WO2019073713A1 - 周期分極反転構造の製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to the production of a periodically poled structure by a voltage application method.
- a so-called voltage application method is known as a method for forming a periodically poled structure in a ferroelectric non-linear optical material.
- a comb electrode is formed on one main surface of a ferroelectric crystal substrate, a uniform electrode is formed on the other main surface, and a pulse voltage is applied between the two.
- Patent Document 1 describes that a lithium niobate substrate on which a comb electrode and a uniform electrode are formed is integrally laminated with a separate lithium niobate substrate, and is immersed in insulating oil to apply a voltage.
- an insulating film is provided on the surface of a lithium niobate Z-cut substrate, a stripe-like elongated gap is provided in the insulating film, and then the insulating film and the gap are covered.
- a conductive film is provided. Then, by applying a pulse voltage to this conductive film, a periodically poled structure is formed on the substrate.
- Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-070192 JP 2014-153555 Patent No. 4642065
- each electrode piece partial array 2 is composed of a large number of electrode pieces 3 and gaps 4 respectively.
- the gap part 8 is provided also between the adjacent electrode piece part array bodies 2.
- L is the period of the electrode piece array
- 30 is a floating electrode
- 31 is a feeding electrode.
- a periodically poled structure is formed in the ferroelectric crystal substrate 1. That is, a polarization inversion portion is formed below the electrode piece portion 3, and a non-polarization inversion portion is formed below the gap portion 4.
- the periodically poled structure 5 corresponding to each electrode piece portion array is formed.
- Each periodically poled structure 5 is composed of a large number of poled portions 6 and a non-poled portion 7 between them.
- a gap 18 is provided between the periodically poled structures 5 adjacent to each other. In order to increase the density of the periodically poled structure, it is necessary to reduce the period L of the periodically poled structure.
- the inventor tried to reduce the period S of the adjacent electrode piece array 2.
- dielectric breakdown occurs between the adjacent electrode piece array and the floating electrode 30 at the time of voltage application, and current leakage occurs as shown by the arrow C.
- the voltage can not be applied from the electrode piece, and the periodically poled structure is not formed.
- An object of the present invention is to provide an electrode piece array including a plurality of electrode pieces on a first main surface of a ferroelectric crystal substrate and apply a voltage to the electrode piece array.
- the period of the adjacent periodically poled structure is reduced, and at the same time, the dielectric breakdown between the electrode piece portion arrays is prevented to improve the productivity of the periodically poled structure. .
- the present invention is a method of manufacturing a periodically poled structure on a ferroelectric crystal substrate having a first main surface and a second main surface, Providing a first electrode piece array comprising a plurality of electrode pieces on the first main surface of the ferroelectric crystal substrate; Forming a first periodically poled structure by applying a voltage to the first electrode piece array; Providing a second electrode piece array consisting of a plurality of electrode pieces between a plurality of adjacent first periodic polarization inversion structures; and a voltage relative to the second electrode piece array To form a second periodically poled structure by applying
- the periodically poled structure to be formed is divided into at least a first and a second group, and voltages are separately applied to the periodically poled structure of the first group and the periodically poled structure of the second group. It is formed by the law.
- (A) shows typically the state which provided the electrode piece part array body 2 of multiple rows
- (b) is an enlarged view of the area
- a state in which the periodically poled structure 5 is formed on the substrate 1 is shown.
- (A) shows typically the state which provided the electrode piece part array body 2 of multiple rows
- (A) shows the state which provided the 1st electrode piece part array body 2A on the 1st main surface 1a of the ferroelectric crystal board
- (b) shows the 1st main surface 1a on the 1st The state which provided the 2nd electrode piece part arrangement body 2B is shown
- (c) shows the state which provided the 1st periodic polarization inversion structure 5A and the 2nd periodic polarization inversion structure 5B in the ferroelectric crystal board
- (A) shows a state in which the first periodically poled structure 5A extends from the first electrode piece part array 2A, and (b) shows a second period from the second electrode piece part array 2A The state in which the polarization inversion structure 5B is extended is shown.
- (A) shows the dielectric breakdown D which goes from the second electrode piece partial array 2 B to the first periodically poled structure 5 A, and (b) shows the damaged portion 12.
- substrate 1 is shown.
- a second electrode piece array 2C is provided on the first main surface 1a, and at this time, the end of the electrode piece array 2C is separated from the end of the first periodically poled structure 5A.
- the figure shows a state in which a first periodically poled structure 5A and a second periodically poled structure 5C are provided on a ferroelectric crystal substrate.
- a state is shown in which a conductive film and an insulating film patterned on the first main surface 1a of the ferroelectric crystal substrate are provided, and a counter electrode is provided on the second main surface 1b.
- It is a photograph in the comparative example 1 which shows the state in which the periodically poled structure is not formed. It is a photograph which shows the state to which the period polarization inversion structure is short in the comparative example 2.
- FIG. It is a photograph which shows the state in which the suitable period polarization inversion structure was formed in Example 1 of this invention. In Example 1, it is a photograph which shows the state which the local damage by the electric field concentration produced in the edge part of the period polarization inversion structure.
- Example 2 it is a photograph which shows the state which the damage by electric field concentration produced in the edge part of the period polarization inversion structure.
- Example 3 it is a photograph which shows the state in which the suitable period polarization inversion structure was formed.
- Example 3 it is a photograph which shows the state from which the local damage by electric field concentration was prevented at the edge part of the period polarization inversion structure.
- a ferroelectric crystal substrate 1 having a first major surface 1a and a second major surface 1b is prepared.
