(57)【要約】【課題】  電極の抵抗値が安定し、信頼性良く作製可能な光制御装置及びその製造方法を提供すること。【解決手段】  入射光の光学特性、特に屈折率を変化させ、この変化した光学特性の光を出射する非線形電気光学膜４と、光学特性を変化させるために非線形電気光学膜４に電界を作用させる対向電極２及び３とを有し、非線形電気光学膜４と下部電極３との間に拡散防止膜５が設けられ、電気光学膜４の焼成時にその成分が下部電極３へ拡散して下部電極３の抵抗値を上昇させることを防止した光制御装置６。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の光学特性を変化させ、この変化した光学特性の光を出射する光学機能層と、前記光学特性を変化させるために前記光学機能層に電界を作用させる対向電極とを有し、前記光学機能層と前記対向電極の一方の電極との間に拡散防止層が設けられている、光制御装置。
【請求項２】
前記一方の電極と前記光学機能層とが重なり合う領域に前記拡散防止層が設けられている、請求項１に記載した光制御装置。
【請求項３】
前記拡散防止層の厚さが１０ｎｍ以上である、請求項１に記載した光制御装置。
【請求項４】
前記拡散防止層の材質にＳｉＯ又はＳｉＮを用いる、請求項１に記載した光制御装置。
【請求項５】
前記拡散防止層が、前記光学機能層の成分が前記一方の電極内に侵入するのを防止するためのバッファ層として機能する、請求項１に記載した光制御装置。
【請求項６】
前記光学機能層と前記対向電極とが積層されてなる、請求項１に記載した光制御装置。
【請求項７】
基板上に、第１電極と前記拡散防止層と前記光学機能層と第２電極とが積層されている、請求項６に記載した光制御装置。
【請求項８】
前記光学機能層が、ＰＬＺＴ（ＰｂＬａＺｒＴｉＯ3）又はＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3）の焼成により結晶化された非線形光学材料からなる、請求項６に記載した光制御装置。
【請求項９】
基板上に第１電極を形成する工程と、この第１電極上に拡散防止層を形成する工程と、この拡散防止層上に光学機能層を焼成処理によって形成する工程と、この光学機能層上に第２電極を形成する工程とを有する、光制御装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、表示装置に好適な光制御装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、テレビジョン受像機や情報端末機器等の表示装置については、薄型化、軽量化、大画面化及び高精細表示化の要求に応えるために、重量や厚みに限界のあるブラウン管（ＣＲＴ）型表示装置からフラットパネル表示装置へ移行する開発が盛んに行われている。
【０００３】
特に、情報端末機器としてのフラットパネル表示装置としては、例えば、液晶ディスプレイが広く普及しており、この液晶ディスプレイの高輝度化及び大型化について、昨今、研究及び開発が行われている。
【０００４】
しかし、液晶ディスプレイは様々な利点を有する一方、応答速度が遅く、視野角が狭く、コントラスト比が低く、消費電力が大きい等、表示原理に起因する技術課題が存在する。
【０００５】
これらの問題については、液晶材料の低粘度化、液晶層厚の低減、表示駆動波形をオーバーシュートさせる工夫（オーバードライブ）、表示駆動波形に応じた表示フレーム間への黒表示の挿入及びバックライトの明滅等の対策が採られている。しかしながら、応答速度の向上は若干見られるものの、根本的な特性の改善には至っていない。
【０００６】
これに対して、新しい光制御装置の提案も行われており、所謂オパール３Ｄ構造を有するフォトニック結晶を用いた高速光制御装置の提案が行われている。しかしながら、この構造では、３Ｄ構造を基板上に形成する必要があり、そのプロセスは非常に複雑である。
【０００７】
他方、基板上に、特定波長の光透過率（光吸収）を制御できる層を設けた光制御装置が提起されており、例えば、フォトニック結晶に電圧を印加することでその構成要素の屈折率を変化させ、フォトニックバンド波長を変化させることによって特定波長の光透過率（光吸収）の制御が達成される。
【０００８】
このような非線形光学材料を用いた外部光変調器は、高速であることから、光通信にはなくてはならない素子である。ＫＤＰ（potassium dihydrogen phosphate）等のバルク型の外部光変調器は既に使用されているが、光回路に装着する素子として、薄膜型の光変調器が望まれている。
【０００９】
薄膜構成の光変調器は、その作用を利用することによって、光量を高速に変化させる光シャッタ又は光スイッチに適用することが可能である。
【００１０】
例えば、電気光学薄膜の面と垂直方向に電場を印加して誘電率を変化させ、電気光学薄膜の面と垂直方向に光を入射させて光の位相変化を得ることのできる縦型光変調器を薄膜で構成しようとする場合には、少なくとも２つの透明薄膜電極の間に電気光学薄膜を形成する必要がある。
