JP2023145322A - 光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】新規な光デバイスを提供する。【解決手段】この光デバイスは、磁性素子と光照射部とを備え、前記光照射部は、前記磁性素子に光を照射し、前記磁性素子は、光が照射される第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれるスペーサ層と、を備え、前記第１強磁性層の磁化は、前記光照射部から前記磁性素子に光が照射されていない状態で、前記第１強磁性層が広がる面内方向及び前記第１強磁性層が広がる面と直交する面直方向のいずれに対しても傾いている。【選択図】図１

Description

本発明は、光デバイスに関する。

光電変換素子は、様々な用途で用いられている。

例えば、特許文献１には、フォトダイオードを用いて、光信号を受信する受信装置が記載されている。フォトダイオードは、例えば、半導体のｐｎ接合を用いたｐｎ接合ダイオード等であり、光を電気信号に変換する。

また例えば、特許文献２には、半導体のｐｎ接合を用いた光センサー及びこの光センサーを用いたイメージセンサーが記載されている。

特開２００１－２９２１０７号公報 米国特許第９８４２８７４号明細書

半導体のｐｎ接合を用いた光デバイスは広く利用されているが、更なる発展のために新たな光デバイスが求められている。また、照射される光の強度を広い強度範囲にわたって検出可能な光デバイスが求められている。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、新規で、広い強度範囲にわたって光の強度を検出可能な光デバイスを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）第１の態様にかかる光デバイスは、磁性素子と光照射部とを備え、前記光照射部は、前記磁性素子に光を照射し、前記磁性素子は、光が照射される第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれるスペーサ層と、を備え、前記第１強磁性層の磁化は、前記光照射部から前記磁性素子に光が照射されていない状態で、前記第１強磁性層が広がる面内方向及び前記第１強磁性層が広がる面と直交する面直方向のいずれに対しても傾いている。

（２）上記態様にかかる光デバイスは、磁場印加部をさらに備え、前記磁場印加部は、前記第１強磁性層に対して磁場を印加し、前記磁場印加部は、前記光照射部から前記磁性素子に照射される光を遮らない位置にあってもよい。

（３）上記態様にかかる光デバイスにおいて、前記磁場印加部には、前記光照射部からの光が照射されなくてもよい。

（４）上記態様にかかる光デバイスにおいて、前記磁性素子は、反強磁性層をさらに備え、前記反強磁性層は、前記第１強磁性層の前記スペーサ層と接する第１面と反対側の第２面に接してもよい。

（５）上記態様にかかる光デバイスにおいて、前記反強磁性層は、酸化物を含んでもよい。

（６）上記態様にかかる光デバイスは、圧電素子をさらに備え、前記圧電素子は、前記第１強磁性層に応力を印加してもよい。

（７）上記態様にかかる光デバイスにおいて、前記圧電素子は、前記光照射部から前記磁性素子に照射される光を遮らない位置にあってもよい。

（８）上記態様にかかる光デバイスにおいて、前記第１強磁性層は、前記面直方向から見て、長手方向の長さを短手方向の長さで割ったアスペクト比が１より大きくてもよい。

（９）第２の態様にかかる光デバイスは、磁性素子と光照射部とを備え、前記光照射部は、前記磁性素子に光を照射し、前記磁性素子は、光が照射される第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれるスペーサ層と、を備え、光デバイスに印加された外部磁場に対する前記磁性素子の抵抗変化を示すＲＨ曲線は、前記光照射部から前記磁性素子に光が照射されていない状態で、少なくとも、ゼロを含む外部磁場強度の範囲においてヒステリシスを示さない。

（１０）第３の態様にかかる光デバイスは、磁性素子と光照射部とを備え、前記光照射部は、前記磁性素子に光を照射し、前記磁性素子は、光が照射される第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれるスペーサ層と、を備え、前記第１強磁性層の磁区構造は、前記光照射部から前記磁性素子に光が照射されていない状態で、ボルテックス構造である。

上記態様にかかる光デバイスは、新規な原理で動作し、広い強度範囲にわたって光の強度を検出可能である。

第１実施形態に係る光デバイスの斜視図である。 第１実施形態に係る光検知素子の断面図である。 第１実施形態に係る磁性素子に照射される光の強度変化と磁性素子の抵抗値との関係を示す図である。 第１実施形態に係る磁性素子のＲＨ曲線を示す図である。 比較例に係る磁性素子のＲＨ曲線を示す図である。 比較例に係る磁性素子に照射される光の強度変化と比較例に係る磁性素子の抵抗値との関係を示す図である。 第１変形例に係る光検知素子の断面図である。 第２実施形態に係る光検知素子の断面図である。 第３実施形態に係る光検知素子の断面図である。 第３実施形態に係る光検知素子の第１状態の断面図である。 第３実施形態に係る光検知素子の第２状態の断面図である。 第４実施形態に係る光検知素子の断面図である。 第４実施形態に係る光検知素子の別の断面図である。 第５実施形態に係る光検知素子の断面図である。 第６実施形態に係る光検知素子の断面図である。 第６実施形態に係る光検知素子の別の断面図である。 第６実施形態に係る磁性素子のＲＨ曲線を示す図である。 第１適用例にかかる送受信装置のブロック図である。 通信システムの一例の概念図である。 第２適用例に係る光センサー装置の断面の概念図である。 端末装置の一例の模式図である。

以下、実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。

方向について定義する。磁性素子１１の第１強磁性層１が広がる面内方向の一方向をｘ方向とし、面内でｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。また第１強磁性層１が広がる面（ｘｙ平面）と直交する面直方向をｚ方向とする。ｚ方向は、ｘ方向及びｙ方向と直交する。以下、＋ｚ方向を「上」、－ｚ方向を「下」と表現する場合がある。＋ｚ方向は、第２電極１３から第１電極１２へ向かう方向である。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。

「第１実施形態」
図１は、第１実施形態に係る光デバイス１００の斜視図である。光デバイス１００は、例えば、光検知素子１０と光照射部２０とを備える。光デバイス１００は、光照射部２０から照射される光Ｌの状態または状態の変化を、光検知素子１０で電気信号に置き換える。

光照射部２０は、磁性素子１１に光Ｌを照射する。光照射部２０は、例えば、光源と光学部材との少なくとも一方を有する。光源は、例えば、レーザーダイオード、ＬＥＤ等である。光学部材は、例えば、レンズ、メタレンズ、波長フィルター、導波路、光ファイバー、リフレクタ等である。例えば、光源から出射され、光学部材を通過または光学部材で反射した光Ｌが、磁性素子１１に照射される。光照射部２０は、光学部材を有し、光源を備えていなくてもよく、光デバイス１００の外部からの光が、光照射部２０としての上記のような光学部材を通過、または光学部材で反射した後に磁性素子１１に照射されてもよい。光照射部２０は、光源を有し、光学部材を備えていなくてもよく、光照射部２０が有する光源から出射した光が、上記のような光学部材を経ずに磁性素子１１に照射されてもよい。光Ｌは、例えば、レーザー光のような単一波長の単色光である。光Ｌは単色光でなくてもよく、ある程度の幅を持つ範囲に波長が限定された光でもよいし、連続スペクトルを有する光でもよい。

光Ｌは、可視光線に限らず、可視光線よりも波長の長い赤外線や、可視光線よりも波長の短い紫外線も含む。可視光線の波長は例えば、３８０ｎｍ以上８００ｎｍ未満である。赤外線の波長は例えば、８００ｎｍ以上１ｍｍ以下である。紫外線の波長は例えば、２００ｎｍ以上３８０ｎｍ未満である。光Ｌは、例えば、高周波の光信号を含み強度変化する光、又は、波長域が制御された光（例えば波長フィルターを通過した光）である。高周波の光信号は、例えば、１００ＭＨｚ以上の周波数を有する信号である。

