(57)【要約】【課題】低いコストで分極反転の核密度を高めることができる分極反転領域の形成方法を提供する。【解決手段】この分極反転領域の形成方法は、強誘電体結晶基板１００の第１面に位置していて分極反転される第１領域１２０上に、絶縁体３２０を部分的に形成する工程と、第１領域１２０上及び絶縁体３２０上に第１電極２４２を形成する工程と、第１面の反対面である第２面上に形成された第２電極２２０と第１電極２４２の間に電圧を印加することにより、第１領域１２０を分極反転領域１２４とする工程と、を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体結晶の第１面に位置していて分極反転される第１領域上に、絶縁体を部分的に形成する工程と、
前記第１領域上及び前記絶縁体上に第１電極を形成する工程と、
前記強誘電体結晶の前記第１面の反対面である第２面上に形成された第２電極と、前記第１電極との間に電圧を印加することにより、前記第１領域を分極反転領域とする工程と、
を備える分極反転領域の形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載の分極反転領域の形成方法において、
前記絶縁体を部分的に形成する工程は、互いに離間した複数の前記絶縁体を前記第１領域上に形成する工程である分極反転領域の形成方法。
【請求項３】
請求項１に記載の分極反転領域の形成方法において、
前記絶縁体を部分的に形成する工程は、前記第１領域上に、複数の開口を有する前記絶縁体を形成する工程である分極反転領域の形成方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一つに記載の分極反転領域の形成方法において、
前記絶縁体を部分的に形成する工程は、物理堆積法または化学堆積法で絶縁物質を堆積することにより前記絶縁体を部分的に形成し、かつ前記絶縁物質が前記第１領域の全面を被覆する膜に成長する前に、前記物理堆積法または化学堆積法を終了する工程である分極反転領域の形成方法。
【請求項５】
請求項４に記載の分極反転領域の形成方法において、
前記絶縁体の厚さは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である分極反転領域の形成方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一つに記載の分極反転領域の形成方法において、
前記絶縁体は、無機酸化物、金属酸化物又は窒素化合物である分極反転領域の形成方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一つに記載の分極反転領域の形成方法により、前記強誘電体結晶に複数の前記分極反転領域を周期的に形成する工程を有する擬似位相整合素子の製造方法。
【請求項８】
一面及び前記一面の反対面を有する強誘電体結晶と、
前記強誘電体結晶の少なくとも前記一面に周期的に形成された複数の分極反転領域と、
前記複数の分極反転領域それぞれに設けられ、前記一面において前記分極反転領域に部分的に形成された絶縁体と、
を備える擬似位相整合素子。
【請求項９】
請求項８に記載の擬似位相整合素子において、
前記分極反転領域ごとに、互いに離間した複数の前記絶縁体を前記一面上に有する擬似位相整合素子。
【請求項１０】
請求項８に記載の擬似位相整合素子において、
前記絶縁体は複数の開口を有する擬似位相整合素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低いコストで分極反転の核密度を高めることができる分極反転領域の形成方法、擬似位相整合素子の製造方法、及び擬似位相整合素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3などの強誘電体結晶の誘電分極方向を周期的に１８０度反転（分極反転）させることにより擬似的に位相整合させる方法は、擬似位相整合（ＱＰＭ：Quasi-Phase-Matching）と呼ばれている。上記技術により、安価なレーザー光源を用いて、より高い周波数のレーザー光を得ることが可能になる。
【０００３】
分極反転領域を形成する方法としては、Ｔｉ拡散法、電子ビーム照射法、電圧印加法などさまざまな手法が研究開発されている。特に電圧印加法の進歩は目覚しく、非特許文献１に記載されているように、分極反転メカニズムなどが明確化されるとともに、高電圧パルス印加による分極反転法が広く素子製作に用いられるようになった。電圧印加法は、例えば特許文献１及び２に記載されているように、強誘電体結晶の上面に上面電極を設け、下面の略全面に下面電極を形成し、両電極間に高電圧をパルス印加するものである。電圧印加法により、アスペクト比（幅に対する深さの比）が１００以上の分極反転領域の作製も可能となっており、また、高い効率での波長変換の研究例の報告もなされている。
