DE10392319T5

DE10392319T5 - Verfahren zur Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur in einem ferroelektrischen Substrat

Info

Publication number: DE10392319T5
Application number: DE10392319T
Authority: DE
Inventors: Junji Sodegaura Hirohashi; Shiro Sodegaura Shichijo
Original assignee: Mitsui Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2005-04-21
Also published as: WO2003073160A1; US20050084199A1; AU2003211408A1; JPWO2003073160A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur in einem ferroelektrischen Substrat, worin ein Substrat mit gebildeter Elektrode mit Elektroden auf beiden Seiten des ferroelektrischen Substrates, bei dem eine spontane Polarisierung in einer Polarisierungsrichtung angeordnet ist, und mit Elektroden auf zumindest einer Oberfläche, die in den Zähnen eines Kammes bei einem vorbestimmten Abstand in der Oberflächenrichtung gebildet sind, verwendet wird und ein elektrisches Feld zwischen Elektroden auf beiden Oberflächen des Substrates auferlegt wird, zur Bildung einer Struktur, so dass die Polarisierungsrichtung periodisch umgewandelt wird, worin ein Verfahren zum Auferlegen des elektrischen Feldes in der Richtung, die von der spontanen Polarisierung zwischen den Elektroden verschieden ist und zum anschließenden Auferlegen des elektrischen Feldes in der gleichen Richtung wie die spontane Polarisierung zwischen den Elektroden zumindest ein- oder mehrere Male durchgeführt wird und das elektrische Feld weiterhin in der Richtung auferlegt wird, die von der spontanen Polarisierung verschieden ist.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur in einem ferroelektrischen Substrat, das zur Bildung von optischen Geräten, wie einem Wellenlängen-Umwandlungselement, einem zweiten Frequenzvervielfacher-Element und dergleichen, verwendet wird und große nicht-lineare, optische Wirkungen zeigt.
Stand der Technik
Gegenwärtig werden Wellenlängen-Umwandlungselemente und zweite Frequenzvervielfacher-Elemente (nachfolgend mit SHG bezeichnet) unter Verwendung von nicht-linearen, optischen Wirkungen in Oxid-Einkristallen praktisch verwendet. Als Elemente für die Erzeugung grüner Farbe kann beispielsweise ein Kaliumtitanylphosphat-Einkristall (KTiOPO₄-Einkristall, nachfolgend KTP-Einkristall), ein Lithiumtriborat-Einkristall (LiB₃O₅-Einkristall, nachfolgend LBO-Einkristall), ein Kaliumniobat-Einkristall (KNbO₃-Einkristall; nachfolgend KN-Einkristall) und dergleichen erwähnt werden. Diese Elemente werden als SHG-Element vom Massentyp bezeichnet und durch Schneiden eines Elementes bei einem spezifischen Winkel erzeugt, zur Durchführung einer gewünschten Umwandlung von dem Einkristall.
Jedoch weist ein SHG-Element vom Massentyp eine verhältnismäßig geringe SHG-Umwandlungswirksamkeit in der charakteristischen Eigenschaft davon auf. Daher wurden Vorrichtungen schnell entwickelt, wobei hochqualitative und kostengünstige Kristalle verwendet werden, die aus einem Lithiumniobat-Einkristall (LINbO₃-Einkristall; nachfolgend LN-Einkristall) oder einem Lithiumtantalat-Einkristall (LiTaO₃-Einkristall; nachfolgend LT-Einkristall) erhalten werden konnten. Für den Erhalt von Vorrichtungen mit hoher Umwandlungswirksamkeit wäre es daher besser, die Phasenpropagationsgeschwindigkeit einer fundamentellen Welle und einer zweiten Oberwelle gleich zu machen. Um dies auf Quasiart durchzuführen, wurde ein Verfahren vorgeschlagen, um + und – von nicht-linearen, optischen Koeffizienten periodisch anzuordnen (A. Armstrong, N. Bloembergen et al., "Phys. Rev.", 127, 1918 (1982)). Um dies zu realisieren, gibt es ein Verfahren, um die Kristallpolarisierung periodisch umzuwandeln. Um dies leicht durchzuführen, wurde ein Verfahren vorgeschlagen, um Elektroden auf der Oberfläche eines Substrates zu bilden und eine Polarisierungsstruktur zu erzeugen, bei der die Polarisierung periodisch umgewandelt wird, indem ein elektrisches Feld auferlegt wird (JP05-210133A). Bezüglich eines LN-Einkristalls und eines LT-Einkristalls ist jedoch das elektrische Feld (elektrisches Umkehrfeld), das zum Umkehren der Polarisierung davon notwendig ist, sehr hoch, d.h. 20 kV/mm oder mehr, so dass ein Substrat bei der Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur in vielen Fällen brach. Wenn zusätzlich bei dem LN-Einkristall und dem LT-Einkristall lange Zeit für eine optische Output-Form verstrichen ist, gab es Probleme der optischen Schädigung, was zu einer Änderung der optischen Output-Form führt und dass der Betrieb des Gerätes ebenfalls problematisch wird. Zur Lösung dieser Probleme wurde mittlerweile ein Verfahren zum Dotieren von LN und LT mit Mg oder Zn vorgeschlagen. Das Wachstum dieser Kristalle neigte jedoch dazu, leicht eine Nichtgleichmäßigkeit und Defekte in den Kristallen wegen einer Erhöhung der Art der Komponentenelemente zu verursachen.