光検知素子１０は、例えば、基板Ｓｕｂ上に形成されている。光検知素子１０は、例えば、磁性素子１１と第１電極１２と第２電極１３と磁場印加部３０とを備える。

図２は、第１実施形態にかかる光検知素子１０の断面図である。図２では、光照射部２０から磁性素子１１に光Ｌが照射されていない状態における強磁性体の磁化の向きを矢印で表している。第１電極１２と第２電極１３とは、磁性素子１１をｚ方向に挟む。磁場印加部３０は、磁性素子１１を例えばｘ方向に挟む位置にある。磁性素子１１及び磁場印加部３０の周囲は、絶縁層９０で覆われている。

絶縁層９０は、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇの酸化物、窒化物、酸窒化物である。絶縁層９０は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ_ｘ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化クロム、炭窒化ケイ素（ＳｉＣＮ）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_ｘ）等である。

磁性素子１１は、少なくとも第１強磁性層１と第２強磁性層２とスペーサ層３とを有する。スペーサ層３は、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に位置する。磁性素子１１は、これらの他に、バッファ層４、シード層５、強磁性層６、磁気結合層７、垂直磁化誘起層８、キャップ層９を有してもよい。バッファ層４、シード層５、強磁性層６及び磁気結合層７は、第２強磁性層２と第２電極１３との間に位置し、垂直磁化誘起層８及びキャップ層９は、第１強磁性層１と第１電極１２との間に位置する。例えば、磁性素子１１は円柱形状であり、ｚ方向から見た平面視形状が円形である。

磁性素子１１は、例えば、スペーサ層３が絶縁材料で構成されたＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子である。磁性素子１１は、外部からの光が照射されると抵抗値が変化する。磁性素子１１は、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の状態と第２強磁性層２の磁化Ｍ２の状態との相対的な変化に応じて、ｚ方向の抵抗値（ｚ方向に電流を流した場合の抵抗値）が変化する。このような素子は磁気抵抗効果素子とも呼ばれる。

第１強磁性層１は、光Ｌが照射されると磁化の状態が変化する光検知層である。第１強磁性層１は、磁化自由層とも呼ばれる。磁化自由層は、所定の外部からのエネルギーが印加された際に磁化の状態が変化する磁性体を含む層である。所定の外部からのエネルギーは、例えば、外部から照射される光、磁性素子１１の積層方向に流れる電流、第１強磁性層１の外部から印加される磁場である。第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、照射される光Ｌの強度に応じて状態が変化する。

第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、光照射部２０から磁性素子１１に光Ｌが照射されていない状態で、面内方向及び面直方向のいずれに対しても傾いている。磁性素子１１に光Ｌが照射されていない状態で、磁化Ｍ１が面内方向及び面直方向のいずれに対しても傾いていると、ＲＨ曲線はヒステリシスを示さない。ＲＨ曲線は、光デバイス１００に印加された外部磁場に対する磁性素子１１の抵抗変化を示す。ここで外部磁場は、光デバイス１００の外部から印加される磁場である。第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、光照射部２０から磁性素子１１に光Ｌが照射されていない状態で、例えば、ｘｙ平面内のいずれの方向及びz方向に対して傾いている。

第１強磁性層１は、例えば、面直方向（ｚ方向）に磁化容易軸を有する垂直磁化膜である。第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、後述する磁場印加部３０から面内方向の成分を持つ磁場が印加されることで、面直方向から面内方向のいずれかの方向（例えばｘ方向）に向かって傾く。ここで、磁場印加部３０から第１強磁性層１に印加される磁場は、光デバイス１００の内部で生じる磁場であり、光デバイス１００の外部から印加される外部磁場と区別され、光デバイス１００の外部から印加される外部磁場には含まれない。

第１強磁性層１は、強磁性体を含む。第１強磁性層１は、例えば、Ｃｏ、ＦｅまたはＮｉ等の磁性元素のいずれかを少なくとも含む。第１強磁性層１は、上述のような磁性元素と共に、Ｂ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｇｄ等の元素を含んでもよい。第１強磁性層１は、例えば、磁性元素と非磁性元素とを含む合金でもよい。第１強磁性層１は、複数の層から構成されていてもよい。第１強磁性層１は、例えば、ＣｏＦｅＢ合金、ＣｏＦｅＢ合金層をＦｅ層で挟んだ積層体、ＣｏＦｅＢ合金層をＣｏＦｅ層で挟んだ積層体である。

また第１強磁性層１は、磁性層と非磁性層とが交互に積層された積層体でもよく、例えば、ＣｏとＰｔとが交互に積層された積層体、ＣｏとＮｉとが交互に積層された積層体でもよい。一般的に、「強磁性」は「フェリ磁性」を含む。第１強磁性層１は、フェリ磁性を示してもよい。一方、第１強磁性層１は、フェリ磁性ではない強磁性を示してもよい。例えば、ＣｏＦｅＢ合金は、フェリ磁性ではない強磁性を示す。

第１強磁性層１の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。第１強磁性層１の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上２ｎｍ以下であることが好ましい。第１強磁性層１が垂直磁化膜の場合、第１強磁性層１の膜厚が薄いと、第１強磁性層１の上下にある層からの垂直磁気異方性印加効果が強まり、第１強磁性層１の垂直磁気異方性が高まる。つまり、第１強磁性層１の垂直磁気異方性が高いと、磁化がｚ方向に戻ろうとする力が強まる。一方、第１強磁性層１の膜厚が厚いと、第１強磁性層１の上下にある層からの垂直磁気異方性印加効果が相対的に弱まり、第１強磁性層１の垂直磁気異方性が弱まる。

第１強磁性層１の膜厚が薄くなると強磁性体としての体積は小さくなり、厚くなると強磁性体としての体積は大きくなる。外部からのエネルギーが加わったときの第１強磁性層１の磁化の反応しやすさは、第１強磁性層１の磁気異方性（Ｋｕ）と体積（Ｖ）との積（ＫｕＶ）に反比例する。つまり、第１強磁性層１の磁気異方性と体積との積が小さくなると、光に対する反応性が高まる。このような観点から、光に対する反応を高めるためには、第１強磁性層１の磁気異方性を適切に設計したうえで第１強磁性層１の体積を小さくすることが好ましい。

第１強磁性層１の膜厚が２ｎｍより厚い場合は、例えばＭｏ，Ｗからなる挿入層を第１強磁性層１内に設けてもよい。すなわち、ｚ方向に強磁性層、挿入層、強磁性層が順に積層された積層体を第１強磁性層１としてもよい。挿入層と強磁性層との界面における界面磁気異方性により第１強磁性層１全体の垂直磁気異方性が高まる。挿入層の膜厚は、例えば、０．１ｎｍ～０．６ｎｍである。

第２強磁性層２は、磁化固定層である。磁化固定層は、所定の外部からのエネルギーが印加された際に磁化の状態が磁化自由層よりも変化しにくい磁性体からなる層である。例えば、磁化固定層は、所定の外部からのエネルギーが印加された際に磁化の向きが磁化自由層よりも変化しにくい。また、例えば、磁化固定層は、所定の外部からのエネルギーが印加された際に磁化の大きさが磁化自由層よりも変化しにくい。第２強磁性層２の保磁力は、例えば、第１強磁性層１の保磁力よりも大きい。第２強磁性層２は、面内磁化膜でも、垂直磁化膜でもよい。図２に示す例では、第２強磁性層２の磁化Ｍ２の方向はｚ方向である。

第２強磁性層２を構成する材料は、例えば、第１強磁性層１と同様である。第２強磁性層２は、例えば、０．４ｎｍ～１．０ｎｍの厚みのＣｏと０．４ｎｍ～１．０ｎｍの厚みのＰｔとが交互に数回積層された多層膜でもよい。第２強磁性層２は、例えば、０．４ｎｍ～１．０ｎｍの厚みのＣｏ、０．１ｎｍ～０．５ｎｍの厚みのＭｏ、０．３ｎｍ～１．０ｎｍの厚みのＣｏＦｅＢ合金、０．３ｎｍ～１．０ｎｍの厚みのＦｅが順に積層された積層体でもよい。

第２強磁性層２の磁化Ｍ２は、例えば、磁気結合層７を挟んだ強磁性層６との磁気結合によって固定してもよい。この場合、第２強磁性層２、磁気結合層７及び強磁性層６を合わせたものを磁化固定層と称する場合もある。磁気結合層７及び強磁性層６の詳細は、後述する。

