(57)【要約】【課題】  制御可能な電圧印加時間内に強誘電体単結晶に短周期の分極反転領域を形成する方法およびそれを用いた光波長変換素子を提供すること。【解決手段】  強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法は、強誘電体単結晶の第１の面に制御層を形成する工程であって、第１の面は、強誘電体単結晶の分極方向に対して垂直な面であり、制御層の欠陥密度Ｄcont1と強誘電体単結晶の欠陥密度Ｄferroとは、関係Ｄferro＜Ｄcont1を満たす、工程と、制御層上に第１の電極を形成する工程と、強誘電体単結晶の第１の面に対向する第２の面に、第１の電極の面積よりも小さい面積を有する第２の電極を形成する工程と、第１の電極と第２の電極との間に電界を印加する工程であって、第２の電極から生成した分極反転領域が有する自発分極は、制御層を介して第１の電極側にて終端化される、工程とを包含する。【選択図】  図２
2005148203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法であって、
前記強誘電体単結晶に対し、前記強誘電体単結晶の分極方向に垂直な第１の面に前記強誘電体単結晶の欠陥密度Ｄferroよりも大きな欠陥密度Ｄcont1（Ｄferro＜Ｄcont1）を有する制御層を形成する工程と、
前記制御層上に第１の電極を形成する工程と、
前記強誘電体単結晶の前記第１の面に対向する第２の面に、前記第１の電極の面積よりも小さい面積を有する第２の電極を形成する工程と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電界を印加する工程であって、前記第２の電極から生成した分極反転領域が有する自発分極が前記制御層を介して前記第１の電極側にて終端化される工程と、
を包含する、強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法。
【請求項２】
前記強誘電体単結晶は、実質的に定比組成のニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムのいずれかである、請求項１に記載の強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法。
【請求項３】
前記制御層を形成する工程は、
前記第１の面上にＮｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｙ、Ｗ、および、Ｍｏからなる群から選択される金属層を堆積する工程と、
前記金属層をアニールする工程と、
を包含する、請求項１に記載の強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法。
【請求項４】
前記制御層を形成する工程は、前記第１の面を不活性雰囲気、酸素雰囲気および真空雰囲気からなる群から選択される雰囲気中でアニールする工程を包含する、請求項１に記載の強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法。
【請求項５】
前記第２の面に第１の領域および第２の領域を含むさらなる制御層を形成する工程をさらに包含し、前記第２の領域の欠陥密度は、前記強誘電体単結晶の欠陥密度Ｄferroと等
しく、前記第１の領域の欠陥密度Ｄcont2は前記第２の領域の欠陥密度Ｄferroよりも大きい（Ｄferro＜Ｄcont2）、請求項１に記載の強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法。
【請求項６】
前記さらなる制御層を形成する工程は、
マスクを介して前記第２の面上にＮｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｙ、Ｗ、および、Ｍｏからなる群から選択される金属層を堆積する工程と、
前記金属層をアニールする工程と、
を包含する、請求項５に記載の強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法。
【請求項７】
前記さらなる制御層を形成する工程は、マスクを介して前記第２の面を不活性雰囲気、酸素雰囲気および真空雰囲気からなる群から選択される雰囲気中でアニールする工程を包含する、請求項５に記載の強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法。
【請求項８】
前記第１の電極は平面電極であり、前記第２の電極は周期電極である、請求項１に記載の強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法。
【請求項９】
前記第１の電極、前記第２の電極および前記制御層を除去する工程をさらに包含する、請求項１に記載の強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法。
【請求項１０】
強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法によって製造される光波長変換素子であ
って、前記方法は、
前記強誘電体単結晶に対し、前記強誘電体単結晶の分極方向に垂直な第１の面に前記強誘電体単結晶の欠陥密度Ｄferroよりも大きな欠陥密度Ｄcont1（Ｄferro＜Ｄcont1）を有する制御層を形成する工程と、
前記制御層上に平面電極を形成する工程と、
前記強誘電体単結晶の前記第１の面に対向する第２の面に周期電極を形成する工程と、
前記平面電極と前記周期電極との間に電界を印加し、前記周期電極から生成した分極反転領域が有する自発分極が、前記制御層を介して前記平面電極側にて終端化される工程と、
を包含する、光波長変換素子。
【請求項１１】
前記強誘電体単結晶は、実質的に定比のニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムのいずれかである、請求項１０に記載の光波長変換素子。
【請求項１２】
前記方法は、前記制御層、前記平面電極および前記周期電極を除去する工程をさらに包含する、請求項１０に記載の光波長変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強誘電体単結晶における分極反転領域を形成する方法およびそれを利用した光波長変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
強誘電体の分極反転現象を利用して、強誘電体の内部に周期的な分極反転領域（分極反転構造）を形成することができる。このような分極反転領域は、周波数変調器および光波長変換素子に利用される。特に、優れた非線形光学効果を有する強誘電体を用いた、短波長化可能な光波長変換素子および高出力用の光波長変換素子を実現することが望まれている。
【０００３】