Eine Querschnittsfotografie der periodisch gepolten Struktur, die entsprechend dem konventionellen Verfahren erzeugt wurde, ist in 10(a) erläutert. Wie in der Zeichnung gezeigt ist, soll die nicht umgekehrte Fläche auf dem Substrat erscheinen, und die Nichtgleichmäßigkeit soll in der periodisch gepolten Struktur auftreten.
Weiterhin haben orthorhombische Kristalle mit gleicher ferroelektrischer Eigenschaft wie ein KN-Einkristall oder KTP-Einkristall das elektrische Umkehrfeld von 4 kV/mm oder weniger. Insbesondere in einem KN-Einkristall ist das elektrische Umkehrfeld sehr niedrig, d.h. 250 V/mm. Ebenfalls traten keine optischen Schädigungen auf, so dass das ferroelektrische Substrat, erzeugt durch Steuern einer Polarisierungsstruktur dieser Kristalle, als Wellenlängen-Umwandlungselement oder SHG-Element sehr nützlich ist. Jedoch war es schwierig, aus diesen Kristallen große Produkte zu erzeugen, und es war schwierig, die Nichtgleichmäßigkeit, Mängel, das Mischen von Verunreinigungen oder dergleichen zu steuern.
Während der Herstellung eines ferroelektrischen Substrates, bei dem eine Polarisierungsrichtung periodisch umgekehrt ist, tritt, wenn die Polarisierungs-Umkehrfläche groß wird, eine Nichtgleichmäßigkeit der Konzentration des elektrischen Feldes innerhalb der Oberfläche während der Manipulation der Umkehrung auf. 11 erläutert ein Querschnittsdiagramm des Substrates in diesem Fall. Wie in dem Diagramm von 11 gezeigt ist, wird zunächst berücksichtigt, dass Kerne 21 bei Teilen mit konzentriertem, elektrischem Feld erzeugt werden, wo die Polarisierungsinversion dieser Teile an der ersten Stelle fortschreitet. Eine solche Kernerzeugung ist weiterhin von Verunreinigungen oder Nichtgleichmäßigkeit von Mängeln ebenfalls abhängig. Der Kern betrifft eine kleine Fläche, bei der ein elektrisches Feld leicht regional auferlegt wird, wenn ein elektrisches Feld gleichermaßen auf alle Flächen des Substrates auferlegt wird.
Somit konnte ein Substrat, bei dem die Polarisierung niemals umgekehrt wurde, nicht die Kernerzeugung aufgrund von Verunreinigungen oder Mängeln steuern. Als Ergebnis trat die Nichtgleichmäßigkeit bei der Inversionsfläche auf, bei der eine Inversion in einer Form von Inseln auftritt. Insbesondere ist bei Oxid-Einkristallen, wie LN-Einkristall, LT-Einkristall, KN-Einkristall, KTP-Einkristall und dergleichen, die Zusammensetzung entgegengesetzt zu dem stöchiometrischen Verhältnis, so dass es extrem schwierig ist, die Verteilung von Verunreinigungen und Mängeln zu steuern. Zusätzlich ist es in einem KN-Einkristall, KTP-Einkristall oder dergleichen, bei dem das große Kristallwachstum schwierig war, noch schwieriger, die Verteilung der Nichtgleichmäßigkeit, Verunreinigungen und Mängel zu steuern, und die Nichtgleichmäßigkeit der Kernerzeugung wurde auffällig. Somit war es schwierig, Elemente zu erzeugen, die sehr effizient und stabil sind.