スペーサ層３は、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に配置される層である。スペーサ層３は、導電体、絶縁体もしくは半導体によって構成される層、又は、絶縁体中に導体によって構成される通電点を含む層で構成される。スペーサ層３は、例えば非磁性層である。スペーサ層３の膜厚は、第１強磁性層１の磁化Ｍ１と第２強磁性層２の磁化Ｍ２の配向方向に応じて調整できる。

例えば、スペーサ層３が絶縁体からなる場合は、磁性素子１１は、第１強磁性層１とスペーサ層３と第２強磁性層２とからなる磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を有する。このような素子はＭＴＪ素子と呼ばれる。この場合、磁性素子１１はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を発現することができる。例えば、スペーサ層３が金属からなる場合は、磁性素子１１は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を発現することができる。このような素子はＧＭＲ素子と呼ばれる。磁性素子１１は、スペーサ層３の構成材料によって、ＭＴＪ素子、ＧＭＲ素子などと呼び名が異なることがあるが、総称して磁気抵抗効果素子とも呼ばれる。

スペーサ層３が絶縁材料で構成される場合、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン又は酸化ケイ素等を含む材料をスペーサ層３の材料として用いることができる。また、これら絶縁材料は、Ａｌ、Ｂ、Ｓｉ、Ｍｇなどの元素や、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの磁性元素を含んでもよい。第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に高いＴＭＲ効果が発現するようにスペーサ層３の膜厚を調整することで、高い磁気抵抗変化率が得られる。ＴＭＲ効果を効率よく利用するためには、スペーサ層３の膜厚は、０．５～５．０ｎｍ程度としてもよく、１．０～２．５ｎｍ程度としてもよい。

スペーサ層３を非磁性導電材料で構成する場合、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ又はＲｕ等の導電材料を用いることができる。ＧＭＲ効果を効率よく利用するためには、スペーサ層３の膜厚は、０．５～５．０ｎｍ程度としてもよく、２．０～３．０ｎｍ程度としてもよい。

スペーサ層３を非磁性半導体材料で構成する場合、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化錫、酸化ゲルマニウム、酸化ガリウム又はＩＴＯ等の材料を用いることができる。この場合、スペーサ層３の膜厚は１．０～４．０ｎｍ程度としてもよい。

スペーサ層３として非磁性絶縁体中の導体によって構成される通電点を含む層を適用する場合、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウムによって構成される非磁性絶縁体中に、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌなどの非磁性の導体によって構成される通電点を含む構造としてもよい。また、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの磁性元素によって導体を構成してもよい。この場合、スペーサ層３の膜厚は、１．０～２．５ｎｍ程度としてもよい。通電点は、例えば、膜面に垂直な方向からみたときの直径が１ｎｍ以上５ｎｍ以下の柱状体である。

強磁性層６は、例えば、第２強磁性層２と磁気結合する。磁気結合は、例えば、反強磁性的な結合であり、ＲＫＫＹ相互作用により生じる。第２強磁性層２の磁化Ｍ２の向きと強磁性層６の磁化Ｍ６の向きとは反平行の関係である。強磁性層６を構成する材料は、例えば、第１強磁性層１と同様である。

磁気結合層７は、第２強磁性層２と強磁性層６との間に位置する。磁気結合層７は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ等である。

バッファ層４は、異なる結晶間の格子不整合を緩和する層である。バッファ層４は、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも一種の元素を含む金属又は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ及びＣｕからなる群から選択される少なくとも一種の元素を含む窒化物である。より具体的には、バッファ層４は、例えば、Ｔａ（単体）、ＮｉＣｒ合金、ＴａＮ（窒化タンタル）、ＣｕＮ（窒化銅）である。バッファ層４の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。バッファ層４は、例えば、非晶質である。バッファ層４は、例えば、シード層５と第２電極１３との間に位置し、第２電極１３に接する。バッファ層４は、第２電極１３の結晶構造が第２強磁性層２の結晶構造に影響を及ぼすことを抑制する。

シード層５は、シード層５上に積層される層の結晶性を高める。シード層５は、例えば、バッファ層４と強磁性層６との間に位置し、バッファ層４上にある。シード層５は、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｚｒ、ＮｉＦｅＣｒである。シード層５の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。

キャップ層９は、第１強磁性層１と第１電極１２との間にある。キャップ層９は、第１強磁性層１上に積層されて第１強磁性層１と接する垂直磁化誘起層８を含んでいてもよい。キャップ層９は、プロセス過程で下層へのダメージを防ぐと共に、アニール時に下層の結晶性を高める。キャップ層９の膜厚は、第１強磁性層１に十分な光が照射されるように、例えば１０ｎｍ以下である。

垂直磁化誘起層８は、第１強磁性層１の垂直磁気異方性を誘起する。垂直磁化誘起層８は、例えば酸化マグネシウム、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ等である。垂直磁化誘起層８が酸化マグネシウムの場合は、導電性を高めるために、酸化マグネシウムが酸素欠損していることが好ましい。垂直磁化誘起層８の膜厚は、例えば、０．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下である。

第１電極１２は、例えば、磁性素子１１に光が照射される側に配置される。光Ｌは、第１電極１２側から磁性素子１１に照射され、少なくとも第１強磁性層１に照射される。第１電極１２は、導電性を有する材料からなる。第１電極１２は、例えば、使用波長域の光に対して透過性を有する透明電極である。第１電極１２は、例えば、使用波長域の光の８０％以上を透過することが好ましい。

第１電極１２は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウムガリウム亜鉛（ＩＧＺＯ）等の酸化物である。第１電極１２は、これらの酸化物の透明電極材料の中に複数の柱状金属を有する構成としてもよい。第１電極１２として上記のような透明電極材料を用いることは必須ではなく、Ａｕ、ＣｕまたはＡｌなどの金属材料を薄い膜厚で用いることで、照射される光を第１強磁性層１に到達させるようにしてもよい。第１電極１２の材料として金属を用いる場合、第１電極１２の膜厚は、例えば、３～１０ｎｍである。また第１電極１２は、光が照射される照射面に反射防止膜を有してもよい。

第２電極１３は、磁性素子１１を挟んで第１電極１２と反対側にある。第２電極１３は、導電性を有する材料からなる。第２電極１３は、例えば、Ｃｕ、ＡｌまたはＡｕなどの金属により構成される。これらの金属の上下にＴａやＴｉを積層してもよい。また、ＣｕとＴａの積層膜、ＴａとＣｕとＴｉの積層膜、ＴａとＣｕとＴａＮの積層膜を用いてもよい。また、第２電極１３として、ＴｉＮやＴａＮを用いてもよい。第２電極１３の膜厚は、例えば２００ｎｍ～８００ｎｍである。

第２電極１３は、磁性素子１１に照射される光に対して透過性を有するようにしてもよい。第２電極１３の材料として、第１電極１２と同様に、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウムガリウム亜鉛（ＩＧＺＯ）等の酸化物の透明電極材料を用いてもよい。第１電極１２のほうから光Ｌが照射される場合においても、光Ｌの強度によっては光が第２電極１３まで到達する場合もありうるが、この場合、第２電極１３が酸化物の透明電極材料を含んで構成されていることで、第２電極１３が金属で構成されている場合に比べて、第２電極１３とそれに接する層との界面における光の反射を抑制できる。

磁場印加部３０は、第１強磁性層１に対して磁場を印加する。磁場印加部３０は、光照射部２０から磁性素子１１に照射される光を遮らない位置にある。磁場印加部３０は、例えば、光照射部２０の光出射端と磁性素子１１とを結ぶ線分と交差しない位置にある。

磁場印加部３０は、例えば、第１硬磁性層３１と第２硬磁性層３２とを有する。第１硬磁性層３１の一面には、第１遮光層３３がある。第２硬磁性層３２の一面には、第２遮光層３４がある。

第１硬磁性層３１と第２硬磁性層３２とは、それぞれ、ｚ方向と直交するいずれかの方向から見て、第１強磁性層１と重なる位置にある。第１硬磁性層３１と第２硬磁性層３２とは、例えば、絶縁層９０を介して、面内方向のいずれかの方向（例えば、ｘ方向）に第１強磁性層１を挟む。