光波長変換素子の波長変換領域を広げる（すなわち、短波長化する）ためには、分極反転領域の周期を短くする必要がある。従来の製造方法は、短周期の分極反転領域を形成するために、周期電極間の強誘電体の表面にプロトン交換を施している（例えば、特許文献１を参照。）。一方、高出力に耐え得るためには、周期分極反転構造の光の入射方向に対して垂直な方向の厚みを増加させ、分極反転領域が高いアスペクト比（深さ／幅）を有する必要がある。厚い周期分極反転構造を製造するに適した強誘電体として、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3；以降ではＳＬＮと称する）および実質的に定比
組成のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3；以降ではＳＬＴと称する）が知られている（
例えば、非特許文献１を参照。）。
【０００４】
図８は、従来技術による周期分極反転領域の製造方法を示す図である。デバイス８００は、ニオブ酸リチウム単結晶８０１と、櫛形電極８０２と、平面電極８０３と、プロトン交換領域８０４とを含む。プロトン交換領域８０４は、櫛形電極８０２をマスクとして、櫛形電極８０２の周囲、かつ、ニオブ酸リチウム単結晶８０１の表面に、プロトン交換処理が施された領域を指す。プロトン交換領域８０４においては、ニオブ酸リチウム単結晶８０１の強誘電性が劣化している。
【０００５】
このようなデバイス８００に、直流電源８０５および高圧パルス電源８０６を用いて、電圧を印加する。櫛形電極８０２と平面電極８０３との間のニオブ酸リチウム単結晶８０１に電圧が印加され、分極反転する。プロトン交換領域８０４におけるニオブ酸リチウム単結晶８０１の強誘電性が劣化しているため、生成した分極反転領域の断面積は、櫛形電極８０２の断面積よりも大きくならないとされる。このようにして、短周期の分極反転領域を得る。
【特許文献１】特開２００２−１４７５８４号公報
【非特許文献１】北村、寺部，「Ｓｃｉｅｎｃｅ  ＆  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｊｏｕｒｎａｌ」，２００２年１０月，ｐ７０−７３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１は、櫛形電極８０２側では短周期の分極反転領域を維持することができ得るが、平面電極８０３側では隣り合う分極反転領域が接合してしまうという問題を有する。したがって、特許文献１を用いて、従来よりも厚い分極反転領域を形成するのは困難である。
【０００７】
また、特許文献１のように電界印加法を用いて分極反転構造を製造する場合、電圧印加時間を短くすることによって、分極反転領域の短周期化を図っている。例えば、１〜３μｍの周期を有する分極反転領域を形成する場合、パルス電圧の印加時間は約１ｍｓとなる
。このようなパルス電圧を発生させるために高圧パルス電源８０６に要求される周波数は、数ＫＨｚとなる。このような高周波を発生可能な高圧電源は非常に高価であり、最終的には、分極反転領域の短周期化は、装置の都合上限界に達することになる。
【０００８】
非特許文献１によれば、ＳＬＮの抗電界は、従来のコングルエント組成のニオブ酸リチウムの抗電界の約１／５であり、ＳＬＴの抗電界は、従来のコングルエント組成のタンタル酸リチウムの抗電界の約１／１０である。このような、低抗電界のＳＬＮまたはＳＬＴを用いれば、従来よりも厚い分極反転領域を得ることができる。しかしながら、このようなＳＬＮまたはＳＬＴを用いた、短周期の分極反転領域を形成する方法は確立されていない。特に、これらを用いて従来よりも厚い分極反転領域を形成する場合には、高いアスペクト比が得られなければならないことから隣接する分極反転領域が接合する可能性がある。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、制御可能な電圧印加時間内に強誘電体単結晶に短周期の分極反転領域を形成する方法およびそれを用いた光波長変換素子を提供することである。本発明のさらなる目的は、制御可能な電圧印加時間内に、強誘電体単結晶に短周期であり、かつ、従来よりも厚い分極反転領域を形成する方法、および、それを用いた光波長変換素子を提供することである。その解決手段として講じた構成は、以下（１）ないし（１２）に記載の通りである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）  強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法であって、
前記強誘電体単結晶に対し、前記強誘電体単結晶の分極方向に垂直な第１の面に前記強誘電体単結晶の欠陥密度Ｄferroよりも大きな欠陥密度Ｄcont1（Ｄferro＜Ｄcont1）を有する制御層を形成する工程と、
前記制御層上に第１の電極を形成する工程と、
前記強誘電体単結晶の前記第１の面に対向する第２の面に、前記第１の電極の面積よりも小さい面積を有する第２の電極を形成する工程と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電界を印加する工程であって、前記第２の電極から生成した分極反転領域が有する自発分極が前記制御層を介して前記第１の電極側にて終端化される工程と、
を包含する、強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法。
（２）  前記強誘電体単結晶は、実質的に定比組成のニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムのいずれかである、前記（１）項に記載の強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法。
（３）  前記制御層を形成する工程は、
前記第１の面上にＮｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｙ、Ｗ、および、Ｍｏからなる群から選択される金属層を堆積する工程と、
前記金属層をアニールする工程と、
を包含する、前記（１）項に記載の強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法。
（４）  前記制御層を形成する工程は、前記第１の面を不活性雰囲気、酸素雰囲気および真空雰囲気からなる群から選択される雰囲気中でアニールする工程を包含する、前記（１）項に記載の強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法。
（５）  前記第２の面に第１の領域および第２の領域を含むさらなる制御層を形成する工程をさらに包含し、前記第２の領域の欠陥密度は、前記強誘電体単結晶の欠陥密度Ｄferroと等しく、前記第１の領域の欠陥密度Ｄcont2は前記第２の領域の欠陥密度Ｄferroより
も大きい（Ｄferro＜Ｄcont2）、前記（１）項に記載の強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法。
（６）  前記さらなる制御層を形成する工程は、
