磁性层1的光。
磁性元件10的z方向的电阻值通过包含光信号的光L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等级的情况为例进行说明。第二强度大于第一强度。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制进行说明的图，图7是用于对第一动作例的第二机制进行说明的图。图6及图7的上方的图中，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，在以充分的时间向第一铁磁性层1持续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。磁性元件10的z方向的电阻值，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，根据其电压值使用欧姆定律求出。来自磁性元件10的输出电压产生在上部电极E1和下部电极E2之间。
在图6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相同的方向的旋转传递转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的方向均成为+z方向。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的状态和向第一铁磁性层1照射第二强度的光的状态下的第一铁磁性层1的磁化M1的状态不同。磁化M1的状态是指例如相对于z方向的倾斜度角、大小等。
例如，如图6所示，如果向第一铁磁性层1照射的光的强度从第一强度变为第二强度，则磁化M1相对于z方向倾斜。另外。例如，如图7所示，如果向第一铁磁性层1照射的光的强度从第一强度变为第二强度，则磁化M1的大小减小。例如，在第一铁磁性层1的磁化M1由于光的照射强度而相对于z方向倾斜的情况下，其倾斜度角度大于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大于第一电阻值R1，输出电压的第二值大于第一值。第二电阻值R2为磁化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反向平行时的电阻值之间。
在图6所示的情况下，与第二铁磁性层2的磁化M2相同的方向的旋转传递转矩作用于第一铁磁性层1的磁化M1。因此，磁化M1要回到与磁化M2平行的状态，如果向第一铁磁性层1照射的光的强度从第二强度变为第一强度，则磁化M1回到与磁化M2平行的状态。在图7所示的情况下，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的大小回到初始状态的大小。在任何情况下，磁性元件10的z方向的电阻值都回到第一电阻值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，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的输出电压能够与向第一铁磁性层1照射的光的强度的变化对应地变化，将照射的光的强度的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。
如图6、7及下述的图9所示，在第一动作例中，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。发明人发现了，磁性元件10的z方向的电阻值从第一电阻值R1向第二电阻值R2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所需的时间比向第一铁磁性层1照射的光的强度从第一强度变为第二强度所需的时间长。发明人认为，光向第一铁磁性层1的照射引起的磁化M1的状态的变化是由于光的照射引起的电子热的产生。另外，发明人认为，在向第一铁磁性层1照射的光的强度变小的情况下，晶格热的热缓和需要时间，磁化M1的状态的变化需要时间。
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，但也可以是在初始状态下磁化M1和磁化M2反向平行。在该情况下，磁化M1的状态越变化(例如，磁化M1从初始状态的角度变化越大)，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反向平行的情况下，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相反的方向的旋转传递转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反向平行。