第１硬磁性層３１及び第２硬磁性層３２は、硬磁性体である。第１硬磁性層３１及び第２硬磁性層３２は、面内方向に磁化容易軸を有する面内磁化膜である。第１硬磁性層３１の磁化Ｍ３１及び第２硬磁性層３２の磁化Ｍ３２は、例えば、ｘ方向に配向している。

第１硬磁性層３１と第２硬磁性層３２との間に生じる漏れ磁場が、第１強磁性層１にバイアス磁場として印加される。バイアス磁場が磁化Ｍ１に作用し、磁化Ｍ１は、面内方向及び面直方向のいずれに対しても傾く。

磁場印加部３０は、第１遮光層３３及び第２遮光層３４によって、光照射部２０からの光Ｌが照射されない。第１遮光層３３は、第１硬磁性層３１に光Ｌが照射されることを防止する。第２遮光層３４は、第２硬磁性層３２に光Ｌが照射されることを防止する。磁場印加部３０に光Ｌが照射されないようにすることで、光Ｌの状態が変わることで、第１硬磁性層３１及び第２硬磁性層３２の磁化状態が変化することを抑制できる。第１遮光層３３及び第２遮光層３４は、例えば、タングステン、タンタル、チタン等である。

第１遮光層３３及び第２遮光層３４は、磁場印加部３０に光Ｌが照射されない場合は、無くてもよい。例えば、磁場印加部３０が磁性素子１１から十分離れている場合や、レンズ等で光Ｌが磁性素子１１に向かって集束している場合は、磁場印加部３０に光Ｌが照射されない。

次いで、磁性素子１１の動作のメカニズムについて説明する。図３は、第１実施形態に係る磁性素子１１に照射される光Ｌの強度変化と磁性素子１１の抵抗値との関係を示す図である。図３の横軸は、磁性素子１１に照射される光Ｌの強度であり、縦軸は磁性素子１１の抵抗値である。

磁性素子１１からの出力電圧は、第１強磁性層１に照射される光Ｌの強度変化により変化する。磁性素子１１からの出力電圧の変化に寄与するのは、磁性素子１１の積層方向の抵抗値変化である。

磁性素子１１は、光照射部２０からの光Ｌが磁性素子１１に照射されていない状態（以下、初期状態と称する）で、第１抵抗値Ｒ１を示す。磁性素子１１のｚ方向の抵抗値は、磁性素子１１のｚ方向にセンス電流を流すことで、磁性素子１１のｚ方向の両端に電圧が発生し、その電圧値からオームの法則を用いて求められる。磁性素子１１からの出力電圧は、第１電極１２と第２電極１３との間に発生する。初期状態では、磁性素子１１から出力される出力電圧は第１の値を示す。

第１強磁性層１に光Ｌが照射されると、光Ｌの照射による外部からのエネルギーによって第１強磁性層１の磁化Ｍ１は初期状態から傾く。また第１強磁性層１に照射される光Ｌの強度が変化すると、光Ｌの強度に応じて、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の傾きの度合いが変化する。第１強磁性層１に照射される光Ｌの強度が大きくなるほど、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の初期状態に対する傾きは大きくなる。例えば、初期状態における第１強磁性層１の磁化Ｍ１の方向と光Ｌが照射された状態における磁化Ｍ１の方向との角度は、０°より大きく９０°より小さい。

第１強磁性層１の磁化Ｍ１が初期状態から傾くと、磁性素子１１のｚ方向の抵抗値は初期状態から変化する。例えば、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の傾きに応じて、磁性素子１１のｚ方向の抵抗値は、徐々に大きくなる。磁性素子１１のｚ方向の抵抗値が変化すると、磁性素子１１からの出力電圧又は出力電流は変化する。例えば、磁性素子１１の抵抗値が大きくなるほど、磁性素子１１からの出力電圧は大きくなる。また磁性素子１１が定電圧源に接続されている場合、磁性素子１１の抵抗値が大きくなるほど、磁性素子１１からの出力電流は小さくなる。

磁性素子１１に照射される光Ｌの強度が変化した際に、磁性素子１１からの出力電圧又は出力電流（磁性素子１１の積層方向の抵抗値）は変化する。したがって、磁性素子１１は、光Ｌの強度を磁性素子１１からの出力電圧又は出力電流（磁性素子１１の抵抗値）として検出できる。

第１強磁性層１の磁化Ｍ１には第２強磁性層２の磁化Ｍ２と同じ方向のスピントランスファートルクが作用するので、光照射部２０から光Ｌが磁性素子１１に照射されなくなると、磁性素子１１の磁化Ｍ１は初期状態に戻る。磁化Ｍ１が初期状態に戻ると、磁性素子１１の積層方向の抵抗値は、第１抵抗値Ｒ１に戻り、磁性素子１１からの出力電圧又は出力電流は第１の値に戻る。

磁性素子１１からの出力電圧は、第１強磁性層１に照射される光Ｌの強度の変化に対応して変化し、磁性素子１１は、照射される光Ｌの強度の変化を磁性素子１１からの出力電圧の変化に変換することができる。すなわち、磁性素子１１は、光を電気信号に置き換えることができる。

図４は、第１実施形態に係る光デバイス１００に対して、第２強磁性層２の磁化Ｍ２の方向（この例ではｚ方向）に印加された外部磁場に対する磁性素子１１の抵抗変化を示すＲＨ曲線（以下、「磁性素子１１のＲＨ曲線」ともいう）を示す図である。図４に示すグラフにおいて、Ｈで表現される外部磁場は、図２に示される＋ｚ方向の外部磁場がマイナスの符号になるように表現されている。光照射部２０から磁性素子１１に光Ｌが照射されていない状態において、第１強磁性層１の磁化Ｍ１が面内方向及び面直方向に対して傾いているため、磁性素子１１のＲＨ曲線はヒステリシスを示さない。つまり、外部磁場の大きさの広い範囲にわたって、外部磁場の大きさに応じて、磁性素子１１の第１強磁性層１の磁化Ｍ１の状態（磁化Ｍ１の方向）が変化する。光デバイス１００に対する外部磁場の印加は、外部からの磁性素子１１に対するエネルギーの印加の一例であるが、磁性素子１１に対する光Ｌの照射も、同様に外部からのエネルギーの印加である。そのため、光Ｌの広い強度範囲にわたって、光Ｌの強度変化に応じて、磁性素子１１の第１強磁性層１の磁化Ｍ１の状態（磁化Ｍ１の方向）が変化する。従って、図３に示すように、光Ｌの広い強度範囲にわたって、磁性素子１１からの出力電圧又は出力電流（磁性素子１１の抵抗値）は、光Ｌの強度変化に応じて連続的に変化する。

図５は、比較例に係る磁性素子のＲＨ曲線（比較例に係る光デバイスに印加されたｚ方向の外部磁場に対する、比較例に係る磁性素子の抵抗変化を示すＲＨ曲線）を示す図である。図５に示すグラフにおいて、Ｈで表現される外部磁場は、図５中の磁性素子の模式図における上方向（磁化Ｍ２’の磁化方向）の外部磁場がマイナスの符号になるように表現されている。比較例に係る磁性素子は、比較例に係る磁性素子に光Ｌが照射されていない状態で、第１強磁性層１の磁化Ｍ１がｚ方向に配向している点以外は、第１実施形態に係る磁性素子１１と同じである。比較例に係る磁性素子は、第１強磁性層１’と、第２強磁性層２’と、これらに挟まれるスペーサ層３’と、を備える。比較例に係る磁性素子は、比較例に係る磁性素子に光Ｌが照射されていない状態で、第１強磁性層１’の磁化Ｍ１’と第２強磁性層２’の磁化Ｍ２’とは、平行又は反平行である。図５に示すように、比較例に係る磁性素子の第１強磁性層１’の磁化Ｍ１’と第２強磁性層２’の磁化Ｍ２’とは、平行又は反平行である状態が安定した状態である。比較例に係る磁性素子に光Ｌが照射されていない状態で、比較例に係る磁性素子のＲＨ曲線はヒステリシスを示す。