【０００４】
非特許文献２には、良好な分極反転構造を得るためには、分極反転処理（高圧パルス印加時）初期において、電極端の電界集中域に発生する分極反転の核密度を高めることが重要である、と記載されている。
【０００５】
これに対して特許文献３に記載の技術は、強誘電体結晶に傷や衝撃を与えたり、電極パターンを微細なパターンの集合体とするものである。これにより、電極端を増加し、分極反転処理初期の電界集中域が増加して分極反転の核密度が高まる、と記載されている。
【０００６】
【非特許文献１】栗村直  他９名「ＬｉＮｂＯ3の分極反転における選択的核成長法Ｉ〜動機とその背景化〜」、第４９回応用物理学関係連合講演会予稿集（２００２年３月  ２７ａ−ＺＳ−９）
【非特許文献２】丸山真幸  他７名「ＬｉＮｂＯ3の分極反転における選択的核成長法Ｖ〜短周期分極反転における核成長条件〜」第６３回応用物理学関係連合講演会予稿集（２００２年９月  ２７ｐ−Ｂ−３）
【特許文献１】特開２００４−１６３６１９号公報
【特許文献２】特開２００５−１４８２０２号公報
【特許文献３】特開２００５−２６６３６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献３に記載の技術では、分極反転の核密度を高めることは可能ではあるが、高価な露光器などの設備が必要であり、製造コストが高くなっていた。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低いコストで分極反転の核密度を高めることができる分極反転領域の形成方法、擬似位相整合素子の製造方法、及び擬似位相整合素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、  強誘電体結晶の第１面に位置していて分極反転される第１領域上に、絶縁体を部分的に形成する工程と、
前記第１領域上及び前記絶縁体上に第１電極を形成する工程と、
前記強誘電体結晶の前記第１面の反対面である第２面上に形成された第２電極と、前記第１電極との間に電圧を印加することにより、前記第１領域を分極反転領域とする工程と、
を備える分極反転領域の形成方法が提供される。
【００１０】
本発明によれば、上記した分極反転領域の形成方法により、前記強誘電体結晶に複数の前記分極反転領域を周期的に形成する工程を有する擬似位相整合素子の製造方法が提供される。
【００１１】
本発明によれば、一面及び前記一面の反対面を有する強誘電体結晶と、
前記強誘電体結晶の少なくとも前記一面に周期的に形成された複数の分極反転領域と、
前記複数の分極反転領域それぞれに設けられ、前記一面において前記分極反転領域を部分的に覆っている絶縁体と、
を備える擬似位相整合素子が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、低いコストで分極反転の核密度が高まる分極反転領域の形成方法及び擬似位相整合素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１４】
図１〜図５の各図は、第１の実施形態にかかる分極反転領域の形成方法を説明するための図である。この分極反転領域の形成方法は、強誘電体結晶（強誘電体結晶基板）１００の第１面に位置していて分極反転される第１領域１２０上に、絶縁体３２０を部分的に形成する工程と、第１領域１２０上及び絶縁体３２０上に第１電極２４２を形成する工程と、第１面の反対面である第２面上に形成された第２電極２２０と第１電極２４２の間に電圧を印加することにより、第１領域１２０を分極反転領域とする工程と、を備える。この分極反転領域の形成方法は、例えば擬似位相整合素子を形成する工程の一部である。以下、詳細に説明する。
【００１５】
まず図１（ａ）の断面図に示すように、強誘電体結晶基板１００の第２面（本図では下面）上に、第２電極２２０を、例えばスパッタリング法により形成する。強誘電体結晶基板１００は、例えばＬｉＮｂＯ3基板又はＬｉＴａＯ3基板であり、その厚さは例えば０．２ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である。第２面は例えば−Ｚ面である。第２電極２２０は、例えばＡｌ膜であり、その厚さは例えば０．５μｍである。第２電極２２０を形成するためのスパッタリング条件は、例えばＡｒガスの圧力が０．５Ｐａ、強誘電体結晶基板１００の温度が室温、ＲＦパワーが５Ｗ／ｃｍ2である。第２電極２２０は、成膜後に選択的に除去されることにより、その平面形状が擬似位相整合素子となる領域より少し小さくなっている。この選択的な除去工程は、例えばマスクパターンをマスクとしたウェットエッチングにより行われる。エッチング液としては、例えばリン酸、硝酸、及び酢酸の混酸が用いられる。