照射至第一铁磁性层1的包含光信号的光L由磁性元件10置换为电信号，向电路20输入。
图8是表示输入到CR电路的输入电压Vin和来自CR电路的输出电压Vout的时间变化的图。在图8中，将CR电路的电阻R的电阻值设为1000Ω，将电容器C的电容值设为0.001pF，将输入电压Vin的频率设为10GHz。如图8所示，输出电压Vout与输入电压Vin的每个时间的变化量的绝对值大的部分对应地显示绝对值大的值，与输入电压Vin的每个时间的变化量的绝对值小的部分(在图8的例子中，每个时间的变化量为零的部分)对应地显示绝对值小的值。即，CR电路通过调整电容器C的电容值和电阻R的电阻值，与微分电路大致同样地将与输入电压Vin的每个时间的变化量对应的电压作为输出电压Vout输出。在CR电路中，电容器C的电容值和电阻R的电阻值之积成为时间常数，根据该时间常数的值，输出电压Vout的时间变化相对于输入电压Vin的时间变化的情形变化。该时间常数例如根据输入电压Vin的频率设定。例如，设定电容器C的电容值和电阻R的电阻值，以使时间常数小于输入电压Vin的频率的倒数即周期的一半。在图8的例子中，时间常数为0.001[pF]×1000[Ω]＝1[ps]，小于输入电压Vin的半周期的长度即50ps。
第一实施方式的光探测元件100中的电路20是CR电路。即，图8所示的输入电压Vin与来自磁性元件10的输出电压对应，图8所示的输出电压Vout与来自电路20的输出电压(来自光探测元件100的输出电压)对应。
图9表示磁性元件10的第一动作例中的向磁性元件10照射的光的强度的时间变化、向电路20的输入电压Vin(来自磁性元件10的输出电压)的时间变化、以及来自电路20的输出电压的时间变化的关系。图9的最上方的图表示向磁性元件10照射的光的强度的时间变化。图9的从上方起第二个图表示来自磁性元件10的输出电压的时间变化。图9的最下方的图表示来自电路20的输出电压的时间变化。
如图9所示，在向电路20的输入电压Vin(来自磁性元件10的输出电压)变大时，来自电路20的输出电压Vout显示大的正值，在向电路20的输入电压Vin(来自磁性元件10的输出电压)变小时，来自电路20的输出电压Vout显示绝对值大的负值。
因此，接收装置200例如能够在来自电路20的输出电压超过阈值的情况下判断为从第一信号(例如，“1”)切换为第二信号(例如，“0”)，在来自电路20的输出电压小于阈值的情况下判断为从第二信号(例如，“0”)切换为第一信号(例如，“1”)，在来自电路20的输出电压在阈值的范围内的情况下判断为是与之前的信号相同的信号(维持为第一信号(例如，“1”)、或维持为第二信号(例如，“0”))。另外，接收装置200通过求出来自电路20的输出电压的绝对值，也能够在输出电压的绝对值成为阈值以上的情况下判断为光L的强度变化，在输出电压的绝对值低于阈值的情况下判断为光L的强度未变化。
到此为止示出了光探测元件100的动作的一个例子，但光探测元件100的动作不限于此例。
图10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10的最上方的图中，纵轴是向第一铁磁性层1照射的光的强度，横轴是时间。图10的从上方起第二个图中，纵轴是磁性元件10的z方向的电阻值，横轴是时间。图10的从上方起第三个图中，纵轴是向电路20的输入电压Vin(来自磁性元件10的输出电压)，横轴是时间。图10的从上方起第四个图中，纵轴是来自电路20的输出电压Vout，横轴是时间。图10的从上方起第五个图中，纵轴是来自电路20的输出电压的绝对值∣Vout∣，横轴是时间。
在第二动作例中，将来自磁性元件10的输出电压(磁性元件10的z方向的电阻值)在规定时间内变化的情况作为第一信号(例如，“1”)处理，将来自磁性元件10的输出电压(磁性元件10的z方向的电阻值)在规定时间内不变化的情况作为第二信号(例如，“0”)处理。规定时间由光信号的调制频率确定。
首先，规定向磁性元件10照射的光信号。光信号为，将向第一铁磁性层1照射的光的强度从第一强度向第二强度变化的情况设为第一信号(例如，“1”)，将向第一铁磁性层1照射的光的强度在规定时间的期间维持在第一强度的情况设为第二信号(例如，“0”)。从第一强度变为第二强度的光的强度在经过一定时间后回到第一强度。