マスクを介して前記第２の面上にＮｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｙ、Ｗ、および、Ｍ
ｏからなる群から選択される金属層を堆積する工程と、
前記金属層をアニールする工程と、
を包含する、前記（５）項に記載の強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法。
（７）  前記さらなる制御層を形成する工程は、マスクを介して前記第２の面を不活性雰囲気、酸素雰囲気および真空雰囲気からなる群から選択される雰囲気中でアニールする工程を包含する、前記（５）項に記載の強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法。
（８）  前記第１の電極は平面電極であり、前記第２の電極は周期電極である、前記（１）項に記載の強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法。
（９）  前記第１の電極、前記第２の電極および前記制御層を除去する工程をさらに包含する、前記（１）項に記載の強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法。
（１０）  強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法によって製造される光波長変換素子であって、前記分極反転領域を形成する方法は、
前記強誘電体単結晶に対し、前記強誘電体単結晶の分極方向に垂直な第１の面に前記強誘電体単結晶の欠陥密度Ｄferroよりも大きな欠陥密度Ｄcont1（Ｄferro＜Ｄcont1）を有する制御層を形成する工程と、
前記制御層上に平面電極を形成する工程と、
前記強誘電体単結晶の前記第１の面に対向する第２の面に周期電極を形成する工程と、
前記平面電極と前記周期電極との間に電界を印加し、前記周期電極から生成した分極反転領域が有する自発分極が、前記制御層を介して前記平面電極側にて終端化される工程と、
を包含する、光波長変換素子。
（１１）  前記強誘電体単結晶は、実質的に定比のニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムのいずれかである、前記（１０）項に記載の光波長変換素子。
（１２）  前記方法は、前記制御層、前記平面電極および前記周期電極を除去する工程をさらに包含する、前記（１０）項に記載の光波長変換素子。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による方法は、強誘電体単結晶の第１の面に制御層を形成する工程と、制御層上に第１の電極を形成する工程と、強誘電体単結晶の第１の面に対向する第２の面に第２の電極を形成する工程と、第２の電極から第１の電極の方向に電界を印加する工程とを包含する。制御層の欠陥密度Ｄcont1と強誘電体単結晶の欠陥密度Ｄferroとは、関係Ｄferro
＜Ｄcont1を満たす。これにより、第２の電極から第１の電極の方向に成長するドメイン
の成長速度は、制御層において低下するか、または、０になる。その結果、ドメインの自発分極の終端化が抑制され、電界の印加方向に対して垂直な方向へのドメインの成長が抑制される。
【００１２】
短周期の分極反転領域を形成する場合であっても、従来よりも長時間電圧を強誘電体単結晶に印加することが必要とされる。したがって、高価な装置を用いることなく、従来の装置を用いて分極反転領域のさらなる短周期化が可能である。また、第１の電極側においてドメインの成長を制御しているので、第１の電極側の分極反転領域の周期性が乱れることはない。本発明の方法は、強誘電体単結晶の厚さに関わらず適用することができるので、高出力用の厚い光波長変換素子を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の原理に先立って、強誘電体の分極反転領域の生成工程を説明する。
【００１４】
図１は、強誘電体単結晶の分極反転領域の生成工程を示す図である。
【００１５】
デバイス１００は、強誘電体単結晶１０１と、上部電極１０２と、下部電極１０３とを含む。強誘電体単結晶１０１は、１８０°ドメインを有する任意の強誘電体単結晶であり得る。上部電極１０２は、櫛形電極等の周期電極であり得る。下部電極１０３は、平面電
極であり得る。上部電極１０２の面積は、下部電極１０３の面積よりも小さければ、上部電極１０２および下部電極１０３の形状は問わない。
【００１６】
次に、工程ごとに説明する。
【００１７】
工程Ｓ１０００：デバイス１００に電界を印加した直後の様子を示す。上部電極１０２の端部に強誘電体単結晶１０１が分極反転した微細なドメイン１０４が発生する。ドメインが上部電極１０２の端部に発生するのは、電界がもっとも集中しているためである。このドメイン１０４の自発分極による静電荷を“＋”で示す。
【００１８】
工程Ｓ１１００：ドメイン１０４は下部電極１０３に達し、ドメイン１０６となる。自発分極が向き合う領域１０５の静電エネルギーは高く、不安定である。したがって、領域１０５がエネルギー的に安定になるためには、ドメイン１０４は、電界の印加方向に垂直な方向（すなわち、電極面積の方向）に成長するのではなく、電界の印加方向に成長することになる。これは、ドメイン１０４が電極面積の方向に広がると、静電エネルギーが増大し、より不安定となるためである。
【００１９】
ドメイン１０４が下部電極１０３に達し、ドメイン１０６になると、ドメイン１０６の静電荷は、下部電極１０３内を自由に行き来する自由電子（補償電荷）によって補償される（１０７）。これを自発分極の終端化という。ドメイン１０６の自発分極が終端化されると、ドメイン１０６は電極面積の方向に広がる（矢印Ａおよび矢印Ｂ）。これは、ドメイン１０６と、強誘電体単結晶１０１との境界部分の結晶構造がエネルギー的に不安定であるためである。電界の印加状態下においては、エネルギー的な不安定さを解消するために、分極反転が電極面積方向に広がる（サイドウィンドという）現象が生じる。
【００２０】
工程Ｓ１２００：工程Ｓ１０００および工程Ｓ１１００が繰り返し生じ、上部電極１０２と下部電極１０３との間の強誘電体単結晶１０１が分極反転し、分極反転領域１０８が生成する。詳細には、工程Ｓ１０００のドメイン１０４が、電界集中の大きさに応じて、上部電極１０２の直下に次々に発生し、下部電極１０３へと成長する。次いで、ドメインの自発分極が終端化され、サイドウィンドが生じて、分極反転領域１０８となる。しかしながら、サイドウィンドは、上述したように、電界が印加されていない領域（図１の矢印Ａの方向）にも生じる。サイドウィンドの速度は、矢印Ｂの方向の方が矢印Ａの方向にくらべて速い。この結果、上部電極１０２よりも広がった分極反転領域１０８が生成される。上部電極１０２が櫛形電極等の周期電極であり、周期が非常に短い場合には、隣り合う分極反転領域が接合し得る。
【００２１】