図６は、比較例に係る磁性素子に照射される光Ｌの強度変化と、比較例に係る磁性素子の抵抗値との関係を示す図である。図６の横軸は、比較例に係る磁性素子に照射される光Ｌの強度であり、縦軸は比較例に係る磁性素子の抵抗値である。

比較例に係る磁性素子は、光照射部２０からの光Ｌが比較例に係る磁性素子に照射されていない状態で、第１抵抗値Ｒ１’を示す。比較例に係る磁性素子は、比較例に係る磁性素子に光Ｌが照射されていない状態で、第１強磁性層１’の磁化Ｍ１’と第２強磁性層２’の磁化Ｍ２’が安定な状態である。そのため、第１強磁性層１’に照射される光Ｌの強度が小さく、一定の閾値以下の場合は、第１強磁性層１’の磁化Ｍ１’はほとんど変化しない。第１強磁性層１’に閾値を超える強度の光Ｌが照射されると、第１強磁性層１’の磁化Ｍ１’は変化する。第１強磁性層１’に照射される光Ｌの強度が大きくなるほど、第１強磁性層１’の磁化Ｍ１’のｚ方向に対する傾きは大きくなる。

そのため、図６に示すように、磁性素子のｚ方向の抵抗値は、光Ｌの強度が閾値以下の場合は光Ｌの強度によらずほぼ一定の値（第１抵抗値Ｒ１’）を示し、光Ｌの強度が閾値を超えると、光Ｌの強度に応じて、変化する。また磁性素子からの出力電圧又は出力電流も、光Ｌの強度が閾値以下の場合は光Ｌの強度によらずほぼ一定の値を示し、光Ｌの強度が閾値を超える場合は光Ｌの強度に応じて変化する。

光検知素子１０において、光照射部２０から磁性素子１１に光Ｌが照射されていない状態における第１強磁性層１の磁化Ｍ１の方向と面直方向との間の角度は、例えば、５°以上でもよく、２０°以上でもよく、３５°以上でもよい。このようにすることで、第１強磁性層１に照射される光Ｌの強度が小さい範囲であっても、光Ｌの強度変化に応じて、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の状態（磁化Ｍ１の方向）がより確実に変化し、磁性素子１１からの出力電圧又は出力電流（磁性素子１１の抵抗値）を、光Ｌの強度変化に応じてより確実に連続的に変化させることができる。また、光検知素子１０において、光照射部２０から磁性素子１１に光Ｌが照射されていない状態における第１強磁性層１の磁化Ｍ１の方向と面直方向との間の角度は、例えば、８５°以下でもよく、７０°以下でもよく、５５°以下でもよい。このようにすることで、光Ｌの強度変化に対する磁化Ｍ１の可動範囲をより確実に確保できるため、光Ｌの強度の検出範囲をより確実に確保できる。

光照射部２０から磁性素子１１に光Ｌが照射されていない状態（初期状態）における第１強磁性層１の磁化Ｍ１の方向と面直方向との間の角度は、初期状態における第１強磁性層１の磁化Ｍ１の方向と第２強磁性層２の磁化Ｍ２の方向との間の角度と、初期状態における第２強磁性層２の磁化Ｍ２の方向と面直方向との関係と、から求めることができる。

初期状態における第１強磁性層１の磁化Ｍ１の方向と第２強磁性層２の磁化Ｍ２の方向との間の角度は、以下の式（１）で求められる。

式（１）において、Ｇ_０＝１／Ｒ_０、Ｇ_Ｐ＝１／Ｒ_ｍｉｎ、Ｇ_ＡＰ＝１／Ｒ_ｍａｘを満たす。Ｒ_０、Ｒ_ｍｉｎ、Ｒ_ｍａｘは、いずれも光照射部２０から磁性素子１１に光Ｌが照射されていない状態における磁性素子１１の抵抗値である。Ｒ_０は、光デバイス１００に外部磁場が印加されていない状態における磁性素子１１の抵抗値である。Ｒ_ｍｉｎは、光デバイス１００に対する外部磁場の印加強度を増加させていった際の磁性素子１１の飽和した抵抗値であり、この際の外部磁場は、第２強磁性層２の磁化Ｍ２の方向に印加される。Ｒ_ｍａｘは、光デバイス１００に対する外部磁場の印加強度を増加させていった際の磁性素子１１の飽和した抵抗値であり、この際の外部磁場は、第２強磁性層２の磁化Ｍ２の方向と反対方向に印加される。

初期状態において、第２強磁性層２が垂直磁化膜の場合は、第２強磁性層２の磁化Ｍ２の方向と面直方向とは平行の関係にあり、第２強磁性層２が面内磁化膜の場合は、第２強磁性層２の磁化Ｍ２の方向と面直方向とは垂直の関係にある。

上述のように、第１実施形態にかかる光デバイス１００は、磁性素子１１からの出力が、磁性素子１１に照射される光Ｌの広い強度範囲にわたって、光Ｌの強度変化に応じて連続的に変化する。したがって、光デバイス１００は、光Ｌの広い強度範囲にわたって、光Ｌの強度を検出できる。

ここまで具体的な例を挙げて、第１実施形態にかかる光デバイス１００について説明したが、第１実施形態にかかる光デバイスは当該例に限定されるものではない。

図７は、第１変形例に係る光検知素子１０Ａの断面図である。光検知素子１０Ａは、第１強磁性層１が面内磁化膜で、第１硬磁性層３１及び第２硬磁性層３２が垂直磁化膜である。第１硬磁性層３１の磁化Ｍ３１及び第２硬磁性層３２の磁化Ｍ３２は、例えば、ｚ方向に配向している。第１変形例に係る光検知素子１０Ａのその他の構成は、光検知素子１０と同様である。

第１硬磁性層３１からの漏れ磁場と第２硬磁性層３２からの漏れ磁場が、第１強磁性層１にバイアス磁場として印加する。第１強磁性層１が面内磁化膜の場合は、磁場印加部３０から面直方向の成分を持つ磁場が印加されることで、磁化Ｍ１は面内方向及び面直方向に対して傾く。

光検知素子１０Ａにおいて、光照射部２０から磁性素子１１に光Ｌが照射されていない状態における第１強磁性層１の磁化Ｍ１の方向と面直方向との間の角度は、例えば、５°以上でもよく、２０°以上でもよく、３５°以上でもよい。また、第１強磁性層１が面内磁化膜である光検知素子１０Ａでは、初期状態における第１強磁性層１の磁化Ｍ１の方向と面直方向との間の角度が０°（第１強磁性層１の磁化Ｍ１の方向が面直方向に平行）であってもよい。つまり、第１強磁性層１が面内磁化膜である光検知素子１０Ａでは、第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、光照射部２０から磁性素子１１に光が照射されていない状態で、第１強磁性層１が広がる面内方向に対して傾いていればよい。この場合でも、磁性素子１１のＲＨ曲線はヒステリシスを示さず、光Ｌの広い強度範囲にわたって、磁性素子１１からの出力電圧又は出力電流（磁性素子１１の抵抗値）は、光Ｌの強度変化に応じて連続的に変化する。また、光検知素子１０Ａにおいて、初期状態における第１強磁性層１の磁化Ｍ１の方向と面直方向との間の角度は、例えば、８５°以下でもよく、７０°以下でもよく、５５°以下でもよい。このようにすることで、光Ｌの強度変化に対する磁化Ｍ１の可動範囲をより確実に確保できるため、光Ｌの強度の検出範囲をより確実に確保できる。

ここでは、第１硬磁性層３１と第２硬磁性層３２とが第１強磁性層１を挟むように配置される例を示したが、一つの硬磁性層を第１強磁性層１の周囲を囲むように配置してもよい。

「第２実施形態」
第２実施形態にかかる光デバイスは、光検知素子１０Ｂと光照射部２０とを備える。光照射部２０の構成は、第１実施形態にかかる光デバイスと同様である。図８は、第２実施形態にかかる光検知素子１０Ｂの断面図である。光検知素子１０Ｂは、磁場印加部３０を備えずに、磁性素子１１Ｂが反強磁性層４０を備える点で、光検知素子１０と異なる。光検知素子１０Ｂにおいて、光検知素子１０と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省く。

