(57)【要約】イオンビームを用いて、ナノメータオーダの分極反転領域を強誘電体単結晶に形成する方法、その装置、および、それを用いたデバイスを提供することを課題とする。  本発明による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の面を接地する工程と、第１の面に対向する第２の面にイオンビームを照射する工程であって、イオンビームは、イオンビームが照射される第２の面に蓄積される電荷量密度Ｑ（μＣ／ｃｍ２）が、０．７×Ｐｓ≦Ｑ≦５×Ｐｓ（ただし、Ｐｓは、強誘電体単結晶の自発分極（μＣ／ｃｍ２）である）を満たすように照射される、工程とを包含する。
2007049793.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の第１の面を接地する工程と、
前記第１の面に対向する第２の面にイオンビームを照射する工程であって、前記イオンビームは、前記イオンビームが照射される前記第２の面に蓄積される電荷量密度Ｑ（μＣ／ｃｍ２）が、０．７×Ｐｓ≦Ｑ≦５×Ｐｓ（ただし、Ｐｓは、前記強誘電体単結晶の自発分極（μＣ／ｃｍ２）である）を満たすように照射される、工程と
を包含する、方法。
【請求項２】
前記照射する工程は、前記電荷量密度Ｑが、１．８×Ｐｓ≦Ｑ≦２．２×Ｐｓを満たす、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項３】
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（ＳＬＮ）、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＳＬＴ）、コングルエント組成のニオブ酸リチウム（ＣＬＮ）およびコングルエント組成のタンタル酸リチウム（ＣＬＴ）からなる群から選択される、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項４】
前記強誘電体単結晶が、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム（ＳＬＮ）または実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＳＬＴ）の場合、前記強誘電体単結晶は、Ｍｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩｎからなる群から選択される元素を０．１〜３．０ｍｏｌ％含む、請求の範囲第３項に記載の方法。
【請求項５】
前記強誘電体単結晶の厚さは、λ／２以上２×λ以下（ここで、λは、前記強誘電体単結晶に入射される光の波長である）の大きさである、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項６】
前記照射する工程は、２０ＫｅＶ〜４０ＫｅＶの範囲の加速電圧で前記イオンビームを照射する、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項７】
前記イオンビームのイオン種は、ガリウムイオンである、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項８】
前記照射する工程の前に、前記第２の面に制御層を付与する工程をさらに包含する、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項９】
前記制御層は、ＰＭＭＡまたはＺＥＰ５２０である、請求の範囲第８項に記載の方法。
【請求項１０】
前記制御層の厚さは、５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲である、請求の範囲第８項に記載の方法。
【請求項１１】
前記照射する工程の後に、前記強誘電体単結晶をエッチングする工程をさらに包含する、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記照射する工程の後に、フッ酸と硝酸とを所定の混合比で混合したエッチャントを用いて前記強誘電体単結晶をエッチングする工程をさらに包含する、請求の範囲第３項に記載の方法。
【請求項１３】
前記接地する工程は、
前記第１の面に絶縁層を付与する工程と、
前記絶縁層上に電極層を付与する工程と
をさらに包含し、前記絶縁層の屈折率は、前記強誘電体単結晶の屈折率よりも小さい、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記接地する工程は、
前記第１の面に透明電極層を付与する工程と、
前記電極層上に絶縁層を付与する工程と
をさらに包含し、前記絶縁層の屈折率は、前記強誘電体単結晶の屈折率よりも小さい、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記絶縁層を除去する工程をさらに包含する、請求の範囲第１３項または第１４項のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
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デバイスであって、前記方法は、
前記強誘電体単結晶の前記第１の面を接地する工程と、
前記第１の面に対向する第２の面にイオンビームを照射する工程であって、前記イオンビームは、前記イオンビームが照射された第２の面に蓄積される電荷量密度Ｑ（μＣ／ｃｍ２）が、０．７×Ｐｓ≦Ｑ≦５×Ｐｓ（ただし、Ｐｓは、前記強誘電体単結晶の自発分極（μＣ／ｃｍ２）である）を満たすように照射される、工程と
を包含する、デバイス。
【請求項１７】
前記照射する工程は、前記電荷量密度Ｑが、１．８×Ｐｓ≦Ｑ≦２．２×Ｐｓを満たす、請求の範囲第１６項に記載のデバイス。
【請求項１８】
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（ＳＬＮ）、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＳＬＴ）、コングルエント組成のニオブ酸リチウ厶（ＣＬＮ）およびコングルエント組成のタンタル酸リチウム（ＣＬＴ）からなる群から選択される、請求の範囲第１６項に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記強誘電体単結晶が、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム（ＳＬＮ）または実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＳＬＴ）の場合、前記強誘電体単結晶は、Ｍｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩｎからなる群から選択される元素を０．１〜３．０ｍｏｌ％含む、請求の範囲第１８項に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記強誘電体単結晶の厚さは、λ／２以上２×λ以下（ここで、λは、前記強誘電体単結晶に入射される光の波長である）の大きさである、請求の範囲第１６項に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記照射する工程は、２０ＫｅＶ〜４０ＫｅＶの範囲の加速電圧で前記イオンビームを照射する、請求の範囲第１６項に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記イオンビームのイオン種は、ガリウムイオンである、請求の範囲第１６項に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記照射する工程の前に、前記第２の面に制御層を付与する工程をさらに包含する、請求の範囲第１６項に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記制御層は、ＰＭＭＡまたはＺＥＰ５２０である、請求の範囲第２３項に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記制御層の厚さは、５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲である、請求の範囲第２３項に記載のデバイス。
【請求項２６】
前記照射する工程の後に、前記強誘電体単結晶をエッチングする工程をさらに包含する、請求の範囲第１６項に記載のデバイス。
【請求項２７】
前記接地する工程は、
