(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単分域化している強誘電体単結晶基板に電圧印加法により分極反転構造を製造する方法であって、
前記強誘電体単結晶基板がオフカット角１〜２０°のオフカット板であり、前記強誘電体単結晶基板の一方の表面上に、複数の電極部と給電部とを有する櫛型電極、および対向電極が設けられており、前記強誘電体単結晶基板の他方の表面上に一様電極が設けられており、前記各電極部が前記分極反転構造の各分極反転部に対応しており、前記電極部が、前記電極部の長手方向に対して交差する方向に向かって配列され、互いに離間された複数列の低抵抗片を備えており、前記電極部の先端が前記対向電極に対向しており、前記給電部と前記一様電極との間に電圧を印加することによって前記分極反転構造を生成させることを特徴とする、分極反転構造の製造方法。
【請求項２】
前記各電極部が、前記電極部の長手方向に向かって離間された複数の低抵抗片を備えていることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記低抵抗片の配列方向が、前記電極部の長手方向に対して８５〜９５°の角度で交差していることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧印加法により分極反転部を製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ニオブ酸リチウム単結晶やタンタル酸リチウム単結晶などの強誘電体非線型光学結晶に、周期的な分極反転構造を形成することによって、その周期に対応した第２高調波（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ−Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）を発生させることが可能である。ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどの結晶は、光導波路化も容易に行えるので、高効率、小型の第２高調波発生デバイスを実現することが可能である。このデバイスは、基本光といわれる励起レーザさえあれば、紫外から可視さらには赤外域などの波長の光を発生させることができ、医学用、光化学用、及び各種光計測用などの幅広い応用が可能である。
【０００３】
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、強誘電体単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（特開平１１−７２８０９号公報）に記載された方法では、基板表面を強誘電体結晶の分極軸に対して３°傾斜させ、かつ基板の表面に櫛形電極と棒状電極とを形成し、櫛形電極の各電極片の先端と棒状電極との間に幾つかの低電気抵抗部分を形成している。そして、櫛形電極と棒状電極との間に直流電圧を印加すると、櫛形電極の電極片に対応して分極反転部が形成されるのと共に、各低電気抵抗部分にもそれぞれ対応して分極反転部が形成されるとしている（図２８）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−７２８０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の方法では、例えば周期１０μｍ程度以上の周期状分極反転構造を得ようとすると、櫛型電極の先端部分で電圧印加によるダメージが生じる場合があった。また、ウエハ表面上において、反転部の幅が、櫛型電極の最先端部分と根本部分との間で異なっていた。即ち、櫛型電極の先端部分で反転部の幅が広がりやすく、根本の部分では電界が弱くなるので、反転部の幅が狭くなる傾向にあった。
【０００６】
そして、周期状分極反転の理想的な形態としては、分極反転部の幅が一定であることが望ましい。なぜなら、通常、周期分極反転構造は、５度オフカット基板のように、基板を構成する強誘電体結晶の分極軸が基板表面に対して傾斜する基板に形成する。従って、基板表面において各分極反転部の幅が変化していると、基板表面から潜った内部においては、分極反転部の幅が深さ方向に向かって変化しているはずである。このような分極反転部の幅のバラツキは高周波変調特性を劣化させる。
【０００７】