本願発明者らは、短周期の分極反転構造を得るために、サイドウィンドの発生の制御に着目した。より詳細には、本願発明者らは、サイドウィンドの発生に寄与するドメインの静電荷の補償（補償電荷）の制御に着目し、その制御方法を見出した。
【００２２】
次に、本発明の原理を説明する。
【００２３】
図２は、本発明の分極反転を制御する方法を示す図である。
【００２４】
デバイス２００は、強誘電体単結晶２０１と、制御層２０２と、第１の電極２０３と、第２の電極２０４とを含む。
【００２５】
強誘電体単結晶２０１は、１８０°ドメインを有する任意の強誘電体単結晶であり得る。
【００２６】
制御層２０２は、強誘電体単結晶２０１の１８０°ドメインの分極方向に対して垂直な面（第１の面）に形成されている。制御層２０２欠陥密度Ｄcont1と、強誘電体単結晶２
０１の欠陥密度Ｄferroとは、関係Ｄferro＜Ｄcont1を満たす。
【００２７】
制御層２０２は、例えば、強誘電体単結晶２０１に不純物元素を拡散させることによっ
て作製され得る不純物拡散層、または、強誘電体単結晶２０１中のＬｉを外拡散させることによって作製され得る外拡散層であり得る。金属拡散層および外拡散層は、それぞれ、母体の結晶格子における幾何学的な乱れを生じない置換不純物、および、母体の結晶格子における幾何学的な乱れを生じる空孔を有する。したがって、強誘電体単結晶２０１に比べて、制御層２０２中にはこのような欠陥（置換不純物または空孔）が多数存在することになる。金属拡散および外拡散によって制御層２０２に生成されるこれら欠陥は、母体の結晶格子の平衡状態を損なうことはないことに留意されたい。つまり、金属拡散および外拡散によって制御層２０２に生成される欠陥量は、有限であり、最大欠陥量は、母体の結晶格子の平衡状態を維持する程度までである。この最大欠陥量は、母体の材料に依存している。
【００２８】
第１の電極２０３は、制御層２０２上に形成された平面電極であり得る。第２の電極２０４は、第１の面に対向する第２の面に形成された櫛形電極等の周期電極であり得る。第２の電極２０４の面積は、第１の電極２０３の面積よりも小さければ、第１の電極２０３および第２の電極２０４の形状は問わない。
【００２９】
次に、各工程を説明する。
【００３０】
工程Ｓ２０００：デバイス２００に電界を印加した直後の様子を示す。第２の電極２０４の端部に強誘電体単結晶２０１が分極反転した微細なドメイン２０５が発生する。このドメイン２０５の自発分極による静電荷を“＋”で示す。
【００３１】
工程Ｓ２１００：ドメイン２０５は制御層２０２に達し、ドメイン２０７となる。図１を参照して工程Ｓ１１００で説明したように、自発分極が向き合う領域２０６の静電エネルギーは高く、不安定である。したがって、領域２０６がエネルギー的に安定になるために、ドメイン２０５は、電界の印加方向（すなわち、第２の電極２０４から第１の電極２０３の方向）に成長する。
【００３２】
第１の電極２０３へ向かって成長するドメイン２０７の速度は、制御層２０２に達した後、低下するか、または、０になる。これは、強誘電体単結晶２０１の欠陥密度よりも高い欠陥密度を有する制御層２０２が、ドメインの成長を抑制する（すなわち、ドメインの成長速度を低下させる）、または、ドメインの成長を停止する（すなわち、ドメインの成長速度を０にする）ように機能するためである。
【００３３】
制御層２０２と強誘電体単結晶２０１とが上述の関係を満たす場合、結晶格子の幾何学的な乱れ（空孔の存在）、または、異種原子の存在により物理的にドメインの成長が妨げられる。このことは、制御層２０２においてドメインの成長（成長速度）が抑制されるか、または、停止することを意味する。欠陥密度の大きさが、ドメインの成長速度に影響を及ぼすことが知られている。
【００３４】
このように、制御層２０２によって、第１の電極２０３に達するドメイン２０７が低減するか、または、ドメイン２０７の第１の電極２０３への到達が抑制されるので、ドメイン２０７の静電荷を補償するのは困難となる（２０８）。このことは、ドメイン２０７が終端化されにくくなるため、ドメイン２０７の電界の印加方向に対して垂直な方向（すなわち、電極面積の方向）への成長（サイドウィンド）を抑制することを意味する。
【００３５】
より詳細には、制御層２０２は完全な絶縁体ではないため、第１の電極２０３からの自由電子（補償電荷）は、十分な時間をかけて制御層２０２中を移動し、ドメイン２０７の静電荷を補償し得る（すなわち、第２の電極２０４から生成した分極反転領域が有する自発分極は、制御層２０２を介して第１の電極２０３側にて終端化される）。例えば、強誘電体単結晶２０１が実質的に定比組成のニオブ酸リチウム（ＳＬＮ）である場合、自由電
子が制御層２０２を移動し、ドメイン２０７に達するには少なくとも１ｓの時間を要する。つまり、本発明によれば、強誘電体単結晶２０１の欠陥密度Ｄferroと制御層２０２の
欠陥密度Ｄcont1との比の大きさによって、ドメイン２０７の静電荷の補償に要する時間
を制御することができる。ドメイン２０７のサイドウィンドの発生もまた制御され得る。例えば、ＳＬＮを用いて１〜３μｍの周期の分極反転構造を製造する場合であっても、パルス電圧の印加時間は少なくとも約１０ｍｓを必要とするため、従来の汎用のパルス電源を用いることができる。このパルス電圧の印加時間は、制御可能な時間範囲内であり、かつ、強誘電体単結晶２０１の分極反転領域を安定化するに十分な時間でもある。
【００３６】
工程Ｓ２２００：工程Ｓ２０００および工程Ｓ２１００を繰り返し生じ、第１の電極２０３と第２の電極２０４との間の強誘電体単結晶２０１が分極反転し、分極反転領域２０９が生成した後、電圧の印加を取り去る。この間の時間は、工程Ｓ２１００で説明したように、制御可能な電圧印加時間内である。図１を参照して説明したように、サイドウィンドは、矢印Ａの方向および矢印Ｂの方向に生じる。しかしながら、矢印Ａの方向に生じるサイドウィンドの速度は、矢印Ｂの方向に生じるサイドウィンドの速度に比べて著しく遅い。これは電界分布に起因する。したがって、生成した分極反転領域２０９の断面積は、第２の電極２０４の面積よりも大きくなり得るが、このことによるデバイスに及ぼす影響は、何ら問題にならない程度である。
【００３７】
上述してきたように、本発明によれば、制御層２０２を強誘電体単結晶２０１と第１の電極２０３との間に設ける（すなわち、制御層２０２をドメインの自発分極の終端化側に設ける）ことによって、制御可能な電圧印加時間内に従来よりも短周期の分極反転構造を製造することができる。強誘電体単結晶２０１の欠陥密度Ｄferroと制御層２０２の欠陥
密度Ｄcont1との関係を変化させることによって、電圧印加時間を変化させることができ
る。すなわち、金属拡散および外拡散の拡散量を増加させることによって、分極反転領域を形成するに必要な電圧印加時間はより長くなる。金属拡散および外拡散の拡散量を低減することによって、分極反転領域を形成するに必要な電圧印加時間はより短くなる。このような設定は、分極反転領域の周期、強誘電体単結晶の材料等に応じて適宜設計され得る。
【００３８】