【００１１】
この電気光学効果は、有機材料又は無機材料を問わず、種々の材料によって得られるが、焼成によって結晶化された無機系の材料は電気光学効果が大きい。
【００１２】
この種の材料には、例えば、ＰＬＺＴ（ＰｂＬａＺｒＴｉＯ3）やＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3）がある。それぞれの組成は、例えば、ＰＬＺＴが、Ｐｂ0.92Ｌａ0.08Ｚｒ0.65Ｔｉ0.35Ｏxであり、ＰＺＴがＰｂ1.00Ｚｒ0.65Ｔｉ0.35Ｏxである。
【００１３】
これらの材料は、通常、スパッタ法、ＣＶＤ（化学的気相成長）法、蒸着法又はゾルゲル法等によって成膜され、その後、およそ７００℃の空気雰囲気中で焼成されて結晶化される。
【００１４】
また、透明電極の材質には種々のものがあるが、例えば、インジウムスズ酸化物であるＩＴＯ（indium-tin-oxide）膜が広く使用されている。
【００１５】
図５に、こうした従来の光制御装置（縦型光変調器）５６の構成例を示す（後記の非特許文献１参照）。
【００１６】
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、例えば、石英基板５１の上に、厚さ２００ｎｍの下部電極（ＩＴＯ薄膜）５３がストライプ状に形成され、この上に、厚さ１００ｎｍの非線形電気光学膜５４が常法のスパッタ法で形成され、７００℃、空気雰囲気中で焼成される。
【００１７】
更に、この非線形電気光学膜５４上に、上部電極（ＩＴＯ薄膜）５２が厚さ２００ｎｍで成膜されることにより、２つの電極５２及び５３の間に非線形電気光学膜５４を挟んだ構造の光制御装置（縦型の光変調器）５６が作製される。
【００１８】
【非特許文献１】「電気光学効果と逆圧電効果を利用した縦型光変調素子」成蹊大学工学研究報告，J. Fac. Eng., Seikei Univ. vol.41, No.1(2004), pp21-27
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
ところが、下部電極５３上に、ＰＬＺＴ又はＰＺＴ等の、焼成により結晶化された非線形電気光学膜５４を形成すると、焼成後に、電気光学膜５４と接している下部電極５３の抵抗値が非常に大きくなるという問題点がある。
【００２０】
その結果、例えば、２つの電極５２−５３の間に電圧を印加しても電気光学膜５４に電圧が印加されず、光変調器として動作しないことが判明した。
【００２１】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、電極の抵抗値が安定し、信頼性良く作製可能な光制御装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
即ち、本発明は、入射光の光学特性を変化させ、この変化した光学特性の光を出射する光学機能層（例えば非線形電気光学膜：以下、同様）と、前記光学特性を変化させるために前記光学機能層に電界を作用させる対向電極（例えば一対のＩＴＯ薄膜電極：以下、同様）とを有し、前記光学機能層と前記対向電極の一方の電極との間に拡散防止層が設けられている光制御装置に係わるものである。
【００２３】
また、基板上に第１電極を形成する工程と、この第１電極上に拡散防止層を形成する工程と、この拡散防止層上に光学機能層を焼成処理によって形成する工程と、この光学機能層上に第２電極を形成する工程とを有する、光制御装置の製造方法にも係るものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の光制御装置及びその製造方法によれば、前記一方の電極と前記光学機能層との間に前記拡散防止層を設けているので、前記光学機能層を焼成により形成する時に、前記光学機能層の成分が前記一方の電極内に侵入することを防止して前記一方の電極の抵抗値の上昇を防止することができ、電極の抵抗値が安定した光制御装置を提供でき、かつ前記光学機能層の焼成も十分に行える薄膜で微細構造の光制御装置を信頼性良く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】
【００２５】
本発明においては、前記光学機能層の成分が前記一方の電極内に侵入して前記一方の電極の抵抗値を上昇させないために、前記一方の電極と前記光学機能層とが重なり合う領域に前記拡散防止層が設けられているのが望ましい。
【００２６】
また、前記光学機能層の成分が前記一方の電極内に侵入するのを十分に防止するために、前記拡散防止層の厚さが１０ｎｍ以上であるのが望ましい。
【００２７】
こうした拡散防止層の材質にＳｉＯ又はＳｉＮを用いることができる。
【００２８】
また、前記拡散防止層は、前記光学機能層の成分が前記一方の電極内に侵入するのを防止するためのいわばバッファ層として機能する。