本発明の課題は、いわゆる電圧印加法によって分極反転部を製造するのに際して、櫛型電極の先端付近における絶縁破壊によるウェハのクラック状のダメージを低減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、単分域化している強誘電体単結晶基板に電圧印加法により分極反転構造を製造する方法であって、
強誘電体単結晶基板がオフカット角１〜２０°のオフカット板であり、強誘電体単結晶基板の一方の表面上に、複数の電極部と給電部とを有する櫛型電極、および対向電極が設けられており、強誘電体単結晶基板の他方の表面上に一様電極が設けられており、各電極部が分極反転構造の各分極反転部に対応しており、電極部が、電極部の長手方向に対して交差する方向に向かって配列され、互いに離間された複数列の低抵抗片を備えており、電極部の先端が対向電極に対向しており、給電部と一様電極との間に電圧を印加することによって分極反転構造を生成させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、各電極部が、電極部の長手方向に対して交差する方向に向かって配列され、互いに離間された複数列の低抵抗片を備えている。
即ち、櫛型電極の各電極部は、それぞれ分極反転構造の各反転部に一対一対応しており、従って隣接する電極部間にはギャップがある。これに対して、本発明においては、各電極部の内部において、電極部の幅方向に向かって電極片を分離し、複数列の低抵抗片を設けた。これによって、櫛型電極の先端部分への電荷の集中を緩和することができるので、基板にクラック状のダメージを与えることなく、均一な分極反転形状が得られやすくなるという作用効果を確認し、本発明に到達した。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の一例で使用する櫛型電極３および対向電極１のパターンを概略的に示す平面図である。
【図２】図２は、図１の櫛型電極を拡大して示す写真である。
【図３】図３は、低抵抗片配列部１０のパターン例を示す平面図である。
【図４】図４は、他の実施形態に係る低抵抗片配列部１７のパターン例を示す平面図である。
【図５】図５は、電圧印加法を説明するための模式的斜視図である。
【図６】図６は、本発明の方法によって得られた周期分極反転構造のパターンを示す平面図である。
【図７】図７は、比較例の方法によって得られた周期分極反転構造のパターンを示す平面図であり、分極反転部の幅が著しく変化している。
【図８】図８は、比較例の方法によって得られた周期分極反転構造のパターンを示す平面図であり、電極の先端エッジに沿って黒いクラックが発生している。
【図９】図９は、比較例の方法によって得られた周期分極反転構造のパターンを示す平面図であり、分極反転部の長さと幅とに大きなバラツキが見られる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、基板上に設けられた電極のパターンを示す平面図である。図２は、図１で示した櫛型電極の電極部の平面的パターンを示す写真であり、図３は、各電極部の先端部分の拡大図であり、図５は、電圧印加法の適用方法を示す斜視図である。
【００１２】
分極反転部を製造する際には、強誘電体単結晶からなるオフカット基板を基板８として使用する。強誘電体単結晶の分極方向Ａは、表面８ａおよび裏面８ｂに対して所定角度、例えば５°傾斜しているので、この基板８はオフカット基板と呼ばれている。
【００１３】
基板８の表面８ａに櫛型電極３および対向電極１を形成し、裏面８ｂに一様電極９を形成する。櫛型電極３は、周期的に配列された多数の細長い電極部５と、多数の電極部５の付け根を接続する細長い給電部２とからなる。対向電極１は細長い電極片からなっており、対向電極１は、電極部５の先端に対向するように設けられている。
【００１４】
最初に基板８の全体を非分極反転方向Ａに分極させておく。そして、櫛型電極３と対向電極１との間にＶ１の電圧を印加し、櫛型電極３と一様電極９との間にＶ２の電圧を印加すると、分極反転部が各電極部５から方向Ｂと平行に徐々に進展する。分極反転方向Ｂは、非分極反転方向Ａとは正反対になる。なお、電極部に対応しない位置、すなわち隣接する分極反転部の間には、分極反転していない非分極反転部が残留する。このようにして、分極反転部と非分極反転部とが交互に配列された周期分極反転構造が形成される。周期分極反転構造が形成された位置に光導波路を形成することができる。
【００１５】