ただし、強誘電体単結晶２０１と制御層２０２とが上述の関係（Ｄferro＜Ｄcont1）を満たす限り、本発明の効果を得ることができるのは言うまでもない。本発明の方法は、強誘電体単結晶２０１が１８０°ドメインを有する任意の強誘電体に適用可能であるが、強誘電体単結晶２０１としてＳＬＮまたはＳＬＴを用いた場合には、短周期、かつ、従来に比べて厚い分極反転構造を製造することができる。
【００３９】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳述する。図中、同様の要素には同様の参照符号を付し、その説明を省略する。実施の形態では、強誘電体単結晶として実質的に定比組成のニオブ酸リチウム（ＳＬＮ）を用いた場合を説明するが、強誘電体単結晶は、これに限定されない。
【００４０】
ＳＬＮは、例えば、特開２０００−３４４５９５に記載される二重るつぼを使用したチョクラルスキー法により作製される。ＳＬＮの代わりに、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＳＬＴ）を採用しても同様の効果が得られる。この場合も、例えば、特開２０００−３４４５９５に記載される二重るつぼを使用したチョクラルスキー法により作製される。
【００４１】
なお、ＳＬＮにおいて、実質的に「定比組成である」とは、Ｌｉ2Ｏ／（Ｎｂ2Ｏ5＋Ｌ
ｉ2Ｏ）のモル分率が完全に０．５０ではないものの、コングルエント組成よりも化学両
論比に近い組成（Ｌｉ2Ｏ／（Ｎｂ2Ｏ5＋Ｌｉ2Ｏ）のモル分率＝０．４９５〜０．５）を有しており、そのことに起因するデバイスの特性の低下が通常のデバイスの設計において
問題にならない程度であることをいう。同様に、ＳＬＴにおいて、実質的に「定比組成である」とは、Ｌｉ2Ｏ／（Ｔａ2Ｏ5＋Ｌｉ2Ｏ）のモル分率が完全に０．５０ではないものの、コングルエント組成よりも化学両論比に近い組成（Ｌｉ2Ｏ／（Ｔａ2Ｏ5＋Ｌｉ2Ｏ）のモル分率＝０．４９５〜０．５）を有しており、そのことに起因するデバイスの特性の低下が通常のデバイスの設計において問題にならない程度であることをいう。
【００４２】
（実施の形態１）
（１）金属拡散
図３は、本発明の実施の形態１による分極反転を制御する工程を示す図である。工程ごとに説明する。
【００４３】
工程Ｓ３０００：ＳＬＮ３００の第１の面に金属層３０１を形成する。ＳＬＮ３００の分極方向はｚ軸に平行であり、１８０°単一ドメインを有している。ＳＬＮ３００の厚さは、３ｍｍである。ただし、この厚さに限定されない。ここで、第１の面は、ＳＬＮ３００の分極方向に垂直な面であり、例えば、＋Ｚ面である。金属層３０１は、通常の物理的気相成長法または化学的気相成長法によって作製され得る。金属層４００の材料は、ＳＬＮ３００のＬｉサイトと置換し、かつ、Ｌｉと価数が異なる限り任意の金属が用いられ得る。金属層３０１の材料は、好ましくは、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｙ、Ｗ、および、Ｍｏからなる群から選択される。金属層３０１の厚さは、約１００〜１０００ｎｍの範囲である。
【００４４】
工程Ｓ３１００：金属層３０１を有するＳＬＮ３００をアニールし、制御層３０２を形成する。アニールは、還元雰囲気、酸素雰囲気、および、真空雰囲気からなる群から選択される雰囲気中で、約３００〜１０００℃の温度範囲で、約２〜４０時間の間行われる。このアニールによって、金属層３０１中の金属原子とＳＬＮ３００中のＬｉ原子とが置換する。金属原子の拡散距離は、約５００〜２０００ｎｍである。拡散した金属原子は、ＳＬＮ３００の表面層に欠陥（この場合、置換不純物）を生成する。このＳＬＮ３００の表面層が、制御層３０２である。なお、アニール後、過剰な金属層３０１をエッチングによって除去してもよい。
【００４５】
制御層３０２の欠陥密度の評価は、例えば、ラザフォード後方散乱分光（ＲＢＳ）によって行われ得る。これにより定量的に制御層３０２の欠陥密度およびＳＬＮ３００の欠陥密度を測定することができる。上述の条件で金属拡散を行った場合、制御層３０２の欠陥密度Ｄcont1と、ＳＬＮ３００の欠陥密度Ｄferroとは、関係Ｄferro＜Ｄcont1を満たすことを確認した。
【００４６】
工程Ｓ３２００：制御層３０２上に第１の電極３０３を形成する。第１の電極３０３は、平面電極であり得る。第１の電極３０３は、物理的気相成長法または化学的気相成長法によって形成される金属層であり得る。この場合、第１の電極３０３の材料は、例えば、Ｔａであるが、この材料に限定されない。第１の電極３０３の厚さは、約５０〜５００ｎｍである。第１の電極３０３は、ＬｉＣｌ溶液の液体電極（図示せず）であってもよい。
【００４７】
工程Ｓ３３００：ＳＬＮ３００の第１の面に対向する第２の面に第２の電極３０４を形成する。第２の電極３０４は、櫛形電極等の周期電極であり得る。第２の電極３０４の周期は、約１〜３μｍである。第２の電極３０４は、物理的気相成長法または化学的気相成長法によって形成される金属層であり得る。この場合、第２の電極３０４の材料は、例えば、Ｃｒであるが、この材料に限定されない。第２の電極３０４の厚さは、約５０〜５００ｎｍである。第２の電極３０４は、ＬｉＣｌ溶液の液体電極（図示せず）であってもよい。
【００４８】
第２の電極３０４の作製には、ドライエッチングが用いられ得る。第２の電極３０４が金属層の場合、ＳＬＮ３００の第２の面に物理的気相成長法または化学的気相成長法を用
いてＣｒを適用する。次に、マスクとしてフォトレジストを適用する。フォトリソグラフィー技術によってフォトレジストを所定の形状、例えば、周期パターンにパターニングする。フォトレジストをパターニングする形状は、任意であって、周期パターンに限定されない。次いで、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）技術を用いて、ＳＬＮ３００の第２の面をエッチングする。その後、フォトレジストを除去する。これにより、第２の電極３０４として周期的パターンを有する金属層が得られる。第２の電極３０４が液体電極の場合（図示せず）、金属層を形成することなく、フォトレジストを所定の形状にパターニングする。その後、第２の電極３０４として液体電極が、パターニングされたフォトレジストおよびＳＬＮ３００に適用される。
【００４９】
工程Ｓ３４００：第２の電極３０４から第１の電極３０３の方向に電界を印加する。印加すべき電界の大きさは、ＳＬＮ３００の抗電界の大きさ（約４ｋＶ／ｍｍ）以上である。電界の印加には、例えば、電界発生器３０５が用いられ得る。電界発生器３０５は、ファンクションジェネレータ（図示せず）と電圧アンプ（図示せず）とを含む。電界発生器３０５は、ファンクションジェネレータによって生成される任意のパルス波形に応じた電界を発生し、その発生した電界をＳＬＮ３００に印加する。電界発生器３０５は、上記の構成に限定されない。
【００５０】