磁性素子１１Ｂは、反強磁性層４０を備える。反強磁性層４０は、第１強磁性層１のスペーサ層３と接する第１面Ｓ１と反対側の第２面Ｓ２に接する。

第１強磁性層１が垂直磁化膜の場合、反強磁性層４０の中の微視的な磁気モーメントは、面内方向に配向している。第１強磁性層１が垂直磁化膜の場合、反強磁性層４０は、交換バイアスにより第１強磁性層１に面内方向の磁場を印加するのと同様の効果を奏し、磁化Ｍ１は面内方向及び面直方向のいずれに対しても傾く。第１強磁性層１が面内磁化膜の場合、反強磁性層４０の中の微視的な磁気モーメントは、面直方向に配向している。第１強磁性層１が面内磁化膜の場合、反強磁性層４０は、交換バイアスにより第１強磁性層１に面直方向の磁場を印加するのと同様の効果を奏し、磁化Ｍ１は面内方向及び面直方向のいずれに対しても傾く。反強磁性層４０の中の微視的な磁気モーメントの配向方向は、反強磁性層４０をキュリー温度以上まで加熱した後、磁場を印加しながら冷却する際の磁場の方向により自由に設計できる。

反強磁性層４０には、公知の反強磁性体を用いることができる。反強磁性層４０は、反強磁性を示す酸化物を含むことが好ましい。反強磁性層４０が使用波長域の光に対して透過性を有する酸化物であれば、光Ｌが第１強磁性層１に十分到達する。反強磁性層４０は、例えば、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）、酸化コバルト（ＣｏＯ）である。

第２実施形態にかかる光検知素子１０Ｂは、光照射部２０から磁性素子１１Ｂに光Ｌが照射されていない状態において、第１強磁性層１の磁化Ｍ１が面内方向及び面直方向に対して傾いているため、磁性素子１１ＢのＲＨ曲線がヒステリシスを示さない。したがって、第２実施形態にかかる光デバイスは、第１実施形態にかかる光デバイス１００と同様に、磁性素子１１Ｂからの出力が、磁性素子１１Ｂに照射される光Ｌの広い強度範囲にわたって、光Ｌの強度変化に応じて連続的に変化する。

「第３実施形態」
第３実施形態にかかる光デバイスは、光検知素子１０Ｃと光照射部２０とを備える。光照射部２０の構成は、第１実施形態にかかる光デバイスと同様である。図９は、第３実施形態にかかる光検知素子１０Ｃの断面図である。光検知素子１０Ｃは、磁場印加部３０を備えずに、圧電素子５０を備える点で、光検知素子１０と異なる。光検知素子１０Ｃにおいて、光検知素子１０と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省く。

光検知素子１０Ｃは、圧電素子５０を備える。圧電素子５０は、第１強磁性層１に応力を印加できる位置にある。圧電素子５０は、例えば、光照射部２０から磁性素子１１に照射される光Ｌを遮らない位置にある。圧電素子５０は、例えば、磁性素子１１を基準に、光が照射される側と反対側にある。圧電素子５０と磁性素子１１との間には、例えば、絶縁層９０がある。

圧電素子５０は、例えば、圧電体５１と電極５２、５３とを有する。図９は、圧電体５１に電圧を印加していない状態の断面図である。電極５２と電極５３とを介して、圧電体５１に電圧を印加すると圧電体５１は変形する。圧電素子５０は、圧電体５１が変形することで、第１強磁性層１に応力を印加する。

図１０は、第３実施形態に係る光検知素子１０Ｃの第１状態を示す図である。図１０の左図は、ｙｚ断面図である。図１０の右図は、第１強磁性層１を通るｘｙ断面図である。圧電体５１に電圧を印加すると、圧電体５１は変形する。図１０に示す第１状態では、圧電体５１が、電圧を印加する前の状態から圧電体５１のｘ方向の中心が磁性素子１１に近づくように変形する。

第１状態では、第１強磁性層１に対して、ｘ方向の引張応力Ｆ１が印加される。第１強磁性層１のｘ方向に引張応力Ｆ１が印加されると、磁歪効果により異方性磁場が生じ、第１強磁性層１の磁化Ｍ１はｚ方向からｙ方向に向かって傾く。その結果、第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、面内方向及び面直方向のいずれに対しても傾く。ここでは、一例として、ｘ方向に引張応力Ｆ１が印加される例を示したが、引張応力Ｆ１が印加される方向は面内方向のいずれの方向でもよい。第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、引張応力Ｆ１が作用する方向と直交する面内方向に向かって傾く。

図１１は、第３実施形態に係る光検知素子１０Ｃの第２状態を示す図である。図１１の左図は、ｘｚ断面図である。図１１の右図は、第１強磁性層１を通るｘｙ断面図である。図１１に示すように、圧電体５１に電圧を印加すると、圧電体５１は変形する。図１１に示す第２状態は、圧電体５１が、電圧を印加する前の状態から圧電体５１のｘ方向の中心が磁性素子１１から離れるように変形した状態である。

第２状態では、第１強磁性層１に対して、ｘ方向の圧縮応力Ｆ２が印加される。第１強磁性層１のｘ方向に圧縮応力Ｆ２が印加されると、磁歪効果により異方性磁場が生じ、第１強磁性層１の磁化Ｍ１はｚ方向からｘ方向に向かって傾く。その結果、第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、面内方向及び面直方向のいずれに対しても傾く。ここでは、一例として、ｘ方向に圧縮応力Ｆ２が印加される例を示したが、圧縮応力Ｆ２が印加される方向は面内方向のいずれの方向でもよい。第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、圧縮応力Ｆ２が作用する方向に平行な方向に向かってに傾く。

第３実施形態にかかる光検知素子１０Ｃは、光照射部２０から磁性素子１１に光Ｌが照射されていない状態において、第１強磁性層１の磁化Ｍ１が面内方向及び面直方向に対して傾いているため、磁性素子１１のＲＨ曲線がヒステリシスを示さない。したがって、第３実施形態にかかる光デバイスは、第１実施形態にかかる光デバイス１００と同様に、磁性素子１１からの出力が、磁性素子１１に照射される光Ｌの広い強度範囲にわたって、光Ｌの強度変化に応じて連続的に変化する。

「第４実施形態」
第４実施形態にかかる光デバイスは、光検知素子１０Ｄと光照射部２０とを備える。光照射部２０の構成は、第１実施形態にかかる光デバイスと同様である。図１２は、第４実施形態にかかる光検知素子１０Ｄの断面図である。図１３は、第４実施形態にかかる光検知素子１０Ｄの断面図である。図１２は、光検知素子１０Ｄのｘｚ断面であり、図１３は、光検知素子１０Ｄの第１強磁性層１を通るｘｙ断面である。光検知素子１０Ｄは、磁場印加部３０を備えず、磁性素子１１Ｄの平面視形状が、磁性素子１１と異なる点で、光検知素子１０と異なる。光検知素子１０Ｄにおいて、光検知素子１０と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省く。

磁性素子１１Ｄの第１強磁性層１は、ｚ方向から見た平面視形状が楕円形である。第１強磁性層１は、ｚ方向から見て、長手方向の長さを短手方向の長さで割ったアスペクト比が１より大きい。第１強磁性層１には、第１強磁性層１の形状異方性に起因した異方性磁場が生じる。第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、ｚ方向から異方性磁場が加わる方向に向かって傾く。ここでは、第１強磁性層１の平面視形状として楕円の場合を例示したが、長手方向と短手方向との長さが異なるものであればこの例に限られない。

第４実施形態にかかる光検知素子１０Ｄは、光照射部２０から磁性素子１１Ｄに光Ｌが照射されていない状態において、第１強磁性層１の磁化Ｍ１が面内方向及び面直方向に対して傾いているため、磁性素子１１ＤのＲＨ曲線がヒステリシスを示さない。したがって、第４実施形態にかかる光デバイスは、第１実施形態にかかる光デバイス１００と同様に、磁性素子１１Ｄからの出力が、磁性素子１１Ｄに照射される光Ｌの広い強度範囲にわたって、光Ｌの強度変化に応じて連続的に変化する。