- a part A of the ferroelectric crystal substrate 1 is enlarged and shown due to the limit of the paper width, and a large number of electrode piece array elements are formed on the actual ferroelectric crystal substrate 1 .
- a first electrode piece array 2A comprising a plurality of electrode pieces 3 is provided on the first main surface 1a of the ferroelectric crystal substrate 1.
- a gap 4 is provided between the adjacent electrode pieces 3 and a gap 8 and a floating electrode 30 are provided between the adjacent electrode piece array 2A.
- Each electrode piece array is connected by a feed electrode 31.
- Let L be the period of the adjacent electrode piece array.
- a voltage is applied to the first electrode piece partial array to form a first periodically poled structure 5A as shown in FIGS. 4 (b) and 5 (a).
- the polarization inversion portion 6 is formed under each electrode piece portion 3
- the non-polarization inversion portion 7 is formed under each gap portion 4, and the polarization inversion portion 6 and the non-polarization inversion portion 7 are formed.
- the periodically poled structure 5A is formed.
- the period of the periodically poled structure 5A adjacent to each other is L on the first major surface 1a.
- a second electrode piece partial array 2B composed of a plurality of electrode pieces 3 is provided between a plurality of adjacent first periodically poled structures 5A.
- the floating electrode 30 is positioned between the facing electrode piece array and the feeding electrode 31.
- the floating electrode 30 is formed on the periodically poled structure 5A.
- a voltage is applied to the second electrode piece partial array 2B to form a second periodically poled structure 5B, as shown in FIGS. 4 (c) and 5 (b).
- the polarization inversion portion 6 is formed under each electrode piece portion 3, and the non-polarization inversion portion 7 is formed under each gap portion 4, and the polarization inversion portion 6 and the non-polarization inversion portion 7 are formed.
- the periodically poled structure 5B is formed.
- the period of the adjacent first periodically poled inversion structures 5A is L, and the period of the adjacent second periodically poled inversion structures 5B is also L (FIG. 5 (a )).
- the period S of the first periodically poled structure 5A and the second periodically poled structure 5B adjacent to each other can be made significantly smaller than L (FIG. 5 (b)).
- the distance between adjacent electrode piece arrays becomes L, which can be increased. It is possible to prevent a polarization inversion failure due to a dielectric breakdown between them and to form a periodic polarization inversion structure.
- the inventors further studied the cause of the damage 12 and obtained the following findings. That is, it was found that the damage 12 was concentrated at the end of the second periodically poled structure. This is considered to be because the dielectric breakdown occurred between the end of the second electrode piece array and the end of the first periodically poled structure formed in the lower part of the second electrode piece array.
- the first electrode piece partial array 2 A including a plurality of electrode pieces 3 is provided on the first main surface 1 a of the ferroelectric crystal substrate 1.
- a gap 4 is provided between the adjacent electrode pieces 3 and a gap 8 is also provided between the adjacent electrode piece array 2A.
- L be the period of the adjacent electrode piece array.
- a voltage is applied to the first electrode piece partial array to form a first periodically poled structure 5A as shown in FIG.
- the period of the periodically poled structure 5A adjacent to each other is L on the first major surface 1a.
- a second electrode piece array 2C including a plurality of electrode pieces 3 is provided between a plurality of adjacent first periodic polarization inversion structures 5A.
- the end 5e of the first periodically poled structure 5A and the end 2a of the second electrode piece array 2C are separated in the longitudinal direction P of the second electrode piece array 2C.
- a voltage is applied to the second electrode piece partial array 2C to form a second periodically poled structure 5C as shown in FIG.
- the period of the adjacent first periodic polarization inversion structure 5A is L
- the period of the adjacent second periodic polarization inversion structure 5C is also L.
- the period S of the first periodically poled structure 5A and the second periodically poled structure 5C adjacent to each other can be made significantly smaller than L.
- the end 5e of the first periodically poled structure 5A and the end 5f of the second periodically poled structure 5C are separated in the longitudinal direction P of the second periodically poled structure 5C. .
- damage 12 of the periodically poled structure due to a short circuit from the end of the second electrode piece part array towards the end of the first periodically poled structure can be prevented.
- the form of the electrode piece is not particularly limited, and may be a common comb electrode.
- an insulating film is formed between the electrode pieces on the first main surface of the ferroelectric crystal substrate, and a uniform electrode is provided on the second main surface of the ferroelectric crystal substrate. A voltage is applied between the electrode piece and the uniform electrode.
- FIG. 10 relates to this embodiment.
- a uniform conductive film is formed on the first main surface 1a of the ferroelectric crystal substrate 1, and then the conductive film is patterned to form a large number of elongated conductive films 41 as shown in FIG. Do.
- an insulating film 42 is provided to cover the conductive film 41.
- a conductive film 40 is formed on the entire second main surface 1 b of the substrate 1.
- the type of ferroelectric crystal constituting the substrate to form the periodically poled structure is not limited.
- lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), lithium niobate-lithium tantalate solid solution, K 3 Li 2 Nb 5 O 15 , La 3 Ga 5 SiO 14 can be exemplified. It is particularly preferred that the ferroelectric crystal is a single crystal.
- an X cut substrate, an off cut X cut substrate, a Y cut substrate, and an off cut Y cut substrate are preferable. 10 degrees or less are preferable and, as for these off-cut angles, 5 degrees or less are still more preferable.
- the material of the insulating film is not limited, oxides such as silicon oxide (SiO 2 ), tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), nitrides such as silicon nitride Good. Further, silicon oxide which is easily etched away with a chemical solution after polarization inversion is more preferable.