工程Ｓ３４００において、ＳＬＮ３００に電界を印加すると、第２の電極３０４の端部に分極反転した微細なドメインが生成する。生成したドメインは、電界の印加方向（すなわち、第２の電極３０４から第１の電極３０３の方向）に成長する。第１の電極３０３へ向かって成長するドメインの成長速度は、制御層３０２に達した後、低下するか、または、０になる。これは、制御層３０２の欠陥密度Ｄcont1がＳＬＮ３００の欠陥密度Ｄferroに比べて大きいため、ドメインの成長を抑制する（すなわち、ドメインの成長速度を低下させる）、または、ドメインの成長を停止する（すなわち、ドメインの成長速度を０にする）ように機能するためである。これにより、ドメインの有する静電荷の補償（自発分極の終端化）が抑制され、ドメインの電界の印加方向に対して垂直な方向への成長（サイドウィンド）も抑制される。
【００５１】
このように、金属拡散によって制御層３０２を作製する場合、高価な装置および複雑な装置を必要としないため非常に安価に作製することができる。
【００５２】
なお、工程Ｓ３１００において、ＳＬＮ３００の第２の面側にアニールによる影響がないように、第２の面の保護膜としてＰｔ等の金属層を形成し、アニール後にエッチングによって除去してもよい。あるいは、工程Ｓ３１００の前に、工程Ｓ３３００を行って、第２の電極３０４を第２の面の保護膜として用いてもよい。また、工程Ｓ３４００後に、必要ならば、制御層３０２、第１の電極３０３および第２の電極３０４をエッチングまたは化学的機械研磨（ＣＭＰ）によって除去してもよい。
（２）外拡散
図４は、本発明の実施の形態１によるさらなる分極反転を制御する工程を示す図である。工程ごとに説明する。ただし、工程Ｓ４１００〜工程Ｓ４３００は、図３を参照して説明した工程Ｓ３２００〜工程Ｓ３４００と同一であるため、説明を省略する。
【００５３】
工程Ｓ４０００：ＳＬＮ３００をアニールし、制御層４００を形成する。アニールは、還元雰囲気、酸素雰囲気、および、真空雰囲気からなる群から選択される雰囲気中で、約８００〜１１００℃の温度範囲で、約１〜２０時間の間行われる。外拡散の距離は、約１〜２０μｍである。このアニールによって、ＳＬＮ３００の表面層中のＬｉ原子が結晶外へと拡散する。その結果、ＳＬＮ３００の表面層に欠陥（この場合、空孔）が生成される。このＳＬＮ３００の表面層が、制御層（外拡散層）４００である。（１）で説明した金属拡散の場合と同様に、外拡散による制御層４００の欠陥密度の評価は、例えば、ラザフ
ォード後方散乱分光（ＲＢＳ）によって行われ得る。上述の条件で外拡散を行った場合、制御層４００の欠陥密度Ｄcont1と、ＳＬＮ３００の欠陥密度Ｄferroとは、関係Ｄferro
＜Ｄcont1を満たすことを確認した。
【００５４】
工程Ｓ４１００：制御層４００上に第１の電極３０３を形成する。
【００５５】
工程Ｓ４２００：ＳＬＮ３００の第１の面に対向する第２の面に第２の電極３０４を形成する。
【００５６】
工程Ｓ４３００：第２の電極３０４から第１の電極３０３の方向に電界を印加する。外拡散をした場合、ドメインの自発分極が終端化され、サイドウィンドが生じるまでに約７ｓを要することが確認された。
【００５７】
外拡散の場合も、制御層４００は、制御層３０２と同様にして、ドメインの静電荷の補償（自発分極の終端化）を抑制し、サイドウィンドの発生を制御する。外拡散の場合、アニールすればよいだけなので、金属拡散の場合に比べて操作が簡便である点がよい。
【００５８】
なお、工程Ｓ４０００において、ＳＬＮ３００の第２の面側もアニールによって外拡散が生じないように、第２の面の保護膜としてＳｉＯ2等の酸化物層を形成し、アニール後
にエッチングによって除去してもよい。あるいは、工程Ｓ４０００の前に、工程Ｓ４２００を行って、第２の電極３０４を第２の面の保護膜として用いてもよい。
【００５９】
また、工程Ｓ４３００後に、必要ならば、制御層４００、第１の電極３０３および第２の電極３０４をエッチングまたは化学的機械研磨（ＣＭＰ）によって除去してもよい。
【００６０】
上述してきたように、実施の形態１によれば、強誘電体単結晶３００と第１の電極３０３との間に制御層３０２および４００を設ける。制御層３０２および４００の欠陥密度Ｄcont1と強誘電体単結晶３００の欠陥密度Ｄferroとは、関係Ｄferro＜Ｄcont1を満たす。これにより、第２の電極３０４から第１の電極３０３へと向かうドメインは、制御層３０２および４００に存在する欠陥によって、成長速度が低下するか、または、０になる。その結果、ドメインの自発分極の終端化が抑制されるので、ドメインの電界の印加方向に対して垂直な方向への成長もまた抑制される。
【００６１】
短周期の分極反転領域を形成する場合であっても、従来よりも長時間電圧をＳＬＮ３００に印加することが必要とされる。したがって、高価な装置を用いることなく、従来の装置を用いて分極反転領域のさらなる短周期化が可能である。また、第１の電極３０３側においてドメインの成長を制御しているので、第１の電極３０３側の分極反転領域の周期性が乱れることはない。つまり、本発明の方法は、強誘電体単結晶３００の厚さに関わらず適用することができる。特に、強誘電体単結晶３００として低抗電界のＳＬＮまたはＳＬＴを用いた場合には、厚い分極反転構造が得られるので、高出力用の光波長変換素子を製造することができる。
【００６２】
（実施の形態２）
（１）金属拡散
図５は、本発明の実施の形態２による分極反転を制御する工程を示す図である。
工程ごとに説明する。図５は、例えば、図３の工程Ｓ３２００から始まる。
【００６３】
工程Ｓ５０００：第１の面に対向する第２の面にマスク５００としてフォトレジストを提供する。次いで、フォトリソグラフィー技術によってフォトレジストを所定の形状、例えば、周期パターンにパターニングする。フォトレジストをパターニングする形状は、任意であって、周期パターンに限定されない。
【００６４】
工程Ｓ５１００：マスク５００および第２の面に金属層５０１を形成する。金属層５０１は、通常の物理的気相成長法または化学的気相成長法によって作製され得る。金属層５０１の材料は、ＳＬＮ３００のＬｉサイトと置換し、かつ、Ｌｉと価数が異なる限り任意
の金属が用いられ得る。金属層５０１の材料は、好ましくは、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｙ、Ｗ、および、Ｍｏからなる群から選択される。金属層５０１の厚さは、約１００〜１１００ｎｍの範囲である。
【００６５】
工程Ｓ５２００：金属層５０１を有するＳＬＮ３００をアニールし、その後、マスク５００を除去し、さらなる制御層５０２を形成する。アニールは、還元雰囲気、酸素雰囲気、および、真空雰囲気からなる群から選択される雰囲気中で、約３００〜１０００℃の温度範囲で、約２〜４０時間の間行われる。このアニールによって、金属層５０１中の金属原子とＳＬＮ３００の領域５０３中のＬｉ原子とが置換する。金属原子の拡散距離は、約５００〜２００００ｎｍである。拡散した金属原子は、ＳＬＮ３００の領域５０３（第１の領域）の表面層に欠陥（この場合、置換不純物）を生成する。
【００６６】