「第５実施形態」
第５実施形態にかかる光デバイスは、光検知素子１０Ｅと光照射部２０とを備える。光照射部２０の構成は、第１実施形態にかかる光デバイスと同様である。図１４は、第５実施形態にかかる光検知素子１０Ｅの断面図である。光検知素子１０Ｅは、磁場印加部３０を備えない点で、光検知素子１０と異なる。光検知素子１０Ｅにおいて、光検知素子１０と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省く。

第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、光照射部２０からの光Ｌが磁性素子１１に照射されていない状態で、面内方向及び面直方向に対して傾いている。光照射部２０からの光Ｌが磁性素子１１に照射されていない状態における第１強磁性層１の磁化Ｍ１の配向方向は、第１強磁性層１の厚みで制御できる。第１強磁性層１の厚みが薄いと、上下の層との界面により第１強磁性層１に垂直磁気異方性印加効果が強く生じ、第１強磁性層１の磁化Ｍ１はｚ方向に配向する。これに対し、第１強磁性層１の厚みが厚くなると、垂直磁気異方性印加効果が弱まり、磁化Ｍ１はｚ方向から面内方向のいずれかの方向に向かって傾く。

第５実施形態にかかる光検知素子１０Ｅは、光照射部２０から磁性素子１１に光Ｌが照射されていない状態において、第１強磁性層１の磁化Ｍ１が面内方向及び面直方向に対して傾いているため、磁性素子１１のＲＨ曲線がヒステリシスを示さない。したがって、第５実施形態にかかる光デバイスは、第１実施形態にかかる光デバイス１００と同様に、磁性素子１１からの出力が、磁性素子１１に照射される光Ｌの広い強度範囲にわたって、光Ｌの強度変化に応じて連続的に変化する。

「第６実施形態」
第６実施形態にかかる光デバイスは、光検知素子１０Ｆと光照射部２０とを備える。光照射部２０の構成は、第１実施形態にかかる光デバイスと同様である。図１５は、第６実施形態にかかる光検知素子１０Ｆの断面図である。図１６は、第６実施形態にかかる光検知素子１０Ｆの断面図である。図１５は、光検知素子１０Ｆのｘｚ断面であり、図１６は、光検知素子１０Ｆの第１強磁性層１を通るｘｙ断面である。光検知素子１０Ｆは、磁場印加部３０を備えず、磁性素子１１にかえて磁性素子１１Ｆを有する点で、光検知素子１０と異なる。光検知素子１０Ｆにおいて、光検知素子１０と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省く。

磁性素子１１Ｆの第１強磁性層１、第２強磁性層２および強磁性層６は面内磁化膜である。磁性素子１１Ｆの第１強磁性層１の磁区構造は、光照射部２０から磁性素子１１Ｆに光Ｌが照射されていない状態で、ボルテックス構造である。ボルテックス構造は、中心Ｃを取り囲むように、面内方向に磁気モーメントＭＭ１が渦巻いている構造である。ボルテックス構造は、第１強磁性層１の厚みと平面視した際の径とを調整することで発現する。例えば、第１強磁性層１がＦｅＢの場合、第１強磁性層１の厚みを１０ｎｍ、径を１．１μｍとすると、第１強磁性層１の磁区構造はボルテックス構造となる。また例えば、第１強磁性層１がＮｉＦｅの場合、第１強磁性層１の厚みを１５ｎｍ、径を１７０ｎｍとすると、第１強磁性層１の磁区構造はボルテックス構造となる。また例えば、第１強磁性層１がＣｏＦｅＢの場合、第１強磁性層１の厚みを１０ｎｍ、径を３００ｎｍとすると、第１強磁性層１の磁区構造はボルテックス構造となる。

図１７は、第６実施形態に係る磁性素子１１ＦのＲＨ曲線を示す図である。この例では、外部磁場は、第２強磁性層２の磁化Ｍ２の方向である面内方向（この例ではｘ方向）の磁場である。第１強磁性層１の磁区構造がボルテックス構造の場合、光照射部２０から磁性素子１１Ｆに光Ｌが照射されていない状態で、磁性素子１１ＦのＲＨ曲線が、ゼロを含む外部磁場強度の範囲Ａ１においてヒステリシスを示さない。

第６実施形態にかかる光検知素子１０Ｆは、光照射部２０から磁性素子１１Ｆに光照射部２０から光Ｌが照射されていない状態で、磁性素子１１ＦのＲＨ曲線が 、ゼロを含む外部磁場強度の範囲Ａ１においてヒステリシスを示さない。したがって、第６実施形態にかかる光デバイスは、第１実施形態にかかる光デバイス１００と同様に、磁性素子１１Ｆからの出力が、磁性素子１１Ｆに照射される光Ｌの広い強度範囲にわたって、光Ｌの強度変化に応じて連続的に変化する。

以上、本発明は上記の実施形態及び変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、上記の実施形態及び変形例の特徴的な構成をそれぞれ組み合わせてもよい。

また第１実施形態から第５実施形態では、光Ｌが磁性素子に照射されていない状態で、第１強磁性層１の磁化Ｍ１を面内方向及び面直方向に対して傾けること、第６実施形態では、光Ｌが磁性素子に照射されていない状態で、第１強磁性層１の磁区構造をボルテックス構造とすることで、少なくとも、ゼロを含む外部磁場強度の範囲において、磁性素子のＲＨ曲線がヒステリシスを示さない状態を実現する例を示した。光Ｌが磁性素子に照射されていない状態で、少なくとも、ゼロを含む外部磁場強度の範囲において、磁性素子のＲＨ曲線がヒステリシスを示さない状態を実現する方法は、これらに限られない。光Ｌが磁性素子に照射されていない状態で、少なくとも、ゼロを含む外部磁場強度の範囲において、磁性素子のＲＨ曲線がヒステリシスを示さなければ、磁性素子からの出力は、磁性素子に照射される光の広い強度範囲にわたって、光の強度変化に応じて連続的に変化する。

上記の実施形態及び変形例にかかる光デバイスは、イメージセンサー等の光センサー装置、通信システムの送受信装置等に適用できる。

図１８は、第１適用例にかかる送受信装置１０００のブロック図である。送受信装置１０００は、受信装置３００と送信装置４００とを備える。受信装置３００は光信号Ｌ１を受信し、送信装置４００は光信号Ｌ２を送信する。

受信装置３００は、例えば、光検知素子３０１と信号処理部３０２とを備える。光検知素子３０１と光信号Ｌ１を照射する光照射部とを含めたものを、上述の実施形態又は変形例のいずれかの光デバイスとすることができる。受信装置３００において、高周波の光信号Ｌ１を含み強度変化する光が、例えば光照射部としてのレンズ（図示せず）を通過して、磁性素子の第１強磁性層１に照射される。光検知素子３０１は、光信号Ｌ１を電気信号に変換する。信号処理部３０２は、光検知素子３０１で変換した電気信号を処理する。信号処理部３０２は、光検知素子３０１から生じる電気信号を処理することにより、光信号Ｌ１に含まれる信号を受信する。受信装置３００は、光信号Ｌ１に含まれる信号を、例えば磁性素子の出力電圧に基づいて受信する。

送信装置４００は、例えば、光源４０１と電気信号生成素子４０２と光変調素子４０３とを備える。光源４０１は、例えば、レーザー素子である。光源４０１は、送信装置４００の外部にあってもよい。電気信号生成素子４０２は、送信情報に基づき電気信号を生成する。電気信号生成素子４０２は、信号処理部３０２の信号変換素子と一体となっていてもよい。光変調素子４０３は、電気信号生成素子４０２で生成された電気信号に基づき、光源４０１から出力された光を変調し、光信号Ｌ２を出力する。

図１９は、通信システムの一例の概念図である。図１９に示す通信システムは、２つの端末装置５００を有する。端末装置５００は、例えば、スマートフォン、タブレット、パーソナルコンピュータ等である。