特に図１に示すように、基板８の表面８ａに櫛型電極３および対向電極１を形成し、裏面８ｂに一様電極９を形成する。櫛型電極３は、周期的に配列された多数の細長い電極部５と、多数の電極部５の付け根を接続する細長い給電部２とからなる。対向電極１は細長い対向電極片からなっており、対向電極は、電極部５の先端に対向するように設けられている。
【００１６】
最初に基板８の全体を非分極反転方向Ａに分極させておく。そして、櫛型電極３と対向電極１との間にＶ１の電圧を印加し、櫛型電極３と一様電極９との間にＶ２の電圧を印加すると、分極反転部が各電極部５Ａから方向Ｂと平行に徐々に進展する。分極反転方向Ｂは、非分極反転方向Ａとは正反対になる。
【００１７】
本例においては、特に図１、図３に示すように、各電極部５が、給電部２から延びる基部７と、基部７から分離された先端側の低抵抗片配列部１０とを備えている。
【００１８】
各低抵抗片配列部１０は、図３に示すように、縦横に分離された複数の低抵抗片からなっている。即ち、本例においては、隣接する低抵抗片配列部１０の間にはギャップ１１が設けられている。そして、各低抵抗片配列部１０は、電極部５の長手方向Ｅに対して直交する方向Ｆに離間された複数列の低抵抗片を備えている。これとともに、配列部１０は、電極部５の長手方向Ｅに離間された複数列の低抵抗片を備えている。
【００１９】
具体的には、電極部５の先端側から見て、１列めには低抵抗片１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅが設けられており、２列めには低抵抗片１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅが設けられており、３列めには低抵抗片１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅが設けられており、４列めには低抵抗片１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅが設けられており、５列めには低抵抗片１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅが設けられている。Ｃは矢印Ｅ方向のギャップであり、Ｄは矢印Ｆ方向のギャップである。
【００２０】
例えば１列めにおいて、低抵抗片１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅは、電極部５の長手方向Ｅに対して略垂直な方向Ｆに向かって離間され、配列されている。２〜５列めにおいても同様である。
【００２１】
このような構造とすると、特に電極部５の先端側において、電荷の集中が抑制され、電極部５の先端から発生するダメージが少なくなり、配列部１０に沿って比較的に長距離にわたって、反転部の幅を一定に近くすることができる。
【００２２】
本発明においては、電極部が、電極部の長手方向Ｅに対して交差する方向Ｆに向かって配列され、互いに離間された複数列の低抵抗片を備えている。ここで、好ましくは、図３の例に示すように、複数列の低抵抗片が、電極部の長手方向Ｅに対して直交する方向Ｆに向かって配列され、離間されている。複数列の低抵抗片の配列方向Ｆは、長手方向Ｅに対して直交することは必須ではないが、本発明の観点から、ＥとＦとがなす角は８５〜９５°であることが好ましく、８８〜９２°であることが更に好ましい。
【００２３】
本発明において好ましくは、例えば図３の例に示すように、各電極部が、電極部の長手方向Ｅに向かって離間された複数の低抵抗片を備えている。しかし、この要件は必須ではない。例えば図４に示す例では、電極部１７が、方向Ｆに向かって離間され、配列された複数列の低抵抗片１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅを備えている。しかし、各低抵抗片１７ａ〜１７ｅは、長手方向Ｅに向かっては離間されていない。
【００２４】
本発明において、給電部２（図１参照）と対向電極１との間隔Ｌは特に限定されないが、たとえは、０．２〜１ｍｍが好ましい。Ｌは１．０ｍｍを超えても良いが、限られた基板面積内で、Ｌを大きくし過ぎると、デバイスの取り数が少なくなるので、１ｍｍ以下が適当な大きさである。また、分極反転部の周期は特に限定されない。しかし、分極反転周期が５μｍ、更には１０μｍ以上となると、電極部先端エッジにおけるクラックや分極反転部の幅のバラツキが生じ易くなる。このことから、本発明は、分極反転周期５μｍ、更には１０μｍ以上のときに特に有用である。