前記第１の面に絶縁層を付与する工程と、
前記絶縁層上に電極層を付与する工程と
をさらに包含し、前記絶縁層の屈折率は、前記強誘電体単結晶の屈折率よりも小さい、請求の範囲第１６項に記載のデバイス。
【請求項２８】
前記接地する工程は、
前記第１の面に透明電極層を付与する工程と、
前記電極層上に絶縁層を付与する工程と
をさらに包含し、前記絶縁層の屈折率は、前記強誘電体単結晶の屈折率よりも小さい、請求の範囲第１６項に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記方法は、前記絶縁層を除去する工程をさらに包含する、請求の範囲第２７項または第２８項のいずれかに記載のデバイス。
【請求項３０】
電極層と、
前記電極層上に位置するクラッド層と、
前記クラッド層上に位置するスラブ層であって、前記スラブ層は、所定の周期で配列された複数の孔を有する強誘電体単結晶からなり、前記スラブ層の屈折率は、前記クラッド層の屈折率よりも大きい、スラブ層と
を含む、デバイス。
【請求項３１】
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（ＳＬＮ）、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＳＬＴ）、コングルエント組成のニオブ酸リチウム（ＣＬＮ）およびコングルエント組成のタンタル酸リチウム（ＣＬＴ）からなる群から選択される、請求の範囲第３０項に記載のデバイス。
【請求項３２】
前記所定の周期は、０．３×λ〜０．６×λの範囲であり、ここで、λは前記デバイスに入射される光の真空中における波長である、請求の範囲第３１項に記載のデバイス。
【請求項３３】
強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する装置であって、
前記強誘電体単結晶にイオンビームを照射するイオンビーム源と、
前記イオンビームによって前記強誘電体単結晶に蓄積された電荷量密度Ｑ（μＣ／ｃｍ２）が、０．７×Ｐｓ≦Ｑ≦５×Ｐｓ（ただし、Ｐｓは、前記強誘電体単結晶の自発分極（μＣ／ｃｍ２）である）を満たすように、前記イオンビーム源を制御する制御部と
を備える、装置。
【請求項３４】
前記制御部は、前記電荷量密度Ｑが、１．８×Ｐｓ≦Ｑ≦２．２×Ｐｓを満たすように、前記イオンビーム源を制御する、請求の範囲第３３項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法、その装置、および、それを用いたデバイスに関する。より詳細には、本発明は、強誘電体単結晶に所望のパターン、特に、ナノメータオーダの分極反転領域を形成する方法、その装置、および、それを用いたデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、優れた非線形光学定数および電気光学定数を有する強誘電体単結晶に分極反転領域を形成分極反転領域を形成する方法、その装置およびそれを用いたデバイスすることにより、光周波数変調器、波長変換素子といった光学素子の研究が盛んに行われている。
強誘電体単結晶に分極反転層を形成する方法には、イオンビームまたは電子線ビームを用いた方法がある（例えば、特許文献１および２を参照）。
図１３は、従来技術による分極反転層を製造する様子を示す図である。
工程Ｓ１３１０：非線形光学効果を有する強誘電体基板１３１０を接地する。強誘電体基板は、例えば、ｚ板のＬｉＴａＯ３基板である。
工程Ｓ１３２０：強誘電体基板１３１０の自発分極の正側の表面に所定の加速電圧で加速された正電荷を有するイオン１３２０を集束する。イオンビームは、例えば、Ｓｉ２＋イオンビームである。
工程Ｓ１３３０：集束したイオンビーム１３２０により強誘電体基板１３１０の表面を周期状１３３０に走査する。
この方法によれば、集束イオンビームを用いることによってマスク無しに周期的分極反転層の形成が可能になる。そのため、マスク作製時に発生していた不純物の混入が防がれるとともに、マスク作製のプロセスを省略できる。イオンビームで形成された分極反転層は、強誘電体基板に対して深く、かつ、短周期であるため、高効率の波長変換素子が製造できる。
【特許文献１】特開平６−１８６６０４号公報
【特許文献２】特開平６−３４２１１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近年の技術革新にともなって、より微細なナノメータオーダの分極反転構造（分極反転領域）を有する新規デバイスの開発が望まれている。しかしながら、上記特許文献１および特許文献２に記載の技術は、いずれも、加速電圧が大きい（例えば、１００ｋＶ〜２００ｋＶ）ため、材料に与えるダメージが大きく、ナノメータオーダの分極反転構造の形成には適さない。イオンビームを用いたナノメータオーダに匹敵する微細な分極反転構造を形成するに好ましい方法は未だ確立していない。
したがって、本発明の目的は、イオンビームを用いて、ナノメータオーダの分極反転領域を強誘電体単結晶に形成する方法、その装置、および、それを用いたデバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明による強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法は、前記強誘電体単結晶の第１の面を接地する工程と、前記第１の面に対向する第２の面にイオンビームを照射する工程であって、前記イオンビームは、前記イオンビームが照射される前記第２の面に蓄積される電荷量密度Ｑ（μＣ／ｃｍ２）が、０．７×Ｐｓ≦Ｑ≦５×Ｐｓ（ただし、Ｐｓは、前記強誘電体単結晶の自発分極（μＣ／ｃｍ２）である）を満たすように照射される、工程とを包含し、これにより上記目的を達成する。
本発明によるデバイスは、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、前記方法は、前記強誘電体単結晶の前記第１の面を接地する工程と、前記第１の面に対向する第２の面にイオンビームを照射する工程であって、前記イオンビームは、前記イオンビームが照射された第２の面に蓄積される電荷量密度Ｑ（μＣ／ｃｍ２）が、０．７×Ｐｓ≦Ｑ≦５×Ｐｓ（ただし、Ｐｓは、前記強誘電体単結晶の自発分極（μＣ／ｃｍ２）である）を満たすように照射される、工程とを包含し、これにより上記目的を達成する。
本発明によるデバイスは、電極層と、前記電極層上に位置するクラッド層と、前記クラッド層上に位置するスラブ層であって、前記スラブ層は、所定の周期で配列された複数の孔を有する強誘電体単結晶からなり、前記スラブ層の屈折率は、前記クラッド層の屈折率よりも大きい、スラブ層とを含み、これにより上記目的を達成する。
本発明による強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する装置は、前記強誘電体単結晶にイオンビームを照射するイオンビーム源と、前記イオンビームによって前記強誘電体単結晶に蓄積された電荷量密度Ｑ（μＣ／ｃｍ２）が、０．７×Ｐｓ≦Ｑ≦５×Ｐｓ（ただし、Ｐｓは、前記強誘電体単結晶の自発分極（μＣ／ｃｍ２）である）を満たすように、前記イオンビーム源を制御する制御部とを備え、これにより上記目的を達成する。
【発明の効果】
【０００５】
本発明による強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法では、強誘電体単結晶の第１の面を接地する工程と、第１の面に対向する第２の面にイオンビームを照射する工程とを包含する。ここで、イオンビームは、イオンビームが照射される第２の面に蓄積される電荷量密度Ｑ（μＣ／ｃｍ２）が、０．７×Ｐｓ≦Ｑ≦５×Ｐｓ（ただし、Ｐｓは、強誘電体単結晶の自発分極（μＣ／ｃｍ２）である）を満たすので、イオンの蓄積による電界の横方向への広がりが抑えられる。また、上記条件は、集束されたイオンビーム（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ）を用いた場合にも適用可能であり、ナノメータオーダの分極反転領域も容易に形成することができ、微細化を達成し得る。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明による強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法を示すフローチャート
【図２】本発明による強誘電体単結晶に分極反転領域が形成されるメカニズムを示す図
【図３】本発明による強誘電体単結晶に分極反転領域が形成されるさらなるメカニズムを示す図