- the thickness of the patterned insulating film is not particularly limited, but is preferably 500 angstroms or more and 4000 angstroms or less. When the thickness of the insulating film is small, the insulating property is low and it is difficult to form polarization inversion. If the insulating film is too thick, the patterning accuracy will deteriorate.
- the material of the electrode piece portion and the counter electrode is not limited, but a laminated film of Al, Au, Ag, Cr, Cu, Ni, Ni-Cr, Pd, Ta, Mo, W, Ta, AuCr, etc. is preferable.
- the method of forming the electrode piece and the counter electrode is not particularly limited, and may be a vapor deposition method or a sputtering method.
- the film thickness of the electrode can be, for example, 500 to 3000 angstrom.
- the temperature of the ferroelectric crystal substrate at the time of voltage application is preferably 15 ° C. or higher, and more preferably 25 ° C. or higher, from the viewpoint of promoting the formation of the polarization inversion structure.
- the temperature of the ferroelectric crystal substrate at the time of voltage application is preferably 60 ° C. or less, more preferably 40 ° C. or less, from the viewpoint of preventing cracking and pyroelectricity of the ferroelectric crystal substrate.
- the ferroelectric crystal substrate can be placed in an atmosphere, but is preferably immersed in an insulating liquid.
- the insulating liquid include insulating oil (for example, silicone oil) and fluorine-based inert liquid.
- the voltage application method is not particularly limited.
- the substrate may be placed in an inert atmosphere to apply a voltage, or the substrate may be placed in an insulator liquid to apply a voltage.
- the contact position of the pin with respect to the electrode be in the middle.
- the voltage is preferably a pulse voltage, and a DC bias voltage may be further applied.
- Preferred conditions for the pulse voltage are as follows. Pulse voltage: 2.0kV to 8.0kV (/ mm) Pulse width: 0.1 ms to 10 ms DC bias voltage: 1.0kV to 5.0kV (/ mm)
- the formation of the second electrode piece portion array to form the second periodically poled structure after the formation of the second electrode piece portion array to form the second periodically poled structure, another step is separately performed between the first periodically poled structure and the second periodically poled structure. It is also possible to form a third electrode piece partial array and apply a voltage to the third electrode piece partial array to form a third periodically poled structure. In this case, although the number of times of voltage application increases, it is possible to further improve the density of the periodically poled structure instead. In addition, the formation of the electrode piece array and the voltage application may be performed four or more times.
- the period L of the electrode piece partial array adjacent to each other at the time of voltage application can be selected according to the material, but is preferably 1.4 mm or less, and more preferably 1.2 mm or less.
- the thickness is preferably 0.4 mm or more, more preferably 0.6 ⁇ m or more It is more preferable to set it as 0.7 mm or more.
- the end of the adjacent first periodically poled structure and the end of the second electrode piece array are separated in the longitudinal direction of the second electrode piece array.
- the distance t (see FIG. 8) between the end of the first periodically poled structure and the end of the second electrode piece array when viewed in the longitudinal direction is 1 mm or more. Is preferable, and 3 mm or more is more preferable. However, since the effect is not particularly increased even if the distance is excessively increased, the distance t is preferably 5 mm or less.
- the element of the present invention can be applied to a harmonic generation element such as a second harmonic generation element.
- a harmonic generation element such as a second harmonic generation element.
- the wavelength of the harmonic is preferably 330-1700 nm.
- the periodically poled structure 5 was formed on the ferroelectric crystal substrate 1.
- an MgO-doped LiNbO 3 off-cut Y-cut substrate was used as the substrate 1.
- the off cut angle is 5 °.
- a molybdenum film was formed on the first major surface 1 a of the substrate 1 as a conductive film.
- a molybdenum film was formed as the conductive film 40 on the second major surface 1 b of the substrate 1.
- the film thickness of each conductive film was about 1000 angstrom.
- a photoresist was spin-coated on the conductive film on the surface 1a, mask exposure and development were performed to form a resist pattern with a period of about 6.5 ⁇ m.
- a patterned conductive film 41 as shown in FIG. 10 was formed.
- the insulating film 42 was formed by sputtering.
- the film thickness was 2000 angstroms, and the material was silicon oxide.
- the period S of the adjacent electrode piece array 2 on the main surface 1a is 0.4 mm.
- the substrate 1 produced in this manner was immersed in insulating oil, and a pulse voltage was applied at 25.degree.
- the voltage application condition was set to about 2.8 kV / mm, and a rectangular pulse with a width of 1 msec was applied.
- Comparative example 2 In the same manner as Comparative Example 1, an attempt was made to form a periodically poled structure in a ferroelectric crystal substrate. However, by increasing the period S of the adjacent electrode piece array 2 to 0.6 mm, the density of the electrode piece array was slightly reduced.
- the periodically poled structure was formed, but the length of the periodically poled structure was about 30 ⁇ m and shortened (the length of the arrow is 30 ⁇ m). This is because a high voltage can not be applied in order to prevent a short circuit between adjacent electrode piece partial arrays.
- Example 1 In the same manner as Comparative Example 1, a periodically poled structure was formed. However, in this example, as shown in FIG. 4 and FIG. 5, the first periodic polarization reversal is achieved by separately providing the first electrode segment array 2A and the second electrode segment array 2B. The structure 5A and the second periodically poled structure 5B were separately formed. The period L of the first electrode segment array 2A is 0.8 mm, and the period S of the first periodically poled structure and the second electrode array segment is 0.4 mm. Others were the same as in Comparative Example 1.