【００２５】
好適な実施形態においては、各電極部５が、例えば図１に示すように、連続した基部７と、矢印Ｅ方向に離間された複数の低抵抗片からなる低抵抗片配列部１０とを備えている。このような基部７を設けず、電極部の全長にわたって低抵抗片を離間するギャップを設けることもできるが、この場合には電極の先端部分に電流を流し難いので、ある程度連続した基部７を設けることが好ましい。この観点から、基部７の長さＨの電極部全長Ｇに対する割合Ｈ／Ｇは、０．１以上とすることが好ましく、０．１５以上とすることが更に好ましい。
【００２６】
一方、電極部５の全長にわたってギャップを設けない場合には、電極部５の先端への電流供給量が多くなり、絶縁破壊が生じ易くなるので、この観点からは、基部７の長さＨの電極部全長Ｇに対する割合Ｈ／Ｇは、０．５以下とすることが好ましく、０．３以下とすることが更に好ましい。
【００２７】
矢印Ｅ方向に隣接する各低抵抗片のギャップＣ（図３参照）は、本発明の作用効果の観点からは、０．３〜３μｍであることが好ましく、１〜２μｍであることが更に好ましい。また、矢印Ｆ方向に隣接する各低抵抗片のギャップＤ（図３参照）は、本発明の作用効果の観点からは、０．３〜２μｍであることが好ましく、０．３〜１μｍであることが更に好ましい。
【００２８】
低抵抗片、例えば１列目の各低抵抗片１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ，あるいは２列目以降の各低抵抗片幅は、本発明の作用効果の観点からは０．３〜２μｍであることが好ましく、０．４〜１．５μｍであることが更に好ましい。また、低抵抗片、例えば１列目の１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、あるいは２列目以降の各低抵抗片の長さは４〜２０μｍであることが好ましく、６〜１０μｍであることが更に好ましい。
【００２９】
また、一列目の低抵抗片１２ａ〜１２ｅから基部７に向けて、低抵抗片の長さを長くしていく方が更に好ましい。
【００３０】
矢印Ｆ方向における低抵抗片の列数は２列以上であればよく、特に限定されない。この列数が多いほど、電極部先端部における電荷の集中が低減されるので、この観点からは矢印Ｆ方向における低抵抗片の列数は４列以上であることが好ましい。ただし、低抵抗片の列数が多くなり過ぎると、低抵抗片のパターン形成が難しくなったり、また、効果があまり見られなくなったりするので、例えば周期１０μｍの場合８列以下であることが好ましい。周期が１０μｍ以上の広い場合にはこの限りではない。
【００３１】
低抵抗片の形成実現方法としては、酸素欠損層を形成して基板の表面に導電性を持たせるような処理をする方法もあるが、Ａｌ、Ｃｒ−Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｍｏなどの金属材でパターニングする方が精度良く形成できるので、好ましい。
【００３２】
基板を構成する強誘電体単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の各単結晶が特に好ましい。
【００３３】
強誘電体単結晶中には、三次元光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。
【００３４】
強誘電体単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、レーザ発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。
【００３５】
いわゆるオフカット基板を用いることで、オフカットではないxカットやy基板に比べて、深い反転構造を得ることができる。オフカット角度が５度程度の僅かな傾きであれば、通常、TEモードで出射する半導体レーザとの光軸調整も、オフカット分の角度補正をしなくても、偏波面の不整合による効率劣化が少なく、高効率な波長変換特性を得ることができる。但し、オフカット角が大きくなれば偏波不整合による効率劣化分が大きくなるので、そのような場合は、偏波面が合うように角度補正をする必要がある。
【００３６】
このオフカット角度は１°以上であり、２０°以下である。
【実施例】
【００３７】
（実施例１）