【図４】本発明による分極反転領域を形成する装置の模式図
【図５】実施の形態１で説明した本発明による分極反転領域を形成する方法を用いて作製された波長変換素子の模式図
【図６】実施の形態１で説明した本発明による分極反転領域を形成する方法を用いて作製されたデバイスの模式図
【図７】二次元フォトニック結晶ＣＬＮの＋Ｚ面のＳＥＭ画像を示す図
【図８】二次元フォトニック結晶ＳＬＮの＋Ｚ面のＳＥＭ画像を示す図
【図９】二次元フォトニック結晶ＣＬＴ（Ａ）および一次元フォトニック結晶ＣＬＴ（Ｂ）の＋Ｚ面のＳＥＭ画像を示す図
【図１０】二次元フォトニック結晶ＳＬＴの＋Ｚ面のＳＥＭ画像を示す図
【図１１】二次元フォトニック結晶ＳＬＮ（絶縁層なし）（Ａ）および二次元フォトニック結晶ＳＬＮ（絶縁層あり）（Ｂ）の＋Ｚ面のＳＥＭ画像を示す図
【図１２】ドメインサイズと電荷量密度との関係を示す図
【図１３】従来技術による分極反転層を製造する様子を示す図
【符号の説明】
【０００７】
２００  強誘電体単結晶      ２１０、５２０  電極層
２２０  イオンビーム      ２３０、２４０、３１０、３２０  領域
２５０  はじかれたイオン      ３００  制御層      ４００  装置
４１０  イオンビーム源      ４２０  制御部      ５００  波長変換素子
５１０、６１０  基板      ５２０、６３０  クラッド層
５３０  強誘電体単結晶      ５４０  リッジ型導波路
５５０  第１の分極反転領域      ５６０  第２の分極反転領域
６００  デバイス      ６２０  電極層      ６４０  スラブ層
６５０  複数の孔      ６６０  線欠陥      ６７０  スペーサ
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明による強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法を示すフローチャートである。
図２は、本発明による強誘電体単結晶に分極反転領域が形成されるメカニズムを示す図である。
図２を参照して、工程ごとに説明する。
工程Ｓ１１０：強誘電体単結晶２００の第１の面を接地する。ここで、強誘電体単結晶２００は、任意の強誘電体単結晶が適用可能であるが、光学応用には１８０°ドメインを有する非線形光学効果を有する任意の強誘電体単結晶が好ましい。１８０°ドメインであれば、容易に分極反転可能であり、一旦反転した分極は良好に維持される。
より、好ましくは、コングルエントニオブ酸リチウム（以降では、単にＣＬＮと称する）、コングルエントタンタル酸リチウム（以降では、単にＣＬＴと称する）、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム（以降では、単にＳＬＮと称する）、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（以降では、単にＳＬＴと称する）である。
これらは、１８０°ドメイン、優れた圧電効果、焦電効果、電気光学効果および非線形光学効果を有しており、ナノメータオーダの分極反転領域を利用することによって新規な特性の利用が期待され得る。これらは、また、非線形光学定数（ｄ定数）が他の強誘電体単結晶に比べて大きいため、より光学応用に適しており、材料の加工技術等すでに確立されているため市場に近く汎用性がある。
ＳＬＮおよびＳＬＴは、また、Ｍｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩｎからなる群から選択される元素を０．１〜３．０ｍｏｌ％含んでも良い。これにより、光損傷を低減できる。
なお、本明細書において、実質的に「定比組成である」とは、Ｌｉ２Ｏ／（Ｎｂ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）またはＬｉ２Ｏ／（Ｔａ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）のモル分率が完全０．５０ではないものの、コングルエント組成よりも化学量論比に近い組成のモル分率０．４９５〜０．５０を有していることを意図する。
強誘電体単結晶２００の厚さは、好ましくは、λ／２以上２×λ以下（ここで、λは、強誘電体単結晶２００に入射され得る光の波長である）がよい。この厚さであれば、強誘電体単結晶２００に入射された光を横モードで閉じ込めることができるので、光の閉じ込め効果が向上し得る。
なお、このような強誘電体単結晶２００は、原料自動供給型二重坩堝法（ＤＣＣＺ）、チョクラルスキー法（ＣＺ）、ゾーンメルト法（ＺＭ）等の種々の単結晶育成法によって製造され得るが、強誘電体単結晶２００として、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等の種々の物理的または化学的気相成長法、または、ゾルゲル法に代表される液相成長法によって製造された薄膜を用いてもよい。
強誘電体単結晶２００の第１の面は、−Ｚ面（−Ｃ面）であり、好ましくは、アース電極として電極層２１０を有する。電極層２１０は、Ｃｒ薄膜、Ｐｔ薄膜、Ａｕ薄膜、ＡｕＰｄ薄膜等の金属薄膜、または、ＩＴＯ薄膜、ＺｎＯ薄膜等の透明導電膜である。
強誘電体単結晶２００は、好ましくは、強誘電体単結晶２００の第１の面と電極層２１０との間に、絶縁層（図示せず）をさらに有し得る。ただし、絶縁層の屈折率は、強誘電体単結晶２００の屈折率よりも小さい。このように設計することによって、強誘電体単結晶２００を導波する光を結晶内に閉じ込めることができるので、高効率なデバイスが得られ得る。
このような絶縁層には、ＳｉＯｘ（１≦ｘ≦２）膜がある。強誘電体単結晶２００と電極層２１０との間に絶縁層を有する場合、絶縁層の厚さが重要である。すなわち、絶縁層が厚すぎると、強誘電体単結晶２００に分極反転するに十分な電界を発生できない場合がある。また、絶縁層が薄すぎると、強誘電体単結晶２００に十分な電界を発生させるものの、強誘電体単結晶２００に入射される光が染み出し、光の閉じ込め効果が低減し得る。したがって、絶縁層の厚さは、好ましくは、１．５μｍ〜２．５μｍの範囲であり、この範囲であれば、効果的に光を閉じ込め、かつ、強誘電体単結晶２００の分極反転を阻害しない。
あるいは、強誘電体単結晶２００は、電極層２１０上に絶縁層（図示せず）を有していてもよい。この場合、電極層２１０は、光の伝播に支障のない屈折率および誘電率を有する透明導電膜（透明電極層）であり得る。絶縁層の屈折率は、強誘電体単結晶２００の屈折率よりも小さい。この場合、強誘電体単結晶２００に直接電極層２１０が接触しているので、強誘電体単結晶２００には分極反転するに十分な電界が容易に発生するため、絶縁層の厚さに制限はなく、厚いほど好ましい。
なお、本明細書において、強誘電体単結晶２００の第１の面側に設けられる絶縁層は、強誘電体単結晶２００の絶縁性よりも高い絶縁性を必ずしも有する必要はなく、いわゆる低導電率材料を意図しており、後に、クラッド層として機能し得ることに留意されたい。
また、電極層２１０および絶縁層の強誘電体単結晶２００への形成の順番は、任意である。例えば、支持基板上に電極層２１０、ついで絶縁層を形成し、その後、強誘電体単結晶２００と接合させるかまたは強誘電体単結晶２００を堆積させてもよいし、バルク状の強誘電体単結晶２００の第１の面に絶縁層、ついで電極層２１０を形成し、その後、支持基板と接合させてもよい。
同様に、電極層２１０が透明導電膜の場合には、支持基板上に絶縁層、ついで電極層２１０を形成し、その後、強誘電体単結晶２００と接合させるかまたは強誘電体単結晶２００を堆積させてもよいし、バルク状の強誘電体単結晶２００の第１面に電極層２１０、ついで絶縁層を形成し、その後、支持基板と接合させてもよい。
工程Ｓ１２０：強誘電体単結晶２００の第２の面にイオンビーム２２０を照射する。第２の面は、第１の面に対向しており、＋Ｚ面（＋Ｃ面）である。イオンビーム２２０の照射によって、強誘電体単結晶２００の第２の面に電荷（イオン）が蓄積される。
イオンビーム２２０は、第２の面に蓄積される電荷量密度Ｑ（μＣ／ｃｍ２）が、０．７×Ｐｓ≦Ｑ≦５×Ｐｓを満たす。ここで、Ｐｓは、強誘電体単結晶２００の自発分極（μＣ／ｃｍ２）である。上記電荷量密度Ｑを満たすように照射されれば、イオンの蓄積による電界の横方向への広がりが抑えられる。したがって、集束イオンビーム２２０（例えば、ビーム径数十ｎｍ程度）であっても、確実に所定の領域を分極反転させることができる。