【００２９】
また、前記光学機能層と前記対向電極とが積層されてなる縦型構造とするのが望ましい。
【００３０】
この場合、基板上に、第１電極と前記拡散防止層と前記光学機能層と第２電極とが積層されている構造とすることができる。
【００３１】
また、前記光学機能層が、ＰＬＺＴ（ＰｂＬａＺｒＴｉＯ3）又はＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3）の焼成により結晶化された非線形光学材料からなるのが望ましい。
【００３２】
次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に説明する。
【００３３】
実施の形態
図１に、本実施の形態による光制御装置６の構造を示す。
【００３４】
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、例えば、石英基板１上に、ＩＴＯからなるストライプ状の下部電極（一方の電極又は第１電極）３と、ＰＬＺＴからなるストライプ状の非線形電気光学膜（光学機能層）４とを積層し、これらの重なり合う領域において、下部電極３と電気光学膜４との間にこれらに接してＳｉＯからなる拡散防止膜（拡散防止層又はバッファ層）５を形成する。更に、電気光学膜４上に、例えばＩＴＯからなる上部電極（第２電極）２を形成し、両電極３−２間に電源Ｖを接続して光制御装置６を作製する。
【００３５】
本実施の形態によれば、拡散防止膜５を設けることによって、下部電極３と非線形電気光学膜４との間の重なり合う領域において、後述の焼成時に非線形電気光学膜４の成分が下部電極３に侵入することによる下部電極３の抵抗値の上昇を防止することができ、下部電極３の抵抗値が安定した光制御装置６を得ることができる。
【００３６】
この光制御装置６は、焼成によって結晶化させた非線形薄膜を酸化物系の透明電極で挟んだ薄膜構成の縦型光変調器として作製することができる。即ち、電源Ｖによる電圧の印加で非線形電気光学膜４の屈折率を変化させ、膜面に入射する入射光を位相変換して出射させることができる。
【００３７】
また、薄膜構成であるために、微細な構造を構築でき、光回路の機能素子として活用することができる。更には、薄型の光シャッタを構成でき、例えば、ディスプレイ及びイメージング機器の薄膜電子シャッタ等に応用することができる。
【００３８】
次に、下部電極の抵抗値の変化について光制御装置の製造工程に沿って説明する。
【００３９】
まず、比較のために、図５に示した従来の光制御装置（縦型光変調器）を作製する過程で、図３（Ａ）に示すように、石英からなる基板１上に、例えば、幅５ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ２００ｎｍのストライプ状の下部電極（ＩＴＯ膜）３を常法のスパッタ法で成膜した。この下部電極３の両端面の抵抗値を測定すると、１ｋΩ以下であった。
【００４０】
次に、図３（Ｂ）に示すように、下部電極３の上に、拡散防止膜５を設けないで、下部電極３と直交する方向に、例えば、幅５ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ１００ｎｍのＰＬＺＴからなる非線形電気光学膜４を常法のスパッタ法で成膜し、その後、空気雰囲気中、７００℃で焼成して結晶化させた。この焼成後に、下部電極３の両端面の抵抗値を測定すると、３メガΩ以上であった。
【００４１】
このように、非線形電気光学膜４を下部電極３の上に直接成膜して焼成する場合、下部電極３の両端の抵抗値が大きくなる原因を調べるため、下部電極３と非線形電気光学膜４とが重なっている部分の二次イオン質量分析を行った。その結果、非線形電気光学膜４に接している下部電極３部分に、非線形電気光学膜４の成分であるＰｂ及びＴｉが拡散していることが判明した。
【００４２】
このことから、焼成後に下部電極３の抵抗値が増加した原因が、下部電極３中に非線形電気光学膜４の成分であるＰｂ及びＴｉが拡散し、下部電極３の組成が変化するためであることが分った。
【００４３】
なお、電気光学膜４上には、ＩＴＯ薄膜を厚さ２００ｎｍで成膜し、図５に示したような、２つのＩＴＯ薄膜電極の間に電気光学膜を挟んだ構造の従来の縦型光変調器を作製した。
【００４４】
この従来の縦型光変調器５６において、図５（Ｂ）に示すように、基板に対して４５度の方向から、直交した二つの偏光面を持つＨｅ−Ｎｅレーザ光（測定光）を照射して、二つの偏光面の位相差を測定した。このとき、上下のＩＴＯ電極間に電圧３０Ｖを印加した。その結果、二つの偏光面の位相差はほとんど０であり、光変調器としての動作が確認できなかった。
【００４５】
このことから、図５に示した従来の光制御装置５６の位相差が０であった原因が、下部電極３（又は５３）と非線形電気光学膜４（又は５４）とが重なっている部分での下部電極の抵抗値が非常に大きくなっているために、非線形電気光学膜４（又は５４）に電圧が印加されないことによるものであることが判明した。