- Example 2 The periodically poled structure was formed in the same manner as in Example 1. However, in this example, the period L of the first electrode segment array is 1.2 mm, and the period S of the first periodically poled structure and the second electrode segment array is 0.6 mm. This slightly reduced the density of the periodically poled structure.
- Example 3 An electrode piece array was formed in the same manner as in Example 1, and an attempt was made to form a periodically poled structure. However, in the present example, as shown in FIG. 8, the end 5 e of the first periodically poled structure 5 A and the second electrode piece array are viewed in the longitudinal direction P of the first electrode piece array 2 C. The end 2a of the body 2C was separated by 2 mm (t).
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Abstract
【課題】隣り合う周期分極反転構造の間隔を小さくしつつ、同時に電極片部間の絶縁破壊を防止し、周期分極反転構造の生産性を向上させる。 【解決手段】強誘電性結晶基板1の第一の主面1a上に、複数個の電極片部からなる第一の電極片部配列体2Aを設ける。第一の電極片部配列体2Aに対して電圧を印加することで第一の周期分極反転構造5Aを形成する。隣り合う複数の第一の周期分極反転構造5Aの間に、複数個の電極片部3からなる第二の電極片部配列体2Bを設ける。第二の電極片部配列体2Bに対して電圧を印加することで第二の周期分極反転構造5Bを形成する。
Description
本発明は、電圧印加法による周期分極反転構造の製造に関するものである。
強誘電体非線型光学材料に周期状の分極反転構造を形成する手法としては、いわゆる電圧印加法が知られている。この方法では、強誘電性結晶基板の一方の主面に櫛形電極を形成し、他方の主面に一様電極を形成し、両者の間にパルス電圧を印加する。
第2高調波発生デバイスにおいて高い変換効率を得るためには、強誘電性結晶内に深い分極反転構造を形成する必要がある。特許文献1では、櫛形電極および一様電極を形成したニオブ酸リチウム基板を、別体のニオブ酸リチウム基板と積層一体化し、絶縁油内に浸漬して電圧を印加することが記載されている。
また、特許文献2、3記載の方法では、ニオブ酸リチウムのZカット基板の表面に絶縁膜を設け、絶縁膜にストライプ状の細長い隙間を設けた上で、絶縁膜および隙間を被覆するように導電膜を設けている。そして、この導電膜にパルス電圧を印加することによって、基板に周期分極反転構造を形成している。
周期分極反転構造を有する素子、例えば高調波発生素子を量産するためには、1枚のウエハーから取り出せる素子数を増加させることが必要である。素子数を増加させる方法として、素子の長さを短くする、素子の配置間隔を狭めるという2方法あるが、前者の素子の長さを短くすると、変換効率が著しく低下するため、所望とする光出力性能が得られず、簡単には変更できない。他方、後者の素子間隔を狭める方法というのも、分極反転構造を形成する工程に対して条件変更となり、安定した製造が可能か確認する必要が生じる。但し、前者に対しては光出力性能を犠牲にすることなく、量産性を上げられる方法のため、どこまで隣り合う周期分極反転構造の間隔を小さくすることができるか検討してみた。しかしながら、以下の理由から、周期分極反転構造の密度向上に限界があることを発見した。
この問題点について図面を参照しつつ述べる。
例えば、図1(a)に示すように、強誘電性結晶基板1の第一の主面1aに、所定間隔Lを置いて複数列の電極片部配列体2を設ける。第二の主面1bには、対向する電極22を設けることができる。図1(b)(図1(a)の領域Aに対応する)に示すように、各電極片部配列体2は、それぞれ多数の電極片部3と間隙部4とからなる。そして、隣り合う電極片部配列体2間にも間隙部8が設けられている。なお、Lは電極片配列体の周期であり、30は浮き電極であり、31は給電電極である。
例えば、図1(a)に示すように、強誘電性結晶基板1の第一の主面1aに、所定間隔Lを置いて複数列の電極片部配列体2を設ける。第二の主面1bには、対向する電極22を設けることができる。図1(b)(図1(a)の領域Aに対応する)に示すように、各電極片部配列体2は、それぞれ多数の電極片部3と間隙部4とからなる。そして、隣り合う電極片部配列体2間にも間隙部8が設けられている。なお、Lは電極片配列体の周期であり、30は浮き電極であり、31は給電電極である。