光信号向磁性元件10的第一铁磁性层1照射。如果向第一铁磁性层1照射的光的强度从第一强度变为第二强度，则第一铁磁性层1的磁化M1反转。此外，在向第一铁磁性层1照射的光的强度从第二强度回到第一强度的情况下，第一铁磁性层1的磁化M1不反转。如果向第一铁磁性层1照射的光的强度从第一强度变为第二强度，则磁性元件10的z方向的电阻值从低电阻RL变为高电阻RH或从高电阻RH变为低电阻RL。即，如果向第一铁磁性层1照射的光的强度从第一强度变为第二强度，则无论第一铁磁性层1的磁化M1和第二铁磁性层2的磁化M2是平行还是反向平行，在任何情况下，磁性元件10的电阻值、即来自磁性元件10的输出电压均变化。即，在输入第一信号(例如，“1”)的信息作为光信号时，来自磁性元件10的输出电压(磁性元件10的电阻值)变化。
与此相对，在不向磁性元件10的第一铁磁性层1照射光或照射的光的强度小的情况下，第一铁磁性层1的磁化M1维持其状态。因此，在向第一铁磁性层1照射的光的强度在规定时间的期间维持在第一强度的情况下，磁性元件10的z方向的电阻值、即来自磁性元件10的输出电压不变化。即，在输入第二信号(例如，“0”)的信息作为光信号的情况下，来自磁性元件10的输出电压(磁性元件10的电阻值)不变化。
来自磁性元件10的输出电压被输入到电路20。在来自磁性元件10的输出电压变大时，光探测元件100的输出电压Vout显示大的正值，在磁性元件10的输出电压变小时，光探测元件100的输出电压Vout显示绝对值大的负值。
因此，接收装置200例如能够将来自电路20的输出电压Vout的绝对值∣Vout∣超过阈值的情况判断为第一信号(例如，“1”)，将来自电路20的输出电压Vout的绝对值∣Vout∣在规定时间的期间小于阈值的情况判断为第二信号(例如，“0”)。
在此，在求输出电压Vout的绝对值∣Vout∣时，也可以在电路20和第二端子p2之间设置绝对值电路70。图11是第一实施方式的绝对值电路的一个例子。图11所示的绝对值电路70具有运算放大器Al、A2、电阻Rl、R2、R3以及二极管D1。向绝对值电路70的输入端子71输入来自电路20的输出电压Vout，从绝对值电路70的输出端子72输出来自电路20的输出电压Vout的绝对值∣Vout∣。在该情况下，接收装置200例如能够将基于来自电路20的输出电压Vout的来自绝对值电路70的输出电压(来自光探测元件100的输出电压)超过阈值的情况判断为第一信号(例如，“1”)，将来自绝对值电路70的输出电压(来自光探测元件100的输出电压)在规定时间的期间小于阈值的情况判断为第二信号(例如，“0”)。
此外，在第二动作例中，在光探测元件中流通的感应电流的方向可以是从第一铁磁性层1朝向第二铁磁性层2的方向，也可以是从第二铁磁性层2朝向第一铁磁性层1的方向。在第二动作例中，感应电流的值优选为较小，以使感应电流引起的旋转传递转矩不会太大。另外，在初始状态下，第一铁磁性层1的磁化M1和第二铁磁性层2的磁化M2平行还是反向平行在第二动作例中没有限制。
第一实施方式的接收装置200基于从电路20输出的电压接收光信号。另外，第一实施方式的光探测元件100及接收装置200具有能够以新的原理探测光的强度变化且还考虑了实际使用的结构。
在磁性元件10的第一动作例中，如图9所示，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，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所需的时间长，因此，在光信号的频率高的情况下，来自磁性元件10的输出电压有时未充分地回到第一值。即，例如，有时将本来应判断为第二信号(例如，“0”)的情况误认为第一信号(例如，“1”)。与此相对，如图9所示，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，来自磁性元件10的输出电压的每个时间的变化量在光的强度刚变化之后最大，因此，在光的强度刚变化之后，从电路20获得绝对值大的输出电压。即，在基于来自电路20的输出电压接收光信号的情况下，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，能够基于光的强度刚变化之后的绝对值大的输出电压判断光信号的强度变化，因此，在磁性元件10的第一动作例中，即使在光信号的频率高的情况下，也难以产生错误。
(第二实施方式)
第二实施方式的接收装置的光探测元件的结构与第一实施方式的接收装置200不同。
图12是第二实施方式的光探测元件101的特征部分的俯视图。在
图12中，省略了下述的绝缘层90、第四电极层36等的一部分结构。
图13及图14是第二实施方式的光探测元件101的特征部分的截面图。图13是沿着图12的C－C线切断的截面图。图14是沿着图12的D－D线切断的截面图。