電荷量密度Ｑは、好ましくは、約２×Ｐｓを満たす。約２×Ｐｓとは、±１０％の誤差範囲を含む（以下、同様）。すなわち、１．８×Ｐｓ≦Ｑ≦２．２×Ｐｓを満たすことが好ましい。この範囲であれば、ドメインの電界に対して垂直方向への成長がさらに抑えられるので、ナノメータオーダの良好な形状を有する分極反転領域が形成され得る。
このようなイオンビーム２２０は、２０ＫｅＶ〜４０ＫｅＶの範囲の加速電圧で照射され得る。この範囲であれば、装置の絞りの調整等により、イオンビーム径を最小６ｎｍまで制御することができるので、ナノメータオーダの分極反転領域が容易に形成され得る。
イオンビーム２２０のイオン種は、典型的にはガリウムイオン（Ｇａ＋）である。イオン種は、強誘電体表面に長時間とどまることができるイオンが好ましい。
なお、イオンビーム２２０の照射パターンは、デバイスの用途に応じて任意であるが、例えば、線状、ドットであり得る。線状パターンが採用されれば、一次元フォトニック結晶が形成され、ドットパターンが採用されれば、二次元フォトニック結晶が形成され得る。ここで、本明細書において、一次元フォトニック結晶とは、光の導波方向が一次元であることを意図し、二次元フォトニック結晶とは、光の導波方向が二次元であることを意図し、いずれもそれらの構造が一次元または二次元ではないことを理解されたい。
図２に示されるように、強誘電体単結晶２００の＋Ｚ面のイオンビーム２２０が照射された領域２３０に正電荷が蓄積される。一方、正電荷が蓄積された領域２３０に対向する強誘電体単結晶２００の−Ｚ面の領域２４０には、負電荷が蓄積される。これによって、電界Ｅが＋Ｚ面の領域２３０から−Ｚ面の領域２４０に向けて発生する。
この電界Ｅを発生させる電荷量密度Ｑの大きさが、０．７×Ｐｓ≦Ｑ≦５×Ｐｓであれば、所望の領域を分極反転させることができる。また、電荷量密度Ｑの大きさが約２×Ｐｓであれば、所望の領域のみを確実に分極反転させることができる。
イオンビーム２２０の照射の際、すでに領域２３０に蓄積された正電荷が、クーロン反発力によってイオンビーム２２０のイオンをはじき、はじかれたイオン２５０によって電界の横方向の広がり（すなわち、電界分布）が生じる場合があり得るが、電荷量密度Ｑが上記範囲を満たせば、その影響をほぼ無視できる。
しかしながら、イオンビーム２２０の電荷量密度Ｑが不適切であれば、電界Ｅの大きさが不十分のため、分極反転が生じない、または、電界分布の影響が無視できず不要な分極反転を生じるといった問題が生じる。
従来技術においては、マイクロメータオーダの分極反転領域を形成することが目的であったため、ビーム径をより絞った場合には従来技術に記載の条件が適用できなかった。本発明者らは、種々のビーム径に対応したイオンビームの照射条件を創意工夫によって見出した。このような照射条件は、実験を繰り返すことによって初めて見出されるものであって、従来技術における技術レベルでは容易に相当し得ないことを当業者であれば理解する。
図３は、本発明による強誘電体単結晶に分極反転領域が形成されるさらなるメカニズムを示す図である。
強誘電体単結晶２００の第２の面は、好ましくは、電界分布を制御するための制御層３００を有し得る。制御層３００は、いわゆる低導電率材料であり、強誘電体単結晶２００の絶縁性よりも高い絶縁性を必ずしも有する必要はない。このような制御層３００は、イオンの動きを抑制するよう機能し得る層である。
制御層３００は、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＺＥＰ５２０（ゼオン社製ポジ型レジスト）、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＳｉＮｘ（１＜ｘ＜２）またはＡｌＮｘ（０．５＜ｘ＜１．５）等の窒化物、ＳｉＯｘ（１≦ｘ≦２）またはＡｌ２Ｏ３等の酸化物であり得る。好ましくは、制御層３００は、ＰＭＭＡまたはＺＥＰ５２０である。これらの制御層３００は、強誘電体単結晶２００に対して付与しやすく、密着性がよい。さらに、容易に剥離できるという利点がある。
なお、本明細書において、ＰＭＭＡとは、ＰＭＭＡを骨格とするポリマーを意図しており、その分子量が５０００〜２００００００の範囲において制御され得ることを理解されたい。これら制御層は、スピンコート、ディップコート等の既存の方法によって形成され得る。制御層３００の厚さは、好ましくは、５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲である。この範囲であれば、後述するように、効果的に電界分布が広がるのを抑制できる。
このような制御層３００を付与することによって、電界の横方向の広がりが抑制されるメカニズムを説明する。
図２を参照して説明したように、強誘電体単結晶２００の＋Ｚ面のイオンビーム２２０が照射された領域３１０に正電荷が蓄積される。ここで、すでに領域３１０に蓄積された正電荷にさらなるイオンビーム２２０が照射されても、制御層３００にイオンが閉じ込められるため、さらなるイオンがはじかれて、横方に広がることはない。また、イオンビームが試料（すなわち直接強誘電体単結晶２００）に入り込まないため、試料がダメージを受けにくいという利点もある。このような、さらなるイオンの閉じ込め効果は、制御層３００の厚さが、特に、５０〜５００ｎｍが好ましい。
図２と同様に、正電荷が蓄積された領域３１０に対向する強誘電体単結晶２００の−Ｚ面の領域３２０には、負電荷が蓄積される。これによって、電界Ｅが＋Ｚ面の領域３１０から−Ｚ面の領域３２０に向けて発生する。この電界Ｅを発生させる電荷量密度Ｑが、上記範囲であれば、分極反転が生じる。制御層３００を設けることによって、はじかれるイオンが発生しないので、横方向への電界分布の広がりを考慮する必要なく、確実に所望の領域のみを分極反転させることができる。このような技術は、特に、ナノメータオーダレベルの微細加工に好ましい。
再度図１に戻る。
工程Ｓ１３０：デバイスの用途に応じて、工程Ｓ１２０の後に、強誘電体単結晶２００をエッチングしてもよい。強誘電体単結晶２００が、ＣＬＮ、ＣＬＴ、ＳＬＮまたはＳＬＴである場合、エッチャントとしてフッ酸および硝酸を所定の混合比で混合した溶液が用いられ得る。上記エッチャントは、工程Ｓ１２０において分極反転された領域（すなわち、−Ｚ面）のみをエッチングし得、残りの領域には、作用しない。フッ酸と硝酸との所定の混合比は、エッチング速度とエッチング面の荒れとのトレードオフによって決定され、例えば、１：０、１：１、１：２等であり得る。フッ酸の濃度が高いほどエッチング速度が高く、フッ酸の濃度が低いほどエッチング速度が遅い。これにより、強誘電体単結晶２００にアプリケーションに応じたスラブ構造を形成することができる。
さらに、工程Ｓ１３０に続いて、クラッド層として機能する第１の面側の絶縁層をエッチングによって除去してもよい。これによって、クラッド層は、絶縁層よりも低い屈折率を有する空気層となり得るので、より効果的に光を閉じ込めることができる。このような絶縁層のエッチングのためのエッチャントは、当業者であれば容易に類推し得る。
図４は、本発明による分極反転領域を形成する装置の模式図である。
装置４００は、イオンビーム源４１０と制御部４２０とを含む。イオンビーム源４１０は、上述のイオン種を強誘電体単結晶２００に発する。制御部４２０は、イオンビーム源４１０の動作を制御する。
より詳細には、制御部４２０は、イオンビーム源４１０が発するイオンビームによって強誘電体単結晶２００の第２の面（図１）に蓄積される電荷量密度Ｑが０．７×Ｐｓ≦Ｑ≦５×Ｐｓ、好ましくは、Ｑが約２×Ｐｓを満たすように、イオンビーム源４１０の動作を制御する。
制御部４２０は、電荷量密度Ｑを制御するために、例えば、関係式Ｑ＝Ｉ×Δｔ／Ｓ（ここで、Ｑは電荷量密度、Ｉはイオンビーム源４１０のビーム電流、Δｔはイオンビームの照射時間、Ｓはイオンビームが照射される面積である）を用いる。制御部４２０は、各種強誘電体単結晶２００のＰｓ値を予め備えていてもよい。
装置４００は、さらに、イオンビーム源４１０または強誘電体単結晶２００を移動させる移動部（図示せず）を備えていてもよい。これにより、強誘電体単結晶２００に照射されるイオンビームのパターンを描くことができる。なお、制御部４２０が、予めパターンを有していれば、移動部の移動を制御してもよい。
本発明による装置４００は、例えば、既存の集束イオンビーム装置に制御部４２０を設けるだけでよいので、安価である。また、制御部４２０が上述の電荷量密度Ｑを制御するので、強誘電体単結晶２００の所望の領域のみを分極反転できる。特に、従来製造が困難であったナノメータオーダレベルの極めて微細な分極反転構造を、容易かつ安価に製造することができる。