ここで、各電極片部3と対向電極22との間に矢印Bのように電圧を印加すると、強誘電性結晶基板1内に周期分極反転構造が形成される。すなわち、電極片部3下には分極反転部が形成され、間隙部4の下には非分極反転部が形成される。この結果、図2に示すように、各電極片部配列体に対応する周期分極反転構造5が形成される。各周期分極反転構造5は、多数の分極反転部6と、それらの間の非分極反転部7とからなる。隣り合う周期分極反転構造5間には間隙部18が設けられている。周期分極反転構造の密度を増大させるためには、周期分極反転構造の周期Lを小さくすることが必要である。
そこで、本発明者は、図3(a)、図3(b)に示すように、隣り合う電極片部配列体2の周期Sを小さくすることを試みた。しかし、この場合には、電圧印加時に、隣り合う電極片部配列体と浮き電極30の間で絶縁破壊が生じ、矢印Cのように電流漏れが発生することがわかった。こうなると、例えば図11に示すように、電極片部からの電圧印加ができなくなり、周期分極反転構造が形成されないことが判明した。
本発明の課題は、強誘電性結晶基板の第一の主面上に、複数個の電極片部からなる電極片部配列体を設け、電極片部配列体に対して電圧を印加することで周期分極反転構造を形成するのに際して、隣り合う周期分極反転構造の周期を小さくしつつ、同時に電極片部配列体間の絶縁破壊を防止し、周期分極反転構造の生産性を向上させることである。
本発明は、第一の主面と第二の主面とを有する強誘電性結晶基板に周期分極反転構造を製造する方法であって、
前記強誘電性結晶基板の前記第一の主面上に、複数個の電極片部からなる第一の電極片部配列体を設ける工程;
前記第一の電極片部配列体に対して電圧を印加することで第一の周期分極反転構造を形成する工程;
隣り合う複数の前記第一の周期分極反転構造の間に、複数個の電極片部からなる第二の電極片部配列体を設ける工程;および
前記第二の電極片部配列体に対して電圧を印加することで第二の周期分極反転構造を形成する工程
を有することを特徴とする。
前記強誘電性結晶基板の前記第一の主面上に、複数個の電極片部からなる第一の電極片部配列体を設ける工程;
前記第一の電極片部配列体に対して電圧を印加することで第一の周期分極反転構造を形成する工程;
隣り合う複数の前記第一の周期分極反転構造の間に、複数個の電極片部からなる第二の電極片部配列体を設ける工程;および
前記第二の電極片部配列体に対して電圧を印加することで第二の周期分極反転構造を形成する工程
を有することを特徴とする。
本発明によれば、形成すべき周期分極反転構造を少なくとも第一および第二のグループに分け、第一のグループの周期分極反転構造と第二のグループの周期分極反転構造とを別々に電圧印加法によって形成している。これによって、電圧印加時において隣り合う電極片部配列体の周期を大きく維持しつつ、同時に周期分極反転構造の周期をより小さくすることができる。この結果、隣り合う周期分極反転構造の周期を小さくしつつ、同時に電極片部配列体間の絶縁破壊を防止し、周期分極反転構造の生産性を向上させることができる。
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施形態を詳細に説明する。
まず、図4(a)に示すように、第一の主面1aと第二の主面1bとを有する強誘電性結晶基板1を準備する。ただし、図面では、紙幅の限界のために強誘電性結晶基板1の一部分Aのみを拡大して示しており、実際の強誘電性結晶基板1には多数の電極片部配列体が形成される。
まず、図4(a)に示すように、第一の主面1aと第二の主面1bとを有する強誘電性結晶基板1を準備する。ただし、図面では、紙幅の限界のために強誘電性結晶基板1の一部分Aのみを拡大して示しており、実際の強誘電性結晶基板1には多数の電極片部配列体が形成される。
強誘電性結晶基板1の第一の主面1a上に、複数個の電極片部3からなる第一の電極片部配列体2Aを設ける。隣り合う電極片部3の間には間隙部4が設けられており、また隣り合う電極片部配列体2Aの間にも間隙部8および浮き電極30が設けられている。また、各電極片配列体は給電電極31によって接続されている。隣り合う電極片部配列体の周期をLとする。
次いで、第一の電極片部配列体に対して電圧を印加することで、図4(b)、図5(a)に示すように第一の周期分極反転構造5Aを形成する。ここで、各電極片部3下には分極反転部6が形成されており、各間隙部4の下には非分極反転部7が形成されており、分極反転部6と非分極反転部7によって周期分極反転構造5Aが形成されている。第一の主面1a上では、隣り合う周期分極反転構造5Aの周期はLである。
次いで、図4(b)に示すように、隣り合う複数の第一の周期分極反転構造5Aの間に、複数個の電極片部3からなる第二の電極片部配列体2Bを設ける。ここで、浮き電極30は、対向する電極片配列体と給電電極31との間に位置するようにする。典型的には、浮き電極30は、周期分極反転構造5Aの上に形成される。そして、第二の電極片部配列体2Bに対して電圧を印加することで、図4(c)、図5(b)に示すように、第二の周期分極反転構造5Bを形成する。ここで、各電極片部3下には分極反転部6が形成されており、各間隙部4の下には非分極反転部7が形成されており、分極反転部6と非分極反転部7によって周期分極反転構造5Bが形成されている。
この結果、第一の主面1a上では、隣り合う第一の周期分極反転構造5Aの周期はLであり、隣り合う第二の周期分極反転構造5Bの周期もLである(図5(a))。しかし、隣り合う第一の周期分極反転構造5Aと第二の周期分極反転構造5Bとの周期Sは、Lに比べて著しく小さくすることができる(図5(b))。その上、図4(a)、(b)に示す状態で各電極片部配列体に電圧を印加すると、隣り合う電極片部配列体の間隔はLとなり、大きくできるので、電極片部配列体間の絶縁破壊に起因する分極反転不良を防止でき、周期分極反転構造を形成することができる。