光探测元件101例如具备磁性元件10、上部电极E1、下部电极E2、第三电极层31、第二电介质32、电阻33、连接电极34、第二连接通孔35、第四电极层36、以及绝缘层90。在光探测元件101中，对与光探测元件100同样的结构标注同样的符号，并省略说明。
上部电极E1例如与磁性元件10的第一面10A相接。上部电极E1与第四电极层36相接。上部电极E1和第四电极层36也可以一体化。上部电极E1例如其一部分埋入形成于第四电极层36的开口中。
下部电极E2例如与磁性元件10的第二面10B相接。下部电极E2经由第一端子p1与电源80连接。下部电极E2的一部分在与第三电极层31的一部分之间隔着第二电介质32而相对。
第三电极层31例如如图13、14所示被配置为z方向上的位置成为比磁性元件10靠第二面10B侧(－z方向侧)。第三电极层31的一部分在与下部电极E2的一部分之间隔着第二电介质32而相对。对于第三电极层31，能够使用与第一电极层21所例示的材料同样的材料。对于第二电介质32，能够使用与第一电介质22所例示的材料同样的材料。第二电介质32的z方向的位置位于第三电极层31和磁性元件10的第二面10B之间。第二电介质32也可以是绝缘层90的一部分，例如是绝缘层90中沿z方向与下部电极E2及第三电极层31重叠的部分。第三电极层31是输出电路20的输出电压的电极，经由第二端子p2与信号处理部110连接。
第二电介质32和第三电极层31构成图2所示的电容器C的至少一部分。第三电极层31和下部电极E2与电容器C的极板对应，第二电介质32与极板间的电介质对应。例如，使用相对介电常数为3.8的氧化硅作为第二电介质32的材料，如果将下部电极E2和第三电极层31之间的z方向的间隔设为0.1μm，将下部电极E2和第三电极层31在z方向上重叠的部分的x方向的长度设为0.8μm，将y方向的长度设为5μm，则能够将电容器C的电容值设为0.001pF。
在不需要使电流从外部流通到磁性元件10，且不需要第一端子p1及电源80的情况下，也可以没有下部电极E2。在没有下部电极E2的情况下，第三电极层31的一部分被配置为沿z方向与磁性元件10重叠。在该情况下，第二电介质32被配置为在z方向上夹在磁性元件10和第三电极层31之间，磁性元件10的第二面10B侧的层和第三电极层31与电容器C的极板对应，第二电介质32与极板间的电介质对应。
第三电极层31例如在磁性元件10(第二电介质32)和第二端子p2之间具有连接部31A。连接部31A是在第三电极层31连接有电阻33的部分。连接部31A例如在从z方向俯视时，沿与将磁性元件10和第二端子p2相连的线段交叉的方向突出地设置。
电阻33构成图2的电阻R。电阻33从第三电极层31分支并在连接部31A与第三电极层31连接。电阻33处于第三电极层31的连接部31A和第二连接通孔35之间。电阻33例如将连接部31A和连接电极34连接，且与第三电极层31及第二连接通孔35电连接。电阻33能够根据求出的电阻值设计材料、截面积等。对于电阻33，能够使用与电阻23所例示的材料同样的材料。例如，使用体积电阻率为1μΩm的NiCr合金作为电阻33的材料，如果将电阻23的z方向的厚度设为0.01μm，将x方向的宽度设为1μm，将y方向的长度设为10μm，则能够将电阻23的电阻值设为1000Ω。
连接电极34将电阻33和第二连接通孔35相连。也可以没有连接电极34，电阻33也可以与第二连接通孔35直接连接。对于连接电极34，能够使用与第一电极层21所例示的材料同样的材料。
第二连接通孔35沿z方向贯通绝缘层90。第二连接通孔35将电阻33和第四电极层36电连接。第二连接通孔35例如将连接电极34和第四电极层36连接。对于第二连接通孔35，能够使用与第一电极层21所例示的材料同样的材料。
第四电极层36与磁性元件10的第一面10A及第二连接通孔35电连接。例如如图13、14所示，第四电极层36被配置为z方向上的位置成为比磁性元件10靠第一面10A侧(+z方向侧)。第四电极层36经由第二连接通孔35和电阻33与第三电极层31电连接。第四电极层36与基准电位连接，例如接地。第四电极层36例如具有沿着xy面扩展的形状。对于第四电极层36，能够使用与第一电极层21所例示的材料同样的材料。
光探测元件101的电路图与图2所示的光探测元件100的电路图相同，第二实施方式的接收装置进行与第一实施方式的接收装置同样的动作。另外，第二实施方式的接收装置实现与第一实施方式的接收装置200同样的效果。
到此为止，在第一实施方式及第二实施方式中，例示了电路20是CR电路的情况，但电路20只要是输出与通过光信号从磁性元件10输出的输出电压的每个时间的变化量对应的大小的电压的电路，就不限于此。