【００４６】
これに対して、本実施形態によれば、まず、図２（Ａ）に示すように、石英からなる基板上１に、例えば、幅５ｍｍ、長さ３０ｍｍのストライプ状で、厚さ２００ｎｍの下部電極（ＩＴＯ膜）３を常法のスパッタ法で成膜した。このストライプ状の下部電極３の両端面の抵抗値を測定すると、図３（Ａ）と同様、１ｋΩ以下であった。
【００４７】
そして次に、図２（Ｂ）に示すように、ストライプ状の下部電極３上に、四角形状のＳｉＯからなる拡散防止膜５を成膜し、この上に図３（Ｂ）で述べたと同様にして、下部電極３と直交したストライプ状の非線形電気光学膜４を設けた後に、下部電極３の抵抗値を測定したところ、下部電極３の抵抗値はＩＴＯのそれと同等であった。
【００４８】
この結果から、拡散防止膜５の存在によって、下部電極３へのＰｂ及びＴｉの拡散を防止できるために、非線形光学材料を焼成して電気光学膜４を形成しても下部電極３の抵抗値は上がらず、光制御装置として十分に機能することになる。これについて、以下に詳しく説明する。
【００４９】
本実施の形態による光制御装置６の作製工程において、電気光学膜の焼成後に、下部電極３の両端間の抵抗値を拡散防止膜５の厚さを変えて測定した。
【００５０】
その結果を図４に示すと、例えば、拡散防止膜５の膜厚が１０ｎｍ若しくはそれ以上の場合に、下部電極３の抵抗値は、拡散防止膜５がない場合（抵抗値約１０3kΩ）に比べて急激に減少することが分る。更に、拡散防止膜５の膜厚が１００ｎｍになると、下部電極３がＩＴＯ膜単体の抵抗値と同じ抵抗値になる。
【００５１】
このように、本実施の形態においては、拡散防止膜５を下部電極３と非線形電気光学膜４との間の重なり合う領域に挟み込むことによって、焼成時に非線形光学材料の一部分（ＰｂやＴｉ）が下部電極３に侵入するのを防止し、非線形光学材料を焼成した後に起こる下部電極３の抵抗値の上昇を抑制することができる。このため、非線形光学材料を十二分に焼成して結晶化することができ、その性能を良好に発揮させることができる。
【００５２】
本実施の形態による光制御装置６に対し、図１（Ｂ）に示すように、基板１に対して４５度の方向から、直交した２つの偏光面を持つＨｅ−Ｎｅレーザ光（測定光）を照射し、２つの偏光面の位相差を測定した。この時、上下の電極間に３０Ｖの電圧を印加した。その結果、２つの偏光面の位相差は８ｎｍ以上となった。
【００５３】
従って、本実施の形態のように、拡散防止膜５を下部電極３と非線形電気光学膜４との間に配置することにより、電極の抵抗値が低くて安定し、薄膜構成の正常動作可能な縦型光変調器を信頼性良好に得ることができる。
【００５４】
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明はその例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００５５】
例えば、電気光学膜の材質にＰＬＺＴを用い、透明薄膜電極の材質にＩＴＯ膜を用い、バッファ層の材質にＳｉＯ膜を用いたが、これらの材質に限定される必要はない。即ち、非線形電気光学膜４の材質にＰＺＴを用いたり、拡散防止膜５の材質にＳｉＮ等の拡散防止効果のある膜を用いることができる。また、各膜のパターン形状やサイズ、厚み等も変更してよい。
【００５６】
また、上述した実施の形態による光制御装置６を１ドットの表示用画素としてディスプレイ装置等に適用することができるし、或いは各膜をベタ付けにした簡易な表示装置にも適用することができる。
【００５７】
また、上述した実施の形態による構造を縦方向に複数個積層させてもよいが、これにより、光変調の範囲をより広げることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の光制御装置は例えば、光量を高速に変化させる光シャッタ、光スイッチに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施の形態による光制御装置の平面図（Ａ）及びＸ―Ｘ’線断面図（Ｂ）である。
【図２】同、下部電極の抵抗測定時の平面図（Ａ）及び（Ｂ）である。
【図３】比較用の光制御装置における下部電極の抵抗測定時の平面図（Ａ）及び（Ｂ）である。
【図４】本発明の実施の形態による光制御装置の下部電極の抵抗値と拡散防止膜の膜厚との関係を示すグラフである。
【図５】従来例による光制御装置の平面図（Ａ）及びそのＹ―Ｙ’線断面図（Ｂ）である。
【符号の説明】
【００６０】
１…基板、２…上部電極、３…下部電極、４…非線形電気光学膜、５…拡散防止膜、
６…光制御装置
【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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