以上説明してきたように、本発明の方法および装置によれば、電荷量密度Ｑが、０．７×Ｐｓ≦Ｑ≦５×Ｐｓとなるようにイオンビームが、強誘電体単結晶に照射されるので、電界分布の横方向への広がりが低減され得る。その結果、ナノメータオーダサイズの分極反転領域の形成が可能になる。
好ましくは、強誘電体単結晶のイオンビームが照射される面に制御層を付与することによって、照射されたイオンによる電界分布の横方向への広がりをさらに抑制することができるので、さらなる微細加工が可能である。
本発明の方法を適用可能な材料として、光学応用を目的とした強誘電体単結晶を説明してきたが、本発明の方法は、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９（ＳＢＴ）、（ＰｂＬａ）（ＺｎＴｉ）Ｏ３（ＰＬＺＴ）、ＰｂＺｒｘＴｉ１−ｘＯ３（ＰＺＴ）、Ｓｒ１−ｘＢａｘＴｉＯ３（ＳＢＯ）等にも適用可能である。このような材料は、光学応用以外に、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）、圧電応用等可能である。本発明の方法は、さらに、有機強誘電体材料にも適用可能である。
なお、イオンビームのイオン種として正電荷を有するものに限定して説明してきたが、本発明の方法および装置は、これに限定されない。イオン種は、Ｆ−、Ｃｌ−等の負電荷を有するイオンも適用可能である。この場合、工程Ｓ１１０（図１）において接地される第１の面は＋Ｚ面（＋Ｃ面）となり、工程Ｓ１２０（図１）においてイオンビームが照射される第２の面は−Ｚ面（−Ｃ面）となるが、分極反転に必要な電荷量密度Ｑは、正電荷を有するイオンの場合と同じ関係が適用されることに留意されたい。
（実施の形態２）
次に、実施の形態１の方法による一次元フォトニック結晶の応用例を示す。
図５は、実施の形態１で説明した本発明による分極反転領域を形成する方法を用いて作製された波長変換素子の模式図を示す。
波長変換素子５００は、基板５１０と、基板５１０上に位置するクラッド層５２０と、クラッド層５２０上に位置する強誘電体単結晶５３０とを含む。強誘電体単結晶５３０には、さらに、光が導波するリッジ型導波路５４０が形成されている。
基板５１０は、強誘電体単結晶５３０の熱膨張率に近い熱膨張率を有する限り任意であるが、例えば、Ｓｉ、ガラス、ＣＬＮ、ＣＬＴ、ＳＬＮおよびＳＬＴであり得る。ここで、「熱膨張率が近い」とは、加熱、加工時に基板５１０と強誘電体単結晶５３０とが分離したり、割れたりしない状態になることを意図する。
クラッド層５２０は、その屈折率が強誘電体単結晶５３０の屈折率よりも小さければ任意であるが、例えば、ＳｉＯｘ（１≦ｘ≦２）であり得る。また強誘電体単結晶５３０の屈折率は、空気の屈折率よりも大きいので、光がリッジ型導波路５４０を導波する際に、確実に光をリッジ型導波路５４０内に閉じ込めることができるので、光の漏れを低減し、高効率、高出力を可能にする。
なお、基板５１０と強誘電体単結晶５３０との間にギャップ（図示せず）を設けて、空気層をクラッド層５２０として機能させてもよい。この場合、空気層の屈折率は、ＳｉＯｘ等のクラッド層５２０の屈折率よりも小さいため、光の閉じ込め効果を増大できる。
強誘電体単結晶５３０は、実施の形態１に適用可能な強誘電体単結晶であり得るが、好ましくは、実施の形態１で説明したように、ＣＬＮ、ＣＬＴ、ＳＬＮおよびＳＬＴであり得る。リッジ型導波路５４０は、さらに、第１の分極反転領域５５０および第２の分極反転領域５６０を有する。このような第１および第２の分極反転領域５５０および５６０は、実施の形態１で説明した方法によって製造される。
第１の分極反転領域５５０の周期は、強誘電体単結晶５３０に入射される第１の波長λ１を有する光と第二高調波とが位相整合し、第２の波長λ２（＝λ１／２）を有する光を発するように調整される。一方、第２の分極反転領域５６０の周期は、第１の波長λ１の光と、第２の波長λ２の光と、第三高調波とが位相整合し、第３の波長λ３（＝１／（１／λ１＋１／λ２））を有する光を発するように調整される。このような分極反転周期は、強誘電体単結晶５３０によって異なることに留意されたい。
例えば、強誘電体単結晶５３０がＳＬＮであり、第１の波長λ１が１０６４ｎｍである場合、第１の分極反転領域５５０の周期は、６〜７μｍであり、第２の分極反転領域５６０の周期は、１〜２μｍである。ここで、分極反転領域の周期とは、分極反転部と非分極反転部との合計長を意図していることに留意されたい。したがって、第２の分極反転領域５６０の周期が２〜３μｍとは、分極反転部の長さは、ナノメータオーダとなり得る。
強誘電体単結晶５３０がＳＬＮであり、第１の分極反転領域５５０の周期が６．２μｍであり、第２の分極反転領域５６０の周期が２．４μｍである場合の波長変換素子５００の動作を説明する。
波長変換素子５００は、光源（図示せず）とともに用いられ得る。光源は、例えば、第１の波長λ１が１０６４ｎｍである第１の光（基本波）を発する半導体レーザまたは光ファイバであり得るが、これに限定されない。光源は、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。光源が半導体レーザである場合には、集光光学系（図示せず）をさらに設けてもよい。集光光学系は、第１の光を集光させ、波長変換素子５００に入射するように機能する任意の光学系であり得る。
光源が発する第１の光は、集光光学系を介して波長変換素子５００のリッジ型導波路５４０に入射する。リッジ型導波路５４０内の第１の分極反転領域５５０により、基本波とその第二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、第１の分極反転領域５５０を伝播する間に第２の波長λ２が５３２ｎｍである第２の光（第二高調波）に変換される。
次いで、第１の光および第２の光は、第２の分極反転領域５６０に入る。ここで、基本波（第１の光）と、第２の光と、基本波と第２の光との和周波の光とが位相整合する。この結果、第３の波長λ３が３５４ｎｍである第３の光（第三高調波）が発生する。なお、波長変換素子５００の基本波の入射面と出射面とに反射膜を設けて、波長変換素子５００を共振器として機能させてもよい。
第１および第２の分極反転領域５５０および５６０が、実施の形態１で説明した方法によって製造されているため、従来に比べて短周期かつ均一であり得る。その結果、従来困難であった、第三高調波発生（ＴＨＧ）、第四高調波発生（ＦＨＧ）も可能にする。同様にして、波長変換素子５００を用いてパラメトリック発振および差周波発生させることができることを理解されたい。
（実施の形態３）
次に、実施の形態１の方法による二次元フォトニック結晶の応用例を示す。
図６は、実施の形態１で説明した本発明による分極反転領域を形成する方法を用いて作製されたデバイスの模式図を示す。
デバイス６００は、基板６１０と、基板上に位置する電極層６２０と、電極層６２０上に位置するクラッド層６３０と、クラッド層６３０上に位置するスラブ層６４０とを含む。
基板６１０は、クラッド層６３０、スラブ層６４０等の熱膨張率に近い熱膨張率を有する限り任意であるが、例えば、Ｓｉ、ガラス、ＣＬＮ、ＣＬＴ、ＳＬＮおよびＳＬＴであり得る。
電極層６２０は、Ｃｒ、Ｐｔ、ＡｕＰｄ等の金属材料であり得る。
クラッド層６３０は、その屈折率がスラブ層６４０である強誘電体単結晶の屈折率よりも小さければ任意であるが、例えば、ＳｉＯｘであり得る。また、強誘電体単結晶の屈折率は、空気の屈折率よりも大きいので、光が確実にスラブ層６４０内に閉じ込められるので、高効率、高出力を可能にする。
スラブ層６４０は、さらに、周期的に配列された複数の孔６５０を有する。複数の孔６５０は、特定の波長範囲を有する光を伝播させない、すなわち、特定の波長範囲を有する光に対してブラッグ反射する（フォトニックバンドギャップを有する）という特徴を有する。特定の波長範囲は、複数の孔６５０の周期によって決定される。
複数の孔６５０の周期（または格子定数）は、例えば、強誘電体単結晶としてＣＬＮ、ＣＬＴ、ＳＬＮおよびＳＬＴを用いた場合には、０．３×λ〜０．６×λの範囲である。ここで、λはデバイス６００に入射される光の真空中における波長である。
なお、複数の孔６５０の周期（格子定数）とは、図６挿入部６８０に示される矢印ａを指す。このような波長程度に相当する周期で配列される複数の孔６５０は、実施の形態１で説明した方法によって製造される。なお、スラブ層６４０の厚さは、好ましくは、スラブ層に入射されるべき光の波長をλとした場合、λ／２以上２×λ以下である。この範囲の厚さであれば、入射された光を横モードで閉じ込めることができる。