例如，也可以是如图15所示的光探测元件102那样，电路20是具有运算放大器的电路。图15所示的电路20具有运算放大器Am、电阻R以及电容器C。图15所示的电路20是输出与对输入到电路20的输入电压进行时间微分所得的值对应的电压的微分电路。
(第三实施方式)
第三实施方式的接收装置的光探测元件的结构与第一实施方式的接收装置200不同。
图16是第三实施方式的光探测元件103的电路图。光探测元件103例如具备磁性元件10、电路40、第一端子p1以及第二端子p2。在光探测元件103中，对与光探测元件100同样的结构标注同样的符号并省略说明。
电路40是输出与通过包含光信号的光L的照射而从磁性元件10输出的输出电压的每个时间的变化量对应的大小的电压的电路。向电路40输入的输入电压与通过包含光信号的光L的照射而从磁性元件10输出的输出电压对应。电路40例如是输出与对输入到电路40的输入电压进行时间微分所得的值对应的电压的微分电路。
电路40例如是如图16所示包含电阻R和电感器L’的RL电路。RL电路通过调整电阻R的电阻值和电感器L’的电感，与微分电路大致同样地输出与向RL电路输入的输入电压的每个时间的变化量对应的大小的电压。电阻R在基准电位和第二端子p2之间与磁性元件10串联连接。电感器L’在基准电位和第二端子p2之间相对于串联连接的磁性元件10和电阻R并联连接。如果以包含磁性元件10、电阻R及电感器L’的路径观察，则磁性元件10、电阻R及电感器L’依次串联连接。
图17是第三实施方式的光探测元件103的特征部分的俯视图。在图17中，省略了电感器L’、下述的绝缘层90、下部电极E2等的一部分结构。图18及图19是第一实施方式的光探测元件103的特征部分的截面图。图18是沿着图17的E－E线切断的截面图。图19是沿着图17的F－F线切断的截面图。
光探测元件103例如具备磁性元件10、上部电极E1、下部电极E2、第一电极层41、电阻43、第一连接电极42、第二连接电极44、第一连接通孔45、第二电极层46、以及绝缘层90。
磁性元件10与第一实施方式的磁性元件10相同。上部电极E1例如配置于磁性元件10的第一面10A侧，且与磁性元件10的第一面10A和第一电极层41相接。上部电极E1和第一电极层41也可以一体化。下部电极E2例如配置于磁性元件10的第二面10B侧，且与磁性元件10的第二面10B和第二电极层46相接。下部电极E2也可以是第二电极层46的一部分。
第一电极层41与磁性元件10的第一面10A电连接。例如如图18所示，第一电极层41经由上部电极E1与第一面10A电连接。对于第一电极层41，能够使用与例示为第一实施方式的第一电极层21的材料的材料相同的材料。第一电极层41与电阻43连接。
电阻43构成图16的电阻R。对于电阻43，能够使用与例示为第一实施方式的电阻23的材料的材料相同的材料。电阻43将第一电极层41和第一连接电极42连接。电阻43能够按照求出的电阻值设计材料、截面积等。例如，使用体积电阻率为1μΩm的NiCr合金作为电阻43的材料，如果将电阻43的z方向的厚度设为0.4μm，将x方向的长度设为2μm，将y方向的宽度设为1μm，则能够将电阻43的电阻值设为5Ω。
第一连接电极42将电阻43和电感器L’连接。对于第一连接电极42，能够使用与例示为第一实施方式的第一电极层21的材料的材料相同的材料。第一连接电极42具有焊盘42A。在焊盘42A连接有电感器L’。对于电感器L’，例如能够使用片式电感器。电感器L’的电感值例如为0.1mH。
第二连接电极44将电感器L’和第一连接通孔45连接。对于第二连接电极44，能够使用与例示为第一实施方式的第一电极层21的材料的材料相同的材料。第二连接电极44具有焊盘44A。在焊盘44A连接有电感器L’。
第一连接通孔45沿z方向贯通绝缘层90。第一连接通孔45将第二连接电极44(焊盘44A)和第二电极层46电连接。对于第一连接通孔45，能够使用与例示为第一实施方式的第一电极层21的材料的材料相同的材料。
第二电极层46与磁性元件10的第二面10B及第一连接通孔45电连接。第二电极层46与基准电位连接，例如接地。第2电极层46例如具有沿着xy面扩展的形状。对于第二电极层46，能够使用与例示为第一实施方式的第一电极层21的材料的材料相同的材料。
接着，对第三实施方式的光探测元件103的动作进行说明。向磁性元件10的第一铁磁性层1照射包含具有光强度变化的光信号的光L。照射到第一铁磁性层1的包含光信号的光L由磁性元件10置换为电信号，向电路40输入。