【００１６】
次いで、強誘電体結晶基板１００の第１面（本図では上面）上に、絶縁膜３００を形成し、絶縁膜３００を選択的に除去する。第１面は、例えば＋Ｚ面である。これにより、第１領域１２０上に位置する絶縁膜３００は除去され、かつ分極反転されない領域である第２領域１１０は絶縁膜３００で被覆される。第１領域１２０及び第２領域１１０は交互に複数配置されている。絶縁膜３００は、例えばフォトレジスト膜であるが、絶縁体３２０とのエッチング選択比を十分高くできるのであれば、他の絶縁膜であってもよい。
【００１７】
次いで図１（ｂ）に示すように、強誘電体結晶基板１００の第１面の第１領域１２０上、及び絶縁膜３００上に、絶縁体３２０を部分的に形成する。絶縁体３２０となる絶縁物質は無機物が好ましく、例えば酸化アルミニウムや酸化ジルコニウムなどの金属酸化物、酸化シリコンなどの無機酸化物、又は窒化シリコンなどの窒素化合物である。この工程は、例えばスパッタリング法、真空蒸着法である物理堆積法、またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法である化学堆積法により絶縁物質を堆積することにより絶縁体３２０を形成し、かつ絶縁物質が第１領域１２０の全面を被覆する膜に成長する前に、物理堆積法または化学堆積法を終了する工程である。例えば酸化シリコンからなる絶縁体３２０をスパッタリング法により形成する場合、スパッタリング条件は、例えばＡｒガスの圧力が０．３Ｐａ、強誘電体結晶基板１００の温度が室温、ＲＦパワーが１０Ｗ／ｃｍ2である。
【００１８】
図２は、図１（ｂ）の状態における強誘電体結晶基板１００の平面図である。本図及び図１（ｂ）に示す例では、スパッタリング法、真空蒸着法、またはＣＶＤ法は、成膜の初期段階で終了しており、これにより、互いに離間している島状の複数の絶縁体３２０が第１領域１２０上及び絶縁膜３００上に形成される。平面視において、複数の絶縁体３２０の幅は、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であるのが好ましく、より好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。また、強誘電体結晶基板１００の第１面から絶縁体３２０の上端までの高さは、例えば５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。また絶縁体３２０による第１領域１２０の被覆率、すなわち第１領域１２０の面積に対する絶縁体３２０が形成された領域の面積の比率は、２０％以上５０％以下である。
【００１９】
次いで図３（ａ）に示すように、第１領域１２０上、絶縁膜３００上、及び絶縁体３２０上に導電膜２４０を、例えばスパッタリング法により形成する。第２電極２２０は、例えばＡｌ膜であり、スパッタリング条件は、例えばＡｒガスの圧力が０．５Ｐａ、強誘電体結晶基板１００の温度が室温、ＲＦパワーが５Ｗ／ｃｍ2である。
【００２０】
次いで図３（ｂ）に示すように、絶縁膜３００を、絶縁膜３００上に位置している絶縁体３２０及び導電膜２４０とともに除去する。これにより、第１領域１２０上に位置する第１電極２４２が形成される。第１領域１２０が複数ある場合、第１電極２４２は複数の第１領域１２０上それぞれに形成されているが、図示していない導電体を介して互いに電気的に接続している。
【００２１】
なお、図３（ｂ）に示す状態において、第１領域１２０上には予め部分的に絶縁体３２０が形成されているため、第１電極２４２と絶縁体３２０の境界部分も、第１電極２４２の端部として機能する。従って、絶縁体３２０が形成されていない場合と比較して、第１電極２４２の端部の長さが増大している。
【００２２】
次いで図４（ａ）に示すように、第１電極２４２と第２電極２２０に高電圧電源５０を接続し、第１電極２４２と第２電極２２０の間に高電圧をパルス印加する。電圧の大きさは、例えば１．８ｋＶであり、パルス幅は、例えば１ｍｓであり、パルス形状は、例えば矩形である。また印加されるパルス数は、例えば１０回である。
【００２３】
このパルス印加において、第１領域１２０のうち第１電極２４２の端部の下に位置する部分に電界が集中し、分極反転領域の核１２２が形成される。上記したように、絶縁体３２０が形成されることにより、第１電極２４２の端部の長さが増大している。このため、分極反転領域の核１２２の量も、絶縁体３２０が形成されていない場合と比較して増大する。
【００２４】