実施の形態３では、スラブ層６４０は、複数の孔６５０の一部に線欠陥６６０をさらに有する。ここで、欠陥とは、周期的に配列された複数の孔の一部が除去された状態を意図する。このような欠陥においては、特定の波長範囲を有する光のみが、透過されるので、欠陥を連続的に形成することによって光導波路が形成され得る。したがって、実施の形態３では、線欠陥６６０は、特定の波長範囲を有する光のみを直線的に導波させる導波路であり得る。
本発明による導波路は、光の全反射を利用した従来の導波路と異なり、複数の孔６５０によって形成されるフォトニックバンドギャップを利用する。したがって、従来の導波路を用いて光を曲げる場合には、光が染み出すことのないよう全反射条件を満たす曲率半径（例えば、１００μｍ）の導波路が必要であった。しかしながら、本発明による導波路であれば、導波路形状に制限はなく、光を曲げたい箇所に欠陥を設けるだけでよい。したがって、従来の導波路の劇的な小型化（例えば、数μｍ）が可能である。当然のことながら、欠陥の形状は、直線に限定されず、キンク状の欠陥（例えば、直角）、あるいは、線欠陥と点欠陥との組み合わせ等用途に応じて任意に設計することができる。
デバイス６００は、基板６１０とスラブ層６４０との間にスペーサ６７０を有していてもよい。スペーサ６７０は、例えば、ＳｉＮｘ（１＜ｘ＜２）であり、スラブ層６４０を支持し得る。
次に、仕様波長１．５５μｍにおいて、強誘電体単結晶としてＳＬＮに周期０．７μｍ（＝λ×０．４５）の複数の孔６５０と線欠陥６６０とを有するデバイス６００の具体的な動作を説明する。複数の孔６５０の直径は約０．２μｍであり、スラブ層６４０の厚さは２〜３μｍであり、クラッド層６３０はＳｉＯ２であり、その厚さは１．４μｍであるとする。このような具体的な設計は、一例に過ぎず、本発明がこれに限定されないことに留意されたい。
デバイス６００は、光源（図示せず）とともに用いられ得る。ここで、光源は、１．５５μｍの波長を有する入射光を発する半導体レーザまたは光ファイバであり得るが、これに限定されない。光源が半導体レーザである場合には、集光光学系（図示せず）をさらに設けてもよい。集光光学系は、入射光を集光させ、デバイス６００に入射するように機能する任意の光学系であり得る。
光源が発する入射光は、集光光学系を介してデバイス６００のスラブ層６４０に入射される。スラブ層６４０に入射された入射光のうち、１．４μｍ〜１．７５μｍの波長範囲を有する光は、進入せず、１．５５μｍの波長を有する光のみが、線欠陥６６０内を導波し得る。ただし、導波モードで決定される波数と周波数との条件を満たす光のみが線欠陥６６０内を導波することに留意されたい。このようなデバイス６００は、極微小（すなわち数μｍ）の導波路として機能し得る。
また、スラブ層６４０に点欠陥（図示せず）を設ければ、点欠陥内に光を閉じ込めることができるので、極微小な共振器としても機能し得る。さらに、線欠陥６６０と点欠陥（図示せず）との複合欠陥として、入射光をＹ分岐等に分岐する、直角に曲げる、または、合波することも可能である。また、強誘電体単結晶の非線形効果を利用して、入射光のアクティブな制御も可能である。当業者であれば、欠陥を任意に設計し、所望の光制御を達成し得る。
なお、図６では、クラッド層６３０としてＳｉＯ２の例を示したが、クラッド層６３０（および電極層６２０）をエッチングによって除去し、空気層（図示せず）としてもよい。この場合、スラブ層６４０が、空気層によって挟まれた構造となるため、屈折率による光の閉じ込め効果が高い。
次に、具体的な実施例を述べるが、本発明はこれらに限定されないことに留意されたい。
【実施例１】
【０００９】
集束イオンビーム装置ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ（ＦＢ−２１００、Ｈｉｔａｃｈｉ  Ｈｉｇｈ−Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｃｏ．、Ｊａｐａｎ）を用いて、ＣＬＮに分極反転領域を形成した。ＦＩＢの動作条件は、単位照射面積（１×１０−１０ｃｍ２）当たり、加速電圧４０ｋＶ、ビーム電流１．４５ｎＡ、露光時間１０μ秒、ビーム径７０〜８０ｎｍであった。用いたイオンは、Ｇａ＋であった。ＣＬＮの厚さは、１００μｍであった。
ＣＬＮは、−Ｚ面にＡｕＰｄ（金パラジウム合金）電極をスパッタリングによって蒸着した後、接地した。対向する＋Ｚ面に上記条件でイオンビームを照射し、その後、照射部位を移動する。これを各照射領域が０．２５μｍ２（２５単位照射面積）となるように繰り返した。その後、フッ酸：硝酸＝１：０のエッチャントを用いて、＋Ｚ面をエッチングした。エッチング後の＋Ｚ面を、走査型電子顕微鏡ＳＥＭ（Ｓ−４１００、Ｈｉｔａｃｈｉ、Ｊａｐａｎ）を用いて観察した。ＳＥＭの加速電圧は４０ｋＶとした。結果を図７に示し、後述する。
【実施例２】
【００１０】
強誘電体単結晶としてＳＬＮを用いた以外は、実施例１と同様であるため、説明を省略する。表面観察の結果を図８に示し、後述する。
【実施例３】
【００１１】
強誘電体単結晶としてＣＬＴを用い、実施例１と同様のＦＩＢ動作条件によって分極反転領域を形成した。ＣＬＴの厚さは、１００μｍであった。ＣＬＴは、−Ｚ面にＣｒ電極をスパッタリングによって蒸着した後、接地した。対向する＋Ｚ面に上記条件でイオンビームを照射し、その後、照射部位を移動する。これを各照射領域が０．２５μｍ２（２５単位照射面積）となるように繰り返した。同様に接地したさらなるＣＬＴには、対向する＋Ｚ面に連続的かつ線状に上記条件にてイオンビームを照射した。その後、それぞれをフッ酸：硝酸＝１：０のエッチャントを用いて、＋Ｚ面をエッチングした。エッチング後の＋Ｚ面を、ＳＥＭを用いて表面観察した。結果を図９に示し、後述する。
【実施例４】
【００１２】
強誘電体単結晶としてＳＬＴを用いた以外は、実施例１と同様であるため、説明を省略する。表面観察の結果を図１０に示し、後述する。
【実施例５】
【００１３】
ＦＩＢを用いてＳＬＮに分極反転領域を形成した。ＦＩＢの動作条件は、単位照射面積（１×１０−１０ｃｍ２）当たり、加速電圧４０ｋＶ、ビーム電流１．５２ｎＡ、露光時間１０μ秒、ビーム径７０〜８０ｎｍであった。用いたイオンは、Ｇａ＋であった。ＳＬＮの厚さは、１００μｍであった。
ＳＬＮは、−Ｚ面にＡｕＰｄ電極をスパッタリングによって蒸着した後、接地した。対向する＋Ｚ面の各照射領域が０．０９μｍ２（９単位照射面積）となるように上記条件にてイオンビームを照射した。その後、フッ酸：硝酸＝１：０のエッチャントを用いて、＋Ｚ面をエッチングした。エッチング後の＋Ｚ面を、ＳＥＭを用いて観察した。ＳＥＭの加速電圧は４０ｋＶとした。結果を図１１（Ａ）に示し、後述する。
【実施例６】
【００１４】
実施例５においてＳＬＮの＋Ｚ面に予め制御層としてＰＭＭＡをコーティングした後、約１７０℃で３０分加熱し、硬化させた以外は、実施例５と同様である。ＰＭＭＡの厚さは３００ｎｍであった。制御層を付与したＳＬＮの＋Ｚ面の表面観察の結果を図１１（Ｂ）に示し、後述する。
ここで、実施例１〜６における、電荷量密度Ｑと自発分極Ｐｓとの関係を示す。ＣＬＮおよびＳＬＮと、ＣＬＴおよびＳＬＴとの自発分極は、７１μＣ／ｃｍ２と、５０μＣ／ｃｍ２とである。なお、電荷量密度Ｑは、関係式｛ビーム電流×露光時間／単位照射面積｝によって求められる。
実施例１：Ｑ＝２．０４×Ｐｓ
実施例２：Ｑ＝２．０４×Ｐｓ
実施例３：Ｑ＝２．８４×Ｐｓ
実施例４：Ｑ＝２．８４×Ｐｓ
実施例５：Ｑ＝２．１４×Ｐｓ
実施例６：Ｑ＝２．１４×Ｐｓ
いずれも、０．７×Ｐｓ≦Ｑ≦５×Ｐｓを満たしていることが分かった。
図７は、二次元フォトニック結晶ＣＬＮの＋Ｚ面のＳＥＭ画像を示す図である。
図より、約４００ｎｍの径を有する複数の孔が存在するのが分かる。いずれの孔も、周期が乱れることなく配列しており、その形状も均一であった。このことから、本発明の方法によれば、ナノメータオーダレベルの分極反転領域が首尾よく形成されたことが分かる。なお、得られた孔の径が、照射領域のそれよりも小さいのは、エッチング時間が短かったためと考えられる。
図８は、二次元フォトニック結晶ＳＬＮの＋Ｚ面のＳＥＭ画像を示す図である。
図より、約４１０ｎｍの径を有する複数の孔が存在することが分かる。いずれの孔も、周期が乱れることなく配列しており、その形状も均一であった。ＣＬＮと同様に、本発明の方法によれば、ナノメータオーダレベルの分極反転領域が首尾よく形成されたことが分かる。ＳＬＮの抗電界（分極反転に必要な電界）は、ＣＬＮの約１／５であるにも関わらず、ＣＬＮと同様のＦＩＢ条件であっても、ＣＬＮの分極反転領域とほぼ同じ大きさの分極反転領域が形成された。このことは、イオンビームを用いた分極反転においては、材料固有の抗電界ではなく自発分極の値Ｐｓが重要であることを示唆している。従来、大きな抗電界により電界印加法による分極反転が困難とされたＣＬＮであっても、自発分極の値Ｐｓに対して実施の形態１で説明した範囲を満たすだけで容易に分極反転できるので、本発明による方法は、抗電界の大きな材料に対しても有利である。