图20是表示输入到RL电路的输入电压Vin和来自RL电路的输出电压Vout的时间变化的图。在图20中，将RL电路的电阻R的电阻值设为5Ω，将电感器L’的电感值设为0.1mH，将输入电压Vin的频率设为5kHz。如图20所示，输出电压Vout与输入电压Vin的每个时间的变化量的绝对值大的部分对应地显示绝对值大的值，与输入电压Vin的每个时间的变化量的绝对值小的部分(在图20的例子中，每个时间的变化量为零的部分)对应地显示绝对值小的值。即，RL电路通过调整电感器L’的电感值和电阻R的电阻值，与微分电路大致同样地将与输入电压Vin的每个时间的变化量对应的电压作为输出电压Vout输出。在RL电路中，将电感器L’的电感值除以电阻R的电阻值所得的值为时间常数，根据该时间常数的值，输出电压Vout的时间变化相对于输入电压Vin的时间变化的情形变化。该时间常数例如根据输入电压Vin的频率设定。例如，设定电感器L’的电感值和电阻R的电阻值，以使时间常数小于输入电压Vin的频率的倒数即周期的一半。在图20的例子中，时间常数为0.1[mH]/5[Ω]＝20[μs]，小于输入电压Vin的半周期的长度即100μs。
第三实施方式的光探测元件103中的电路40是RL电路。即，图20所示的输入电压Vin与来自磁性元件10的输出电压对应，图20所示的输出电压Vout与来自电路40的输出电压(来自光探测元件103的输出电压)对应。在向电路40的输入电压Vin(来自磁性元件10的输出电压)变大时，来自电路40的输出电压Vout显示大的正值，在向电路40的输入电压Vin(来自磁性元件10的输出电压)变小时，来自电路40的输出电压Vout显示绝对值大的负值。
接收装置200与第一实施方式的情况同样，例如能够在来自电路40的输出电压超过阈值的情况下，判断为从第一信号(例如，“1”)切换为第二信号(例如，“0”)，在来自电路20的输出电压小于阈值的情况下，判断为从第二信号(例如，“0”)切换为第一信号(例如，“1”)，在来自电路40的输出电压在阈值的范围内的情况下，判断为是与之前的信号相同的信号(维持为第一信号(例如，“1”)、或维持为第二信号(例如，“0”))。另外，接收装置200也能够通过求出来自电路40的输出电压的绝对值，在输出电压的绝对值成为阈值以上的情况下判断为光L的强度变化，在输出电压的绝对值低于阈值的情况下判断为光L的强度未变化。
另外，接收装置200也可以与第一实施方式同样地将来自电路40的输出电压Vout的绝对值∣Vout∣超过阈值的情况判断为第一信号(例如，“1”)，将来自电路40的输出电压Vout的绝对值∣Vout∣在规定时间的期间小于阈值的情况判断为第二信号(例如，“0”)。另外，也可以与第一实施方式的光探测元件100同样地在电路40和第二端子p2之间设置绝对值电路70。
第三实施方式的接收装置因为电路40显示与电路20同样的功能，所以实现与第一实施方式的接收装置200同样的效果。
上述的实施方式的光探测元件及接收装置能够应用于通信***的收发装置等。
图21是第一应用例的通信***1000的概念图。图21所示的通信***1000具备多个收发装置300和将收发装置300间相连的光纤FB。通信***1000例如能够用于数据中心内及数据中心间这样的短、中距离的通信、城市间这样的长距离的通信。收发装置300例如设置在数据中心内。光纤FB例如将数据中心间相连。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22是第一应用例的收发装置300的框图。收发装置300具备接收装置200和发送装置210。接收装置200接收光信号L1，发送装置210发送光信号L2。用于收发的光例如是波长为1000nm以上2000nm以下的近红外光。
接收装置200例如具备光探测元件100和信号处理部110。光探测元件100也可以置换为光探测元件101、102。光探测元件100将光信号L1转换为电信号。向磁性元件10照射包含具有光强度变化的光信号L1的光。向磁性元件10照射的光例如是激光。信号处理部110处理由光探测元件100转换的电信号。信号处理部110通过处理从光探测元件100产生的电信号，接受光信号L1中所含的信号。
发送装置210例如具备光源211、电信号生成元件212以及光调制元件213。光源211例如是激光元件。光源211也可以位于发送装置210的外部。电信号生成元件212基于发送信息生成电信号。电信号生成元件212也可以与信号处理部110的信号转换元件成为一体。光调制元件213基于由电信号生成元件212生成的电信号，调制从光源211输出的光，输出光信号L2。
另外，到此为止，示出了将收发装置应用于图21所示的通信***1000的例子，但通信***不限于该情况。
例如，图23是通信***的另一个例子的概念图。图23所示的通信***1001为两个便携式终端装置500间的通信。便携式终端装置500是例如智能手机、平板电脑等。