端末装置５００のそれぞれは、受信装置３００と送信装置４００とを備える。一方の端末装置５００の送信装置４００から送信された光信号を、他方の端末装置５００の受信装置３００で受信する。端末装置５００間の送受信に使用される光は、例えば可視光である。受信装置３００は、光検知素子３０１として上述の光検知素子を有する。

図２０は、第２適用例に係る光センサー装置２０００の断面の概念図である。光センサー装置２０００は、例えば、回路基板１２０と配線層１３０と複数の光センサーＳとを有する。配線層１３０及び複数の光センサーＳのそれぞれは、回路基板１２０上に形成されている。

複数の光センサーＳのそれぞれは、例えば、光検知素子１０と波長フィルターＦとレンズＲとを有する。図２０では光検知素子１０を用いる例を示したが、別の実施形態及び変形例にかかる光検知素子を用いてもよい。この例では、波長フィルターＦとレンズＲとが光照射部を構成している。光検知素子１０の磁性素子には、レンズＲおよび波長フィルターＦを通過した光が照射される。

波長フィルターＦは、特定の波長の光を選別して特定の波長域の光を透過させる。それぞれの波長フィルターＦが透過させる光の波長域は、同じでも異なってもよい。例えば、光センサー装置２０００は、青色（３８０ｎｍ以上４９０ｎｍ未満の波長域）を透過させる波長フィルターＦを有する光センサーＳ（以下、青色センサーと称する。）と、緑色（４９０ｎｍ以上５９０ｎｍ未満の波長域）を透過させる波長フィルターＦを有する光センサーＳ（以下、緑色センサーと称する。）と、赤色（５９０ｎｍ以上８００ｎｍ未満の波長域）を透過させる波長フィルターＦを有する光センサーＳ（以下、赤色センサーと称する。）と、を有してもよい。青色センサー、緑色センサー、赤色センサーを１画素とし、この画素を配列することで、光センサー装置２０００をイメージセンサーとして用いることができる。図２０に示す光センサー装置２０００は、光検知素子１０の磁性素子１１からの出力が、磁性素子１１に照射される光の広い強度範囲にわたって、光の強度変化に応じて連続的に変化するため、広い強度範囲にわたって光の強度を検出することができる。

レンズＲは、光を光検知素子１０の磁性素子に向かって集光する。一つの波長フィルターＦの下方には一つの磁性素子が配置されていても、複数の磁性素子が配置されていてもよい。

回路基板１２０は、例えば、アナログデジタル変換器１２１と出力端子１２２とを有する。光センサーＳから送られた電気信号は、アナログデジタル変換器１２１でデジタルデータに置換され、出力端子１２２から出力される。

配線層１３０は、複数の配線１３１を有する。複数の配線１３１の間には、層間絶縁膜１３２がある。配線１３１は、光センサーＳのそれぞれと回路基板１２０との間、回路基板１２０に形成された各演算回路の間を電気的に繋ぐ。光センサーＳのそれぞれと回路基板１２０とは、例えば、層間絶縁膜１３２をｚ方向に貫通する貫通配線を介して接続される。光センサーＳのそれぞれと回路基板１２０との間の配線間距離を短くすることで、ノイズを低減できる。

配線１３１は、導電性を有する。配線１３１は、例えば、Ａｌ、Ｃｕ等である。層間絶縁膜１３２は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁体である。層間絶縁膜１３２は、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇの酸化物、窒化物、酸窒化物である。層間絶縁膜１３２は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ_ｘ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化クロム、炭窒化ケイ素（ＳｉＣＮ）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_ｘ）等である。

上述の光センサー装置２０００は、例えば、端末装置に用いることができる。図２１は、端末装置６００の一例の模式図である。図２１の左は端末装置６００の表面であり、図２１の右は端末装置６００の裏面である。端末装置６００は、カメラＣＡを有する。上述の光センサー装置２０００は、このカメラＣＡの撮像素子に用いることができる。図２１では、端末装置６００の一例として、スマートフォンを例示したが、この場合に限られない。端末装置６００は、スマートフォン以外に、例えば、タブレット、パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ等である。

以上、本発明は上記の実施形態及び変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１，１’…第１強磁性層、２，２’…第２強磁性層、３，３’…スペーサ層、４…バッファ層、５…シード層、６…強磁性層、７…磁気結合層、８…垂直磁化誘起層、９…キャップ層、１０、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ…光検知素子、１１，１１Ｂ，１１Ｄ，１１Ｆ…磁性素子、１２…第１電極、１３…第２電極、２０…光照射部、３０…磁場印加部、３１…第１硬磁性層、３２…第２硬磁性層、３３…第１遮光層、３４…第２遮光層、４０…反強磁性層、５０…圧電素子、５１…圧電体、５２，５３…電極、９０…絶縁層、１００…光デバイス、１２０…回路基板、１２１…アナログデジタル変換器、１２２…出力端子、１３０…配線層、１３１…配線、１３２…層間絶縁膜、３００…受信装置、３０１…光検知素子、３０２…信号処理部、４００…送信装置、４０１…光源、４０２…電気信号生成素子、４０３…光変調素子、５００，６００…端末装置、１０００…送受信装置、２０００…光センサー装置、Ａ１…ゼロを含む外部磁場強度の範囲、Ｃ…中心、Ｆ…波長フィルター、Ｆ１…引張応力、Ｆ２…圧縮応力、Ｌ…光、Ｌ１，Ｌ２…光信号、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ１’，Ｍ２’，Ｍ６，Ｍ３１，Ｍ３２…磁化、Ｒ…レンズ、Ｓ…光センサー、Ｓ１…第１面、Ｓ２…第２面

Claims (10)

1. 磁性素子と光照射部とを備え、
   前記光照射部は、前記磁性素子に光を照射し、
   前記磁性素子は、光が照射される第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれるスペーサ層と、を備え、
   前記第１強磁性層の磁化は、前記光照射部から前記磁性素子に光が照射されていない状態で、前記第１強磁性層が広がる面内方向及び前記第１強磁性層が広がる面と直交する面直方向のいずれに対しても傾いている、光デバイス。
2. 磁場印加部をさらに備え、
   前記磁場印加部は、前記第１強磁性層に対して磁場を印加し、
   前記磁場印加部は、前記光照射部から前記磁性素子に照射される光を遮らない位置にある、請求項１に記載の光デバイス。
3. 前記磁場印加部には、前記光照射部からの光が照射されない、請求項２に記載の光デバイス。
4. 前記磁性素子は、反強磁性層をさらに備え、
   前記反強磁性層は、前記第１強磁性層の前記スペーサ層と接する第１面と反対側の第２面に接する、請求項１～３のいずれか一項に記載の光デバイス。
5. 前記反強磁性層は、酸化物を含む、請求項４に記載の光デバイス。
6. 圧電素子をさらに備え、
   前記圧電素子は、前記第１強磁性層に応力を印加する、請求項１に記載の光デバイス。
7. 前記圧電素子は、前記光照射部から前記磁性素子に照射される光を遮らない位置にある、請求項６に記載の光デバイス。
8. 前記第１強磁性層は、前記面直方向から見て、長手方向の長さを短手方向の長さで割ったアスペクト比が１より大きい、請求項１に記載の光デバイス。
9. 磁性素子と光照射部とを備え、
   前記光照射部は、前記磁性素子に光を照射し、
   前記磁性素子は、光が照射される第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれるスペーサ層と、を備え、
   光デバイスに印加された外部磁場に対する前記磁性素子の抵抗変化を示すＲＨ曲線は、前記光照射部から前記磁性素子に光が照射されていない状態で、少なくとも、ゼロを含む外部磁場強度の範囲においてヒステリシスを示さない、光デバイス。
10. 磁性素子と光照射部とを備え、
    前記光照射部は、前記磁性素子に光を照射し、
    前記磁性素子は、光が照射される第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれるスペーサ層と、を備え、
    前記第１強磁性層の磁区構造は、前記光照射部から前記磁性素子に光が照射されていない状態で、ボルテックス構造である、光デバイス。

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