図９は、二次元フォトニック結晶ＣＬＴ（Ａ）および一次元フォトニック結晶ＣＬＴ（Ｂ）の＋Ｚ面のＳＥＭ画像を示す図である。
図９（Ａ）より、約４３０ｎｍの径を有する複数の孔が存在するのが分かる。いずれの孔も、周期が乱れることなく配列しており、その形状も均一であった。このことから、本発明の方法によれば、ナノメータオーダレベルの分極反転領域が首尾よく形成されたことが分かる。
図９（Ｂ）より、約４８０ｎｍの幅の複数の溝（図において色の濃い部分）が存在するのが分かる。溝は、極めて均一であり、互いの溝が接触するようなことはなかった。本発明の方法によれば、図９（Ａ）に示されるようなスポット状の分極反転領域の形成だけでなく、線状かつナノメータオーダレベルの分極反転領域の形成にも好ましいことが分かった。
図１０は、二次元フォトニック結晶ＳＬＴの＋Ｚ面のＳＥＭ画像を示す図である。
図１０より、約５２０ｎｍの径を有する複数の孔が存在することが分かる。一部孔が結合している箇所も見られたが、多くの孔は、周期が乱れることなく配列しており、その形状も均一であった。ＣＬＴと同様に、本発明の方法によれば、ナノメータオーダレベルの分極反転領域が形成されたことが分かる。また、ＣＬＴの孔径に比べて、ＳＬＴの孔径は大きかった。このことからＳＬＴはＣＬＴに比べて分極反転しやすいことが分かった。
図１１は、二次元フォトニック結晶ＳＬＮ（制御層なし）（Ａ）および二次元フォトニック結晶ＳＬＮ（制御層あり）（Ｂ）の＋Ｚ面のＳＥＭ画像を示す図である。
図１１（Ａ）より、約２３０ｎｍ〜約３００ｎｍの範囲の複数の孔が存在することが分かる。孔の周期、形状に乱れが見られるものの、小さいサイズの分極反転領域が形成された。
一方、図１１（Ｂ）より、制御層としてＰＭＭＡを付与した場合、約２８０ｎｍの径を有する複数の孔が存在することが分かる。いずれの孔も、周期が乱れることなく配列しており、その形状も極めて均一であった。このことから、制御層を付与することにより、より小さいサイズの分極反転領域を高精度に形成することができることが分かった。また、イオンビームが直接試料に入り込まないため、試料のダメージも見られなかった。ＰＭＭＡの代わりにＺＥＰ５２０を用いても同様の結果が得られた。
【実施例７】
【００１５】
実施例１と同様に、集束イオンビーム装置ＦＩＢを用いて、ＳＬＮに分極反転領域を形成した。ＦＩＢの動作条件は、単位照射面積（１×１０−１０ｃｍ２）当たり、加速電圧４０ｋＶ、ビーム電流１．４５ｎＡ、ビーム径７０〜８０ｎｍであった。用いたイオンは、Ｇａ＋であった。ＳＬＮの厚さは、１００μｍであった。
ＳＬＮは、−Ｚ面にＡｕＰｄ（金パラジウム合金）電極をスパッタリングによって蒸着した後、接地した。対向する＋Ｚ面の各照射領域１μｍ２（１００単位照射面積）に上記条件でイオンビームを照射した。この際、単位照射面積当たりの露光時間を３μ秒、１０μ秒、３０μ秒、および、１００μ秒と変化させた。その後、フッ酸：硝酸＝１：０のエッチャントを用いて、＋Ｚ面を十分にエッチングした。エッチング後の＋Ｚ面を、走査型電子顕微鏡ＳＥＭを用いて観察し、ドメイン（分極反転領域）サイズと電荷量密度Ｑとの関係を求めた。結果を図１２に示す。
図１２は、ドメインサイズと電荷量密度との関係を示す図である。
縦軸は、得られたドメインサイズを１μｍ２で規格化した値（フィリングファクタ）を示し、横軸はＳＬＮのＰｓを単位とした電荷量密度Ｑのロガリズムを示す。
図１２は、フィリングファクタが１の場合に、設計値（実施例７では１μｍ２）に等しい分極反転領域が得られたことを示し、フィリングファクタが１より大きく、または、１より小さくなるにしたがって、設計値よりも大きな分極反転領域、または、設計値よりも小さな分極反転領域が得られたことを示す。なお、通常、フィリングファクタ０．５〜１．５（もっとも好ましくは１）を満たせば、デバイスの動作には実用上影響がないことが知られている。
例示的に周期分極反転構造を有する擬似位相整合型波長変換素子を用いて、許容されるフィリングファクタについてさらに詳述する。分極反転幅をＬとし、分極反転周期をＡとすると、波長変換効率は、Ｓｉｎ２（π×Ｌ／Ａ）に比例することが知られている（例えば、Ｍ．  Ｍ．  Ｆｅｊｅｒら、ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｖｏｌ．  ２８  ｐｐ．  ２６３１（１９９２）を参照のこと）。
ここで、Ｄｕｔｙ（Ｄ）＝０．５（ただし、Ｄ＝Ｌ／Ａである）として波長変換素子を設計する場合、実際に得られる波長変換素子のうち、Ｄについてのフィリングファクタが０．５および１．５となった波長変換素子の波長変換効率を求める。フィリングファクタが０．５および１．５の波長変換効率は、フィリングファクタが１．０の波長変換効率の５０％であることが分かっており、波長変換素子においてフィリングファクタが０．５〜１．５の範囲であれば実用上許容されるものとされている。許容されるフィリングファクタ０．５〜１．５は、分極反転構造を利用するデバイスにおいて広く適用可能である。
再度図１２を参照すると、電荷量密度が０．７×Ｐｓ≦Ｑ≦５×Ｐｓの範囲にある場合に、フィリングファクタが０．５〜１．５となる（すなわち、設計値（実施例７では１μｍ２）の±５０％の大きさの分極反転領域が得られた）ことが分かった。一方、電荷量密度が約２×Ｐｓである場合に、フィリングファクタが１となる（すなわち、設計値どおり分極反転領域が得られた）ことが分かった。
このことから、本発明の方法を用いて分極反転領域を形成する場合には、電荷量密度が０．７×Ｐｓ≦Ｑｓ≦５×Ｐｓ、好ましくは、約２×Ｐｓであることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
本発明による強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法および装置によれば、ナノメータオーダレベルの分極反転領域が形成され得るので、デバイスの小型化および微細化を達成し得る。このような技術を応用すれば、強誘電体単結晶からなる二次元フォトニック結晶が容易に得られるので、点欠陥共振器、線欠陥導波路等の超小型デバイスが得られ得る。また、フォトニック結晶とナノサイズの微小空間との相互作用によって新規デバイスが期待される。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年2月23日(2007.2.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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の第１の面を接地する工程と、
前記第１の面に対向する第２の面にイオンビームを照射する工程であって、前記イオンビームは、前記イオンビームが照射される前記第２の面に蓄積される電荷量密度Ｑ（μＣ／ｃｍ２）が、０．７×Ｐｓ≦Ｑ≦５×Ｐｓ（ただし、Ｐｓは、前記強誘電体単結晶の自発分極（μＣ／ｃｍ２）である）を満たすように照射される、工程と
を包含する、方法。
【請求項２】
前記照射する工程は、前記電荷量密度Ｑが、１．８×Ｐｓ≦Ｑ≦２．２×Ｐｓを満たす、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項３】
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（ＳＬＮ）、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＳＬＴ）、コングルエント組成のニオブ酸リチウム（ＣＬＮ）およびコングルエント組成のタンタル酸リチウム（ＣＬＴ）からなる群から選択される、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項４】
前記強誘電体単結晶が、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム（ＳＬＮ）または実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＳＬＴ）の場合、前記強誘電体単結晶は、Ｍｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩｎからなる群から選択される元素を０．１〜３．０ｍｏｌ％含む、請求の範囲第３項に記載の方法。