ただし、上述の実施形態では以下の問題点が新たに発生する場合があることを見いだした。
すなわち、図6(a)に示すように、第一の周期分極反転構造5Aを形成した後に第二の電極片部配列体2Bを設け、第二の電極片部配列体2Bに電圧を印加したものとする。この場合、矢印Dのように短絡が生じ、図6(b)に示すように、第二の周期分極反転構造5Bに局所的にダメージ12が発生する場合があった。
すなわち、図6(a)に示すように、第一の周期分極反転構造5Aを形成した後に第二の電極片部配列体2Bを設け、第二の電極片部配列体2Bに電圧を印加したものとする。この場合、矢印Dのように短絡が生じ、図6(b)に示すように、第二の周期分極反転構造5Bに局所的にダメージ12が発生する場合があった。
本発明者は、このダメージ12の原因について更に検討したところ、以下の知見を得た。すなわち、ダメージ12は第二の周期分極反転構造の端部に集中していることが判明した。これは、第二の電極片部配列体の端部と第二の電極片部配列体の下部に形成された第一の周期分極反転構造の端部の間で絶縁破壊が起きたためと考えられた。
この想定に基づいて、第一の周期分極反転構造の端部と第二の電極片部配列体の端部とを、第二の電極片部配列体の長手方向に見て離すことを試みた結果、前述したダメージが抑制されることを見いだした。以下、この実施形態について例示する。
すなわち、図7に示すように、強誘電性結晶基板1の第一の主面1a上に、複数個の電極片部3からなる第一の電極片部配列体2Aを設ける。隣り合う電極片部3の間には間隙部4が設けられており、また隣り合う電極片部配列体2Aの間にも間隙部8が設けられている。隣り合う電極片部配列体の周期をLとする。
次いで、第一の電極片部配列体に対して電圧を印加することで、図8に示すように第一の周期分極反転構造5Aを形成する。第一の主面1a上では、隣り合う周期分極反転構造5Aの周期はLである。
次いで、隣り合う複数の第一の周期分極反転構造5Aの間に、複数個の電極片部3からなる第二の電極片部配列体2Cを設ける。ここで、第一の周期分極反転構造5Aの端部5eと第二の電極片部配列体2Cの端部2aとを、第二の電極片部配列体2Cの長手方向Pに見て離している。この状態で、第二の電極片部配列体2Cに対して電圧を印加することで、図9に示すように、第二の周期分極反転構造5Cを形成する。
この結果、第一の主面1a上では、隣り合う第一の周期分極反転構造5Aの周期はLであり、隣り合う第二の周期分極反転構造5Cの周期もLである。しかし、隣り合う第一の周期分極反転構造5Aと第二の周期分極反転構造5Cとの周期Sは、Lに比べて著しく小さくすることができる。その上で、第一の周期分極反転構造5Aの端部5eと第二の周期分極反転構造5Cの端部5fとは、第二の周期分極反転構造5Cの長手方向Pに見て離れている。この結果、第二の電極片部配列体の端部から第一の周期分極反転構造の端部へと向かう短絡に起因する周期分極反転構造のダメージ12を防止することができる。
なお、これら第二の電極片部配列体2Cに、図8に描かれていない左側端部から給電電極が接続されている場合、当該左側端部では局所的な電界集中が発生しないため、ダメージは発生しない。したがって、左側端部においては第一の電極片部配列体2Aの左側端部と第二の電極片部配列体2Cの左側端部は長手方向にずらす必要はない。
なお、これら第二の電極片部配列体2Cに、図8に描かれていない左側端部から給電電極が接続されている場合、当該左側端部では局所的な電界集中が発生しないため、ダメージは発生しない。したがって、左側端部においては第一の電極片部配列体2Aの左側端部と第二の電極片部配列体2Cの左側端部は長手方向にずらす必要はない。
電極片部の形態は特に限定されず、通常の櫛形電極であってよい。好適な実施形態においては、強誘電性結晶基板の第一の主面において、電極片部間にそれぞれ絶縁膜を形成し、強誘電性結晶基板の第二の主面に一様電極を設け、電極片部と前記一様電極との間に電圧を印加する。図10はこの実施形態に係るものである。
まず、強誘電性結晶基板1の第一の主面1aに一様な導電膜を形成し、次いで導電膜をパターニングすることで、図10に示すように、多数列の細長い導電膜41を形成する。次いで、導電膜41を被覆するように絶縁膜42を設ける。
この結果、複数列の細長い導電膜41からなる電極片部が多数配列されると共に、隣接する電極片部間には絶縁膜42が介在することになる。各電極片部には、共通の給電電極31から電圧を印加する。
基板1の第二の主面1b上には、全面にわたって導電膜40を形成する。
周期分極反転構造を形成するべき基板を構成する強誘電性結晶の種類は、限定されない。しかし、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、ニオブ酸リチウム-タンタル酸リチウム固溶体、K3Li2Nb5O15、La3Ga5SiO14を例示できる。強誘電性結晶は単結晶であることが特に好ましい。
強誘電性結晶基板としては、Xカット基板、オフカットXカット基板、Yカット基板、オフカットYカット基板が好ましい。これらのオフカット角度は、10°以下が好ましく、5°以下が更に好ましい。
絶縁膜の材質は限定されないが、酸化珪素(SiO2)や五酸化タンタル(Ta2O5)、酸化アルミニウム(Al2O3)のような酸化物、窒化珪素のような窒化物であってよい。また、分極反転後に薬液でエッチング除去しやすい酸化珪素が更に好ましい。
パターニングされた絶縁膜の厚さは、特に限定されないが、500オングストローム以上、4000オングストローム以下が好ましい。絶縁膜の厚さが小さい場合は、絶縁性が低くなり、分極反転が形成されにくい。絶縁膜が厚すぎる場合は、パターニング精度が悪くなる。