便携式终端装置500分别具备接收装置200和发送装置210。由另一便携式终端装置500的接收装置200接收从一便携式终端装置500的发送装置210发送的光信号。用于便携式终端装置500间的收发的光例如是可见光。各个接收装置200例如具备光探测元件100和信号处理部110。光探测元件100也可以置换为光探测元件101、102。
另外，例如，图24是通信***的另一个例子的概念图。图24所示的通信***1002为便携式终端装置500和信息处理装置600之间的通信。信息处理装置600例如是个人计算机。
便携式终端装置500具备发送装置210，信息处理装置600具备接收装置200。从便携式终端装置500的发送装置210发送的光信号由信息处理装置600的接收装置200接收。用于便携式终端装置500和信息处理装置600之间的收发的光例如是可见光。各个接收装置200例如具备光探测元件100和信号处理部110。光探测元件100也可以置换为光探测元件101、102。
以上，本发明不限于上述的实施方式及变形例，在权利要求书所记载的本发明的主旨的范围内能够进行各种变形、变更。
Claims (11)
1.一种光探测元件，其中，
具备磁性元件、电容器、以及电阻，
所述磁性元件和所述电容器串联连接，
所述电阻相对于所述磁性元件和所述电容器并联连接，
所述磁性元件具备第一铁磁性层、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，
向所述磁性元件照射包含具有光强度变化的光信号的光。
2.根据权利要求1所述的光探测元件，其中，
还具备第一电极层和第一电介质，
所述磁性元件具有在所述磁性元件的层叠方向上相对的第一面和第二面，
所述第一电极层与所述第一面电连接，
在所述第一电极层具有填充有所述第一电介质的狭缝，
所述第一电介质和所述第一电极层构成所述电容器的至少一部分。
3.根据权利要求2所述的光探测元件，其中，
还具备第一连接通孔和第二电极层，
所述电阻从所述第一电极层分支并在连接部与所述第一电极层连接，
所述电阻位于所述第一电极层的所述连接部和所述第一连接通孔之间，
所述狭缝位于所述磁性元件和所述连接部之间，
所述第二电极层与所述第二面及所述第一连接通孔电连接，且经由所述第一连接通孔和所述电阻与所述第一电极层电连接。
4.根据权利要求2或3所述的光探测元件，其中，
从所述第一面侧向所述磁性元件照射所述光。
5.根据权利要求1所述的光探测元件，其中，
还具备第三电极层和第二电介质，
所述磁性元件具有在所述磁性元件的层叠方向上相对的第一面和第二面，
在所述磁性元件的层叠方向上，所述第二电介质的位置位于所述第三电极层和所述第二面之间，
所述第二电介质和所述第三电极层构成所述电容器的至少一部分。
6.根据权利要求5所述的光探测元件，其中，
还具备第二连接通孔和第四电极层，
所述电阻从所述第三电极层分支并在连接部与所述第三电极层连接，
所述电阻位于所述连接部和所述第二连接通孔之间，
所述第四电极层与所述第一面及所述第二连接通孔电连接，且经由所述第二连接通孔和所述电阻与所述第三电极层电连接。
7.根据权利要求5或6所述的光探测元件，其中，
从所述第一面侧向所述磁性元件照射所述光。
8.一种光探测元件，其中，
具备磁性元件、电阻、以及电感器，
所述磁性元件和所述电阻串联连接，
所述电感器相对于所述磁性元件和所述电阻并联连接，
所述磁性元件具备第一铁磁性层、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，
向所述磁性元件照射包含具有光强度变化的光信号的光。
9.一种接收装置，其中，
具备磁性元件和电路，
所述磁性元件具备第一铁磁性层、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，
向所述磁性元件照射包含具有光强度变化的光信号的光，
所述电路与所述磁性元件连接，输出与通过所述光信号而从所述磁性元件输出的输出电压的每个时间的变化量对应的大小的电压，
基于从所述电路输出的电压接收所述光信号。
10.根据权利要求9所述的接收装置，其中，
所述电路具备与所述磁性元件串联连接的电容器、以及相对于所述磁性元件和所述电容器并联连接的电阻。
11.根据权利要求9所述的接收装置，其中，
所述电路具备与所述磁性元件串联连接的电阻、以及相对于所述磁性元件和所述电阻并联连接的电感器。
Applications Claiming Priority (3)
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