【請求項５】
前記強誘電体単結晶の厚さは、λ／２以上２×λ以下（ここで、λは、前記強誘電体単結晶に入射される光の波長である）の大きさである、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項６】
前記照射する工程は、２０ＫｅＶ〜４０ＫｅＶの範囲の加速電圧で前記イオンビームを照射する、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項７】
前記イオンビームのイオン種は、ガリウムイオンである、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項８】
前記照射する工程の前に、前記第２の面に制御層を付与する工程をさらに包含する、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項９】
前記制御層は、ＰＭＭＡまたはＺＥＰ５２０である、請求の範囲第８項に記載の方法。
【請求項１０】
前記制御層の厚さは、５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲である、請求の範囲第８項に記載の方法。
【請求項１１】
前記照射する工程の後に、前記強誘電体単結晶をエッチングする工程をさらに包含する、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記照射する工程の後に、フッ酸と硝酸とを所定の混合比で混合したエッチャントを用いて前記強誘電体単結晶をエッチングする工程をさらに包含する、請求の範囲第３項に記載の方法。
【請求項１３】
前記接地する工程は、
前記第１の面に絶縁層を付与する工程と、
前記絶縁層上に電極層を付与する工程と
をさらに包含し、前記絶縁層の屈折率は、前記強誘電体単結晶の屈折率よりも小さい、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記接地する工程は、
前記第１の面に透明電極層を付与する工程と、
前記電極層上に絶縁層を付与する工程と
をさらに包含し、前記絶縁層の屈折率は、前記強誘電体単結晶の屈折率よりも小さい、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記絶縁層を除去する工程をさらに包含する、請求の範囲第１３項に記載の方法。
【請求項１６】
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デバイスであって、前記方法は、
前記強誘電体単結晶の前記第１の面を接地する工程と、
前記第１の面に対向する第２の面にイオンビームを照射する工程であって、前記イオンビームは、前記イオンビームが照射された第２の面に蓄積される電荷量密度Ｑ（μＣ／ｃｍ２）が、０．７×Ｐｓ≦Ｑ≦５×Ｐｓ（ただし、Ｐｓは、前記強誘電体単結晶の自発分極（μＣ／ｃｍ２）である）を満たすように照射される、工程と
を包含する、デバイス。
【請求項１７】
前記照射する工程は、前記電荷量密度Ｑが、１．８×Ｐｓ≦Ｑ≦２．２×Ｐｓを満たす、請求の範囲第１６項に記載のデバイス。
【請求項１８】
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（ＳＬＮ）、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＳＬＴ）、コングルエント組成のニオブ酸リチウム（ＣＬＮ）およびコングルエント組成のタンタル酸リチウム（ＣＬＴ）からなる群から選択される、請求の範囲第１６項に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記強誘電体単結晶が、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム（ＳＬＮ）または実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＳＬＴ）の場合、前記強誘電体単結晶は、Ｍｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩｎからなる群から選択される元素を０．１〜３．０ｍｏｌ％含む、請求の範囲第１８項に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記強誘電体単結晶の厚さは、λ／２以上２×λ以下（ここで、λは、前記強誘電体単結晶に入射される光の波長である）の大きさである、請求の範囲第１６項に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記照射する工程は、２０ＫｅＶ〜４０ＫｅＶの範囲の加速電圧で前記イオンビームを照射する、請求の範囲第１６項に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記イオンビームのイオン種は、ガリウムイオンである、請求の範囲第１６項に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記照射する工程の前に、前記第２の面に制御層を付与する工程をさらに包含する、請求の範囲第１６項に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記制御層は、ＰＭＭＡまたはＺＥＰ５２０である、請求の範囲第２３項に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記制御層の厚さは、５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲である、請求の範囲第２３項に記載のデバイス。
【請求項２６】
前記照射する工程の後に、前記強誘電体単結晶をエッチングする工程をさらに包含する、請求の範囲第１６項に記載のデバイス。
【請求項２７】
前記接地する工程は、
前記第１の面に絶縁層を付与する工程と、
前記絶縁層上に電極層を付与する工程と
をさらに包含し、前記絶縁層の屈折率は、前記強誘電体単結晶の屈折率よりも小さい、請求の範囲第１６項に記載のデバイス。
【請求項２８】
前記接地する工程は、
前記第１の面に透明電極層を付与する工程と、
前記電極層上に絶縁層を付与する工程と
をさらに包含し、前記絶縁層の屈折率は、前記強誘電体単結晶の屈折率よりも小さい、請求の範囲第１６項に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記方法は、前記絶縁層を除去する工程をさらに包含する、請求の範囲第２７項に記載のデバイス。
【請求項３０】
電極層と、
前記電極層上に位置するクラッド層と、
前記クラッド層上に位置するスラブ層であって、前記スラブ層は、所定の周期で配列された複数の孔を有する強誘電体単結晶からなり、前記スラブ層の屈折率は、前記クラッド層の屈折率よりも大きい、スラブ層と
を含む、デバイス。
【請求項３１】
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（ＳＬＮ）、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＳＬＴ）、コングルエント組成のニオブ酸リチウム（ＣＬＮ）およびコングルエント組成のタンタル酸リチウム（ＣＬＴ）からなる群から選択される、請求の範囲第３０項に記載のデバイス。
【請求項３２】
前記所定の周期は、０．３×λ〜０．６×λの範囲であり、ここで、λは前記デバイスに入射される光の真空中における波長である、請求の範囲第３１項に記載のデバイス。
【請求項３３】
強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する装置であって、
前記強誘電体単結晶にイオンビームを照射するイオンビーム源と、
前記イオンビームによって前記強誘電体単結晶に蓄積された電荷量密度Ｑ（μＣ／ｃｍ２）が、０．７×Ｐｓ≦Ｑ≦５×Ｐｓ（ただし、Ｐｓは、前記強誘電体単結晶の自発分極（μＣ／ｃｍ２）である）を満たすように、前記イオンビーム源を制御する制御部と
を備える、装置。
【請求項３４】
前記制御部は、前記電荷量密度Ｑが、１．８×Ｐｓ≦Ｑ≦２．２×Ｐｓを満たすように、前記イオンビーム源を制御する、請求の範囲第３３項に記載の装置。
【国際調査報告】
2007049793.tif 000016
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