電極片部、対向電極の材質は限定されないが、Al、Au、Ag、Cr、Cu、Ni、Ni-Cr 、Pd、Ta 、Mo、W、Ta、AuCrの積層膜などが好ましい。
電極片部、対向電極の形成方法は特に限定されず、蒸着法でもよく、スパッタリング法でもよい。電極の膜厚は、例えば500~3000オングストロームとすることができる。
電極片部、対向電極の形成方法は特に限定されず、蒸着法でもよく、スパッタリング法でもよい。電極の膜厚は、例えば500~3000オングストロームとすることができる。
次いで、電圧印加法によって電極片部と対向電極との間に電圧を印加し、基板に周期分極反転構造を形成する。
電圧印加時における強誘電性結晶基板の温度は、分極反転構造の形成促進という観点からは、15°C以上が好ましく、25°C以上がさらに好ましい。また、電圧印加時における強誘電性結晶基板の温度は、強誘電性結晶基板の割れや焦電防止という観点からは、60°C以下が好ましく、40°C以下がさらに好ましい。
電圧印加時における強誘電性結晶基板の温度は、分極反転構造の形成促進という観点からは、15°C以上が好ましく、25°C以上がさらに好ましい。また、電圧印加時における強誘電性結晶基板の温度は、強誘電性結晶基板の割れや焦電防止という観点からは、60°C以下が好ましく、40°C以下がさらに好ましい。
強誘電性結晶基板は、雰囲気中に設置することができるが、絶縁性液体中に浸漬することが好ましい。この絶縁性液体としては、絶縁オイル(例えばシリコンオイル)、フッ素系不活性液体を例示できる。
電圧印加方法は特に限定されない。例えば不活性雰囲気中に基板を設置して電圧を印加してもよく、絶縁体液体中に基板を設置して電圧を印加してもよい。電圧を印加する際、電圧印加プローブピンを用いる場合、ピンの電極に対する接触位置は、真ん中である方が望ましい。
電圧はパルス電圧であることが好ましく、直流バイアス電圧を更に印加してもよい。パルス電圧の好ましい条件は以下のとおりである。
パルス電圧:2.0kV~8.0kV(/mm)
パルス幅:0.1ms~10ms
直流バイアス電圧:1.0kV~5.0kV(/mm)
パルス電圧:2.0kV~8.0kV(/mm)
パルス幅:0.1ms~10ms
直流バイアス電圧:1.0kV~5.0kV(/mm)
本発明においては、第二の電極片部配列体を形成して第二の周期分極反転構造を形成した後に、更に第一の周期分極反転構造と第二の周期分極反転構造との間に別に第三の電極片部配列体を形成し、第三の電極片部配列体に電圧印加して第三の周期分極反転構造を形成することもできる。この場合には、電圧印加回数は増えるが、その代わりに周期分極反転構造の密度を更に向上させることが可能になる。また、電極片部配列体の形成と電圧印加とをそれぞれ4回以上実施してもよい。
電圧印加時に隣り合う電極片部配列体の周期Lは、材質に合わせて選択することができるが、例えば1.4mm以下とすることが好ましく、1.2mm以下とすることが更に好ましい。また、電圧印加時に隣り合う電極片部配列体の周期Lを小さく過ぎると短絡の影響が生じてくることから、0.4mm以上とすることが好ましく、0.6μm以上とすることが更に好ましく、0.7mm以上とすることが一層好ましい。
好適な実施形態においては、隣り合う第一の周期分極反転構造の端部と第二の電極片部配列体の端部とが、第二の電極片部配列体の長手方向に見て離れている。この場合には、前記長手方向に見たときの第一の周期分極反転構造の端部と第二の電極片部配列体の端部との間隔t(図8参照)を1mm以上とすることが好ましく、3mm以上とすることが更に好ましい。ただし、この間隔を大きくし過ぎても特に効果は増大しないことから、前記間隔tは5mm以下とすることが好ましい。
本発明の素子は、第二高調波発生素子等の高調波発生素子に適用できる。第二高調波発生素子として使用した場合には、高調波の波長は330-1700nmが好ましい。
(比較例1)
図3および図10に示すようにして、強誘電性結晶基板1に周期分極反転構造5を形成した。
具体的には、基板1としては、MgO添加のLiNbO3のオフカットYカット基板を使用した。オフカット角は5°である。基板1の第一の主面1aに、導電膜としてモリブデン膜を成膜した。また、これと同様にして、基板1の第二の主面1b上に導電膜40としてモリブデン膜を成膜した。各導電膜の膜厚は約1000オングストロームとした。
図3および図10に示すようにして、強誘電性結晶基板1に周期分極反転構造5を形成した。
具体的には、基板1としては、MgO添加のLiNbO3のオフカットYカット基板を使用した。オフカット角は5°である。基板1の第一の主面1aに、導電膜としてモリブデン膜を成膜した。また、これと同様にして、基板1の第二の主面1b上に導電膜40としてモリブデン膜を成膜した。各導電膜の膜厚は約1000オングストロームとした。
次いで、表面1a上の導電膜にフォトレジストをスピンコーティングし、マスク露光、現像を経て、周期約6.5μmのレジストパターンを形成した。このレジストパターンをマスクにしてウェットエッチング処理を行うことで、図10に示すようなパターニングされた導電膜41を形成した。
続いて、スパッタリング法によって、絶縁膜42を成膜した。この膜厚は2000オングストロームとし、材質は酸化珪素とした。ただし、図3に示すように、主面1a上における隣り合う電極片部配列体2の周期Sは0.4mmとした。
このように作製した基板1を絶縁オイル内に浸漬し、25℃でパルス電圧を印加した。電圧印加条件としては、約2.8kV/mmに設定し、1msec幅の矩形パルスを印加した。