そして図４（ｂ）に示すように、第１電極２４２と第２電極２２０の間に継続して高電圧のパルス印加を行うと、分極反転領域の核１２２が横方向にも広がって互いにつながり、第１領域１２０の全体に分極反転領域１２４が形成される。
【００２５】
その後図５に示すように、第１電極２４２と第２電極２２０から高電圧電源５０を取り外し、さらに第１電極２４２及び第２電極２２０を除去する。第１電極２４２及び第２電極２２０の除去は、例えばリン酸、硝酸、及び酢酸の混酸を用いたエッチングにより行われる。なお、この工程において絶縁体３２０は除去されず、分極反転領域１２４の一面上に残ったままになるが、特に問題は生じない。このようにして、分極反転領域１２４が形成される。分極反転領域１２４の平面形状は例えば長方形であるが、これに限定されない。
【００２６】
分極反転領域１２４が形成された強誘電体結晶基板１００は、例えば擬似位相整合素子として用いられる。この擬似位相整合素子は、一面及び一面の反対面を有する強誘電体結晶基板１００と、強誘電体結晶基板１００の少なくとも一面に周期的に形成された複数の分極反転領域１２４を備える。また、複数の分極反転領域１２４それぞれは、強誘電体結晶基板１００の一面において分極反転領域１２４を部分的に覆っている絶縁体３２０を有する。
【００２７】
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。上記したように、絶縁体３２０が形成されることにより、第１電極２４２の端部の長さが増大している。このため、分極反転領域の核１２２の量も、絶縁体３２０が形成されていない場合と比較して増大する。一方、絶縁体３２０の形成には露光工程は必要ないため、絶縁体３２０を低コストで形成することができる。従って、低いコストで分極反転の核密度を高めることができる。
【００２８】
また分極反転の核密度も飛躍的に高くなるため、分極反転領域１２４のアスペクト比（幅に対する深さの比）を大きくすることができる。これにより、分極反転領域１２４を必要な深さにするまでに必要な高電圧のパルス数を少なくすることができ、平面視における分極反転領域１２４の形状の制御性及び再現性が向上する。従って、例えば分極反転領域１２４が形成された強誘電体結晶基板１００を擬似位相整合素子として用いた場合、擬似位相整合素子の性能のばらつきが小さくなる。
【００２９】
図６は、第２の実施形態にかかる分極反転領域の形成方法を説明するための平面図であり、第１の実施形態における図２に相当する。本実施形態にかかる分極反転領域の形成方法は、絶縁体３２０を形成するためのスパッタリング法、真空蒸着法、またはＣＶＤ法を、第１の実施形態より長く行い、絶縁体３２０の中に複数の開口３２２が形成された状態にする点を除いて、第１の実施形態における分極反転領域の形成方法と同様である。本実施形態において、絶縁体３２０による第１領域１２０の被覆率は、例えば２０％以上５０％以下である。
本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。
【００３０】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。例えば第１領域１２０上には、島状の絶縁体３２０と複数の開口を有する絶縁体３２０が混在していてもよい。また、絶縁膜３００の絶縁耐圧が十分高い場合は、図３（ｂ）に示した工程を省略して、絶縁膜３００及び導電膜２４０をそのまま残し、導電膜２４０を第１電極として使用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】各図は第１の実施形態にかかる分極反転領域の形成方法を示す断面図である。
【図２】図１（ｂ）の状態における強誘電体結晶基板の平面図である。
【図３】各図は第１の実施形態にかかる分極反転領域の形成方法を示す断面図である。
【図４】各図は第１の実施形態にかかる分極反転領域の形成方法を示す断面図である。
【図５】第１の実施形態にかかる分極反転領域の形成方法を示す断面図である。
【図６】第２の実施形態にかかる分極反転領域の形成方法を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３２】
５０ 高電圧電源
１００ 強誘電体結晶基板
１１０ 第２領域
１２０ 第１領域
１２２ 核
１２４ 分極反転領域
２２０ 第２電極
２４０ 導電膜
２４２ 第１電極
３００ 絶縁膜
３２０ 絶縁体
３２２ 開口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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