このようにしてさらなる制御層５０２が形成される。さらなる制御層５０２は、金属原子が拡散された領域５０３（第１の領域）と、金属原子が拡散されていない領域５０４（第２の領域）とを含む。これら領域５０３と領域５０４とは、交互に周期的に並び得る。領域５０３の欠陥密度の評価は、例えば、ラザフォード後方散乱分光（ＲＢＳ）によって行われ得る。上述の条件で金属拡散を行った場合、領域５０３の欠陥密度Ｄcont2と、領
域５０４の欠陥密度Ｄferroとは、関係Ｄferro＜Ｄcont2を満たすことを確認した。領域
５０４の欠陥密度は、ＳＬＮ３００の欠陥密度Ｄferroに等しいことに留意されたい。マ
スク５００は、エッチングにより除去される。なお、アニール後、マスク５００とともに、過剰な金属層５０１をエッチングによって除去してもよい。
【００６７】
工程Ｓ５３００：さらなる制御層５０２上に第２の電極５０５を形成する。第２の電極５０５は平面電極であり得る。第２の電極５０５は、物理的気相成長法または化学的気相成長法によって形成される金属層であり得る。この場合、第２の電極５０５の材料は、例えば、Ｃｒであるが、この材料に限定されない。第２の電極５０５の厚さは、約５０〜５００ｎｍである。第２の電極５０５は、ＬｉＣｌ溶液の液体電極（図示せず）であってもよい。実施の形態１と異なり、第２の電極５０５を周期状にパターニングする必要はない。これは、第２の電極５０５は、さらなる制御層５０２における領域５０３（イオンが注入されている領域）と協働して、周期的なパターン電極（すなわち、領域５０６）として機能するためである。
【００６８】
工程Ｓ５４００：第２の電極５０５から第１の電極３０３の方向に電界発生器３０５を用いて電界を印加する。工程Ｓ５４００は、実施の形態１で図３を参照して説明した工程Ｓ３４００と同様であるため説明を省略する。ただし、第２の電極５０５は全面電極であるため、図３に示される周期状の第２の電極３０４のように個々に電界を印加するための配線を必要としないため、簡便である。
【００６９】
工程Ｓ５４００において、ＳＬＮ３００に電界を印加すると、第２の電極５０５のうち領域５０６の端部に分極反転した微細なドメインが生成する。生成したドメインは、電界の印加方向（すなわち、第２の電極５０５から第１の電極３０３の方向）に成長する。第１の電極３０３へ向かって成長するドメインの成長速度は、制御層３０２に達した後、低下するか、または、０になる。これは、制御層３０２の欠陥密度Ｄcont1がＳＬＮ３００
の欠陥密度Ｄferroに比べて大きいため、ドメインの成長を抑制する（すなわち、ドメイ
ンの成長速度を低下させる）、または、ドメインの成長を停止する（すなわち、ドメインの成長速度を０にする）ように機能するためである。これにより、ドメインの有する静電荷の補償（ドメインの自発分極の終端化）が抑制され、ドメインの電界の印加方向に対して垂直な方向への成長（サイドウィンド）も抑制される。
【００７０】
実施の形態１とは異なり、実施の形態２では、さらなる制御層５０２がＳＬＮ３００の第２の面側に形成されている。これにより、図２を参照して説明した、矢印Ａ（図２）の
方向へのサイドウィンドを抑制することができる。これは、さらなる制御層５０２の領域５０３の欠陥密度Ｄcont2が、領域５０３以外のＳＬＮ３００の欠陥密度Ｄferroよりも大きいためである。さらなる制御層５０２の領域５０３へのドメインの成長は、領域５０３中の欠陥の存在によって、物理的に抑制される。この結果、第２の電極５０５の領域５０６の面積と同じ断面積の分極反転領域を有する周期分極反転構造が得られるので、より高精度に制御された周期分極反転構造を製造することができる。
【００７１】
さらなる制御層５０２の機能は、欠陥の存在によって物理的にドメインの成長（サイドウィンド）を停止することである。したがって、さらなる制御層５０２の欠陥密度が大きいほど望ましい。
【００７２】
上述の説明では、図３の工程Ｓ３２００から始めたが、図３の工程Ｓ３３００後に、第２の電極３０４（図３）をマスク５００として、金属拡散を行ってもよい。この場合、第２の電極３０４をエッチング等によって除去する必要がないため、操作が簡便である。ただし、この場合には、第２の電極３０４の材料は、アニールによってＳＬＮ３００に拡散されない元素でなければならない。
【００７３】
なお、工程Ｓ５４００後に、必要ならば、制御層３０２、第１の電極３０３、さらなる制御層５０２、および、第２の電極５０５をエッチングまたは化学的機械研磨（ＣＭＰ）によって除去してもよい。
（２）外拡散
図６は、本発明の実施の形態２によるさらなる分極反転を制御する工程を示す図である。工程ごとに説明する。図６において、工程Ｓ６０００、工程Ｓ６２００および工程Ｓ６３００は、図５の工程Ｓ５０００、工程Ｓ５３００および工程Ｓ５４００と同一であるため、説明を省略する。図６は、例えば、図４の工程Ｓ４１００から始まる。
【００７４】
工程Ｓ６０００：第１の面に対向する第２の面にマスク５００としてフォトレジストを提供する。
【００７５】
工程Ｓ６１００：マスク５００を介して第２の面をアニールし、その後、マスク５００を除去し、さらなる制御層６００を形成する。アニールは、還元雰囲気、酸素雰囲気、および、真空雰囲気からなる群から選択される雰囲気中で、約８００〜１１００℃の温度範囲で、約１〜２０時間の間行われる。このアニールによって、ＳＬＮ３００の領域６０１（第１の領域）中のＬｉ原子が結晶外へと拡散する。外拡散の距離は、約１〜２０μｍである。その結果、ＳＬＮ３００の領域６０１に欠陥（この場合、空孔）が生成される。
【００７６】
このようにしてさらなる制御層６００が形成される。さらなる制御層６００は、Ｌｉ原子が外拡散された領域６０１（第１の領域）と、Ｌｉ原子が外拡散されていない領域６０２（第２の領域）とを含む。これら領域６０１と領域６０２とは、交互に周期的に並び得る。金属拡散の場合と同様に、外拡散による領域６０１の欠陥密度の評価は、例えば、ラザフォード後方散乱分光（ＲＢＳ）によって行われ得る。上述の条件で外拡散を行った場合、領域６０１の欠陥密度Ｄcont2と、領域６０２の欠陥密度Ｄferroとは、関係Ｄferro
＜Ｄcont2を満たすことを確認した。領域６０２の欠陥密度は、ＳＬＮ３００の欠陥密度
Ｄferroに等しいことに留意されたい。マスク５００は、エッチングにより除去される。
【００７７】
工程Ｓ６２００：さらなる制御層６００上に第２の電極５０５を形成する。
【００７８】
工程Ｓ６３００：第２の電極５０５から第１の電極３０３の方向に電界発生器３０５を用いて電界を印加する。
【００７９】
外拡散によって形成されたさらなる制御層６００も、さらなる制御層５０２（図５）と同様にして、ドメインの矢印Ａ（図２）方向への成長（サイドウィンド）を抑制するように機能するため、より高精度に制御された周期分極反転構造を製造することができる。
【００８０】
上述の説明では、図４の工程Ｓ４１００から始めたが、図４の工程Ｓ４２００後に、第
２の電極３０４（図４）をマスク５００として、金属拡散を行ってもよい。この場合、第２の電極３０４をエッチング等によって除去する必要がないため、操作が簡便である。ただし、この場合には、第２の電極３０４の材料は、アニールによってＳＬＮ３００に拡散されない元素でなければならない。