電圧印加後、分極反転が形成されているかを確認するため、50%フッ酸でウェットエッチングした。この結果、図11に示すように、周期分極反転構造が形成されていなかった。これは、電極片部配列体2の周期Sが狭いので、小さな電圧でも電極間で短絡が生じ、分極反転部が形成されていないものである。
(比較例2)
比較例1と同様にして強誘電性結晶基板に周期分極反転構造を形成することを試みた。ただし、隣接する電極片部配列体2の周期Sを0.6mmまで大きくすることで、電極片部配列体の密度を若干低下させた。
比較例1と同様にして強誘電性結晶基板に周期分極反転構造を形成することを試みた。ただし、隣接する電極片部配列体2の周期Sを0.6mmまで大きくすることで、電極片部配列体の密度を若干低下させた。
この結果、図12に示すように、周期分極反転構造が形成されていたが、しかし周期分極反転構造の長さが約30μmであり、短くなっていた(矢印の長さは30μmである)。これは、隣接する電極片部配列体間での短絡を防止するためには、高電圧を印加できないためである。
(実施例1)
比較例1と同様にして周期分極反転構造を形成した。ただし、本例においては、図4、図5に示すように、第一の電極片部配列体2Aと第二の電極片部配列体2Bとを別個に設けることで、第一の周期分極反転構造5Aと第二の周期分極反転構造5Bとを別々に形成した。第一の電極片部配列体2Aの周期Lは0.8mmとし、第一の周期分極反転構造と第二の電極片部配列体との周期Sは0.4mmとした。その他は比較例1と同様にした。
比較例1と同様にして周期分極反転構造を形成した。ただし、本例においては、図4、図5に示すように、第一の電極片部配列体2Aと第二の電極片部配列体2Bとを別個に設けることで、第一の周期分極反転構造5Aと第二の周期分極反転構造5Bとを別々に形成した。第一の電極片部配列体2Aの周期Lは0.8mmとし、第一の周期分極反転構造と第二の電極片部配列体との周期Sは0.4mmとした。その他は比較例1と同様にした。
この結果、図13に示すように、長さ約60μmの良好な周期分極反転構造を狭い間隔で形成することに成功した(矢印の長さは60μmである)。ただし、図14に示すように、第二の電極片部配列体に対して電圧を印加するときに、一部の電極片部配列体の端部と第一の周期分極反転構造の端部との間での電界集中によって、ダメージ12(図6(b)参照)が観察されることがあった。
(実施例2)
実施例1と同様にして周期分極反転構造を形成した。ただし、本例では、第一の電極片部配列体の周期Lは1.2mmとし、第一の周期分極反転構造と第二の電極片部配列体との周期Sは0.6mmとした。これによって、周期分極反転構造の密度を若干低下させた。
実施例1と同様にして周期分極反転構造を形成した。ただし、本例では、第一の電極片部配列体の周期Lは1.2mmとし、第一の周期分極反転構造と第二の電極片部配列体との周期Sは0.6mmとした。これによって、周期分極反転構造の密度を若干低下させた。
この結果、長さ約50μmの良好な第一の周期分極反転構造および第二の周期分極反転構造を形成することができた。また、狭い間隔で形成することに成功した。ただし、図15に示すように、第二の電極片部配列体に対して電圧を印加するときに、一部の電極片部配列体の端部と第一の周期分極反転構造の端部との間での電界集中によって、ダメージ12(図6(b)参照)が観察されることがあった。ただし、このダメージの度合いは、実施例1におけるダメージ(図14参照)よりも低かった。
(実施例3)
実施例1と同様にして電極片部配列体を形成し、周期分極反転構造の形成を試みた。ただし、本例では、図8に示すように、第一の電極片部配列体2Cの長手方向Pに見て、第一の周期分極反転構造5Aの端部5eと第二の電極片部配列体2Cの端部2aとが2mm(t)離れるようにした。
実施例1と同様にして電極片部配列体を形成し、周期分極反転構造の形成を試みた。ただし、本例では、図8に示すように、第一の電極片部配列体2Cの長手方向Pに見て、第一の周期分極反転構造5Aの端部5eと第二の電極片部配列体2Cの端部2aとが2mm(t)離れるようにした。
この結果、図16に示すように、長さ約60μmの良好な周期分極反転構造を狭い間隔で形成することに成功した(矢印の長さは60μmである)。また、図17に示すように、第二の電極片部配列体に対して電圧を印加するときに、一部の電極片部配列体の端部と第一の周期分極反転構造の端部との間での電界集中によるダメージ12が見られなかった。
Claims (3)
- 第一の主面と第二の主面とを有する強誘電性結晶基板に周期分極反転構造を製造する方法であって、
前記強誘電性結晶基板の前記第一の主面上に、複数個の電極片部からなる第一の電極片部配列体を設ける工程;
前記第一の電極片部配列体に対して電圧を印加することで第一の周期分極反転構造を形成する工程;
隣り合う複数の前記第一の周期分極反転構造の間に、複数個の電極片部からなる第二の電極片部配列体を設ける工程;および
前記第二の電極片部配列体に対して電圧を印加することで第二の周期分極反転構造を形成する工程
を有することを特徴とする、周期分極反転構造の製造方法。 - 前記第一の周期分極反転構造の端部と前記第二の電極片部配列体の端部とが、前記第二の電極片部配列体の長手方向に見て離れていることを特徴とする、請求項1記載の方法。
- 前記強誘電性結晶基板の前記第一の主面において、前記電極片部間にそれぞれ絶縁膜を形成し、前記強誘電性結晶基板の前記第二の主面に一様電極を設け、前記電極片部と前記一様電極との間に前記電圧を印加することを特徴とする、請求項1または2記載の方法。
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