図１〜図３、図５を参照しつつ説明した方法に従い、電圧印加法によって周期分極反転構造を形成した。ただし、給電部２と対向電極１との間隔Ｌを４００μｍとし、分極反転周期を１８μｍとし、電極部５の全長Ｇを１５０μｍとし、基部７の長さＨを６０μｍとし、方向Ｅに見たときのギャップＣの個数を１０個とし（１１列）、方向Ｆに見たときのギャップＤの個数を４個（５列）とし、ギャップＣの大きさを１μｍとし、ギャップＤの大きさを０．５μｍとした。図２は、実際にパターニングした時の櫛型電極部分の拡大写真である。この実施例では、Ｔａ金属を用いてパターニングしている。
【００３８】
この電極パターンを基板の表面に形成し、基板の裏面に一様電極をパターニングして、図５に示すような形態で電圧印加を行った。なお、図５においては、櫛型電極と対向電極間に電圧V1を供給する系としているが、実際の電圧印加において、V1は供給せず、また、配線しなくても分極反転が形成できたので、以下の説明においてはV2のみの電圧印加条件を示す。
【００３９】
使用した基板は、分極反転の形状が見やすく、また、実素子にしたときに分極反転が基板の厚さ方向に深いものが形成された方が好ましいので、MgOがドープされたLiNbO3の5度のオフyカット基板を用いた。MgOがドープされた基板は、ノンドープのLiNbO3基板に比べて、光損傷耐性が強く、高出力の波長変換素子を得ることができる。オフカット角の5度は、さらにオフカット角度がついた基板であれば、分極反転を深くすることができるが、実装において、あまりにも角度が大きくなると、励起光との角度調整をしなければ波長変換効率が低くなるので、角度調整を厳密にしなくても高効率に波長変換可能な角度として、5度のものを使用した。基板厚は0.5mmのものを使用した。
【００４０】
電圧印加条件として、V2としてバイアス電圧1.6kVを重畳しつつ、1.6kVのパルス幅100msecのパルス電圧を20回、パルス間隔を1秒で給電処理した結果、図６に示すような反転形状が形成できた。ただし、図６に示す形状は、ふっ硝酸で基板表面をエッチング処理して得られたものである。
【００４１】
（比較例１）
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、矢印Ｆ方向へと複数列の低抵抗片を分離することはせず、各電極部５ごとに一列とした。得られた基板表面をふっ硝酸でエッチング処理し、図７に示す形態を得た。ただし、図６と図７で反転部の輪郭が異なっているのは、弗硝酸のエッチング条件が異なっているためである。
【００４２】
図６に示す実施例では、電極の先端部から根元部分に向けて、幅の揃った形状ができており、均一性が高いことが分かる。図７に示す比較例では、電極の先端部が最も電界強度が強まるため、反転されやすく、幅が広がりやすい傾向にある。これに対して、図６の例では、隙間を設けることで、各電極部分の電界が均一化しやすいので、反転形状が整いやすいと思われる。LiNbO3を用いた波長変換素子においては、分極反転の形状が均一であることが望ましく、高効率な素子が期待できる。
【００４３】
また、比較例１の方法で形成されたパターンの他の例を図８、図９に示す。
図８の比較例では、電極の先端エッジに黒いダメージ部分（クラック）が発生している。図９の比較例では、反転部の長さのバラツキが大きい。
【００４４】
矢印Ｆ方向にギャップの設けられていない比較例の電極では、電圧印加時に電極先端部分に過度に電荷が集中しやすいことになるので、基板の絶縁破壊を引き起こして、図８に黒っぽく観察されるようなクラックを生じさせることがある。このようなクラックは１０μｍを超える広い周期的分極反転を形成する時に生じやすく、10μｍ程度未満の周期においては生じにくい。さらに周期5μｍ未満であれば全く生じない。しかし、周期１０μｍの分極反転を形成するときに、図８に観られるようなクラックが生じないまでも、櫛型電極のある一部分で電荷が集中しやすいという状況においては、その部分で反転が進みやすくなるので、図９に示すような反転形状のバラツキが生じることになる。
【００４５】
（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、櫛型電極のパターンは図４に示すようにし、矢印Ｅ方向のギャップをなくした。この結果、電極の先端部から根元部分に向けて、幅の揃った形状ができており、またクラックも生じなかった。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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