【００８１】
なお、工程Ｓ６３００後に、必要ならば、制御層４００、第１の電極３０３、さらなる制御層６００、および、第２の電極５０５をエッチングまたは化学的機械研磨（ＣＭＰ）によって除去してもよい。
【００８２】
上述してきたように、実施の形態２によれば、強誘電体単結晶３００と第２の電極５０５との間にさらなる制御層５０２および６００を設ける。さらなる制御層５０２および６００は、金属が拡散された、または、Ｌｉが外拡散された第一の領域５０３および６０１と、金属が拡散されていない、または、Ｌｉが外拡散されていない（すなわち、強誘電体単結晶３００と同じ）第２の領域５０４および６０２とを有する。第１の領域５０３および６０１の欠陥密度Ｄcont2と第２の領域５０４および６０２の欠陥密度Ｄferroとは、関係Ｄferro＜Ｄcont2を満たす。これにより、第１の領域５０３および６０１へのドメインの成長は、内部に存在する欠陥（置換不純物または空孔）によって物理的に抑制される。
【００８３】
第１の電極３０３側においてドメインの成長を制御するだけでなく、第２の電極５０５側においてもドメインの成長を制御するので、実施の形態１に比べて、より高精度に制御された分極反転構造を製造することができる。
【００８４】
なお、実施の形態２では、さらなる制御層５０２および６００と、制御層３０２および４００とが、同じ製造方法による組み合わせとなる例を示してきた。しかしながら、本発明は、これに限らない。例えば、制御層を金属拡散によって製造し、さらなる制御層を外拡散によって製造してもよい。あるいは、制御層を外拡散によって製造し、さらなる制御層を金属拡散によって拡散してもよい。制御層の製造方法と、さらなる制御層の製造方法の組み合わせは、任意である。
【００８５】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３による光波長変換素子７００を用いた光波長変換システムを示す図である。光波長変換システムは、光波長変換素子７００と、光源７０１と、集光光学系７０２と含む。光波長変換素子７００は、実施の形態１または２に記載される方法を用いて製造され得る。光波長変換素子７００は、例えば、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム（ＳＬＮ）３００から製造され得る。光波長変換素子７００は、１８０°ドメインを有する任意の強誘電体単結晶から製造され得る。ＳＬＮ３００は、周期的な分極反転領域７０３を有する。ＳＬＮ３００は、制御層３０２または４００を有する。
【００８６】
光源７０１は、例えば、半導体レーザであり得るが、これに限定されない。光源７０１は、コヒーレントである限り、任意の光源を用いることができる。光源７０１は、例えば、波長７８０ｎｍの光を発する。
【００８７】
集光光学系７０２は、光７０１が発する光を集光し、光波長変換素子７００に入射させるように機能する任意の光学系であり得る。
【００８８】
このような光波長変換システムの動作を説明する。光源７０１が発する光は、集光光学系７０２を介して光波長変換素子７００に入射する。この光を基本波と呼ぶ。分極反転領域７０３は、光源７０１の光（基本波）の導波方向に周期的に繰り返されている。このような周期的な分極反転領域７０３により、基本波とその第２高調波とが位相整合（擬似位相整合）する。このようにして、基本波は、光波長変換素子７００を伝播する間に波長３９０ｎｍの第２高調波に変換される。なお、光波長変換素子７００の基本波の入射面と出射面とに反射膜を設けて、光波長変換素子７００を共振器として機能させてもよい。
【００８９】
このように本発明による方法を用いれば、従来よりも短周期の分極反転領域７０３を有
する光波長変換素子７００を製造することができる。この結果、短波長への変換（例えば、７８０ｎｍの波長の光を３９０ｎｍの波長の光に変換）が可能となる。さらに、光波長変換素子７００を反射型光波長変換素子として用いることによって、さらなる高効率化が可能である。また、本発明による方法を用いれば、微細チャープを有する光波長変換素子を作製することが可能となるので、入射する光の波長帯域幅を広げることができ、その結果、光源７０１の発する光７０１の波長ぶれに対する耐性が向上する。
【００９０】
上記光波長変換素子７００は本発明の方法を適用する一例にすぎない。例えば、本発明は、電気光学偏光器、変調器および表面弾性波デバイスにも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
以上説明してきたように、本発明によれば、強誘電体単結晶と第１の電極（ドメインの自発分極が終端化する側の電極）との間に制御層が設けられる。制御層の欠陥密度Ｄcont1と強誘電体単結晶の欠陥密度Ｄferroとは、関係Ｄferro＜Ｄcont1を満たす。これにより、第２の電極から第１の電極の方向に成長するドメインの成長速度は、制御層において低下するか、または、０になる。その結果、ドメインの自発分極の終端化が抑制され、電界の印加方向に対して垂直な方向へのドメインの成長が抑制される。
【００９２】
短周期の分極反転領域を形成する場合であっても、従来よりも長時間電圧を強誘電体単結晶に印加することが必要とされる。したがって、高価な装置を用いることなく、従来の装置を用いて分極反転領域のさらなる短周期化が可能である。また、第１の電極側においてドメインの成長を制御しているので、第１の電極側の分極反転領域の周期性が乱れることはない。この結果、波長変換領域を広げること（すなわち、短波長化）が可能となる。本発明の方法は、強誘電体単結晶の厚さに関わらず適用することができるので、高出力用の厚い光波長変換素子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】強誘電体単結晶の分極反転領域の生成工程を示す図
【図２】本発明の分極反転を制御する方法を示す図
【図３】本発明の実施の形態１による分極反転を制御する工程を示す図
【図４】本発明の実施の形態１によるさらなる分極反転を制御する工程
【図５】本発明の実施の形態２による分極反転を制御する工程を示す図
【図６】本発明の実施の形態２によるさらなる分極反転を制御する工程を示す図
【図７】本発明の実施の形態３による光波長変換素子を用いた光波長変換システムを示す図
【図８】従来技術による周期分極反転領域の形成方法を示す図
【符号の説明】
【００９４】
２００  デバイス
２０１、３００  強誘電体単結晶
２０２、３０２、４００  制御層
２０３、３０３  第１の電極
２０４、３０４、５０５  第２の電極
３０５  電界発生器
５０２、６００  さらなる制御層
５０３、６０１  第１の領域
５０４、６０２  第２の領域
７００  光波長変換素子
７０１  光源
７０２  集光光学系
７０３  分極反転領域
【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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