Offenbarung der Erfindung
Ein Ziel dieser Erfindung liegt darin, Probleme zu lösen, die durch den Stand der Technik, wie oben beschrieben, verursacht werden und ebenfalls ein Verfahren zur Erzeugung einer gleichmäßigen Polarisierungsstruktur anzugeben, bei der die Nichtgleichmäßigkeit der Inversion, die bei der Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur auftrat, unterdrückt wird und die Nichtgleichmäßigkeit einer Inversionsfläche klein ist.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur in einem ferroelektrischen Substrat angegeben, wobei ein Substrat mit gebildeter Elektrode, das Elektroden auf beiden Oberflächen des ferroelektrischen Substrates aufweist, bei dem eine spontane Polarisierung in einer Polarisierungsrichtung angeordnet ist, und mit Elektroden auf zumindest einer Oberfläche, die in den Zähnen eines Kammes bei einem vorbestimmten Abstand in der Oberflächenrichtung gebildet sind, verwendet wird, und ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden auf beiden Oberflächen des Substrates auferlegt wird, unter Bildung einer Struktur, so dass die Polarisierungsrichtung periodisch umgekehrt wird, worin ein Verfahren zum Auferlegen des elektrischen Feldes in der Richtung, die von einer spontanen Polarisierung zwischen den Elektroden verschieden ist, und dann zum Auferlegen des elektrischen Feldes in der gleichen Richtung wie die spontane Polarisierung zwischen den Elektroden zumindest ein- oder mehrere Male durchgeführt wird und das elektrische Feld weiterhin in der Richtung auferlegt wird, die von der spontanen Polarisierung verschieden ist.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur in einem ferroelektrischen Substrat angegeben, worin ein Substrat mit gebildeter Elektrode, das Elektroden auf den beiden Oberflächen des ferroelektrischen Substrates aufweist, worin eine spontane Polarisierung in einer Polarisierungsrichtung angeordnet ist, und mit Elektroden auf zumindest einer Oberfläche, die in den Zähnen eines Kammes bei einem vorbestimmten Abstand in der Oberflächenrichtung gebildet sind, verwendet wird, und ein elektrisches Feld zwischen Elektroden auf beiden Oberflächen des Substrates auferlegt wird, zur Bildung einer Struktur, so dass die Polarisierungsrichtung periodisch umgekehrt wird, worin das elektrische Feld in der Richtung auferlegt wird, die von der spontanen Polarisierung zwischen den Elektroden verschieden ist, und das elektrische Feld weiterhin in der gleichen Richtung wie die spontane Polarisierung auferlegt wird.
Weiterhin ist es gewünscht, dass vor Auferlegung des elektrischen Feldes in der Richtung, die von der spontanen Polarisierung verschieden ist, ein Verfahren zum Auferlegen eines elektrischen Feldes in der Richtung, die von der spontanen Polarisierung verschieden ist, und anschließendes Auferlegen des elektrischen Feldes in der gleichen Richtung wie die spontane Polarisierung wiederholt zumindest ein- oder mehrere Male durchgeführt wird.
Es ist gewünscht, dass das Substrat mit gebildeter Elektrode ein Substrat ist, wobei Isolierschichten und/oder Musterelektroden auf der berfläche davon gebildet sind. Es ist gewünscht, dass der Winkel zwischen der spontanen Polarisierungsrichtung und der Umkehrpolarisierungsrichtung 60°, 90°, 120° oder 180° ist.
Weiterhin ist es gewünscht, dass das ferroelektrische Substrat ein Oxid-Einkristall ist.
Es ist gewünscht, dass der Oxid-Einkristall ein Einkristall ist, der aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder einer Verbindung, die ein Übergangsmetall mit diesen vermischt, gebildet ist. Ebenso ist es gewünscht, dass der Oxid-Einkristall ein orthorhombischer oder tetragonaler Kristall ist.
Weiterhin ist der Oxid-Einkristall ein Kaliumniobat-Einkristall, Kaliumtitanylphosphat-Einkristall, Lithiumtriborat-Einkristall oder Bariumtitanat-Einkristall.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Schnittansicht einer Herstellungsvorrichtung, die zur Herstellung einer periodisch gepolten Struktur in einem ferroelektrischen Substrat gemäß dieser Erfindung verwendet wird.
2 ist ein Fließdiagramm, das ein konventionelles Verfahren zur Herstellung einer Polarisierungsstruktur und ein Verfahren zur Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur gemäß dieser Erfindung erläutert.
3 ist eine schematische Perspektivansicht, die eine periodisch gepolte Struktur in einem ferroelektrischen Substrat zeigt, hergestellt durch ein Verfahren zur Herstellung einer periodisch gepolten Struktur gemäß dieser Erfindung.
4 ist ein Diagramm, das eine Wellenform eines elektrischen Feldes bei der Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur in einem ferroelektrischen Substrat gemäß dieser Erfindung erläutert.
5 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Frequenz von gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahren und der Intensität eines elektrischen Feldes, das die Umkehr initiiert, in einem KNbO₃-Einkristallsubstrat erläutert.
6 ist ein Transmissions-Perspektivdiagramm des Substrates, das Kerne erläutert, die durch wiederholtes Durchführen des ersten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahrens und des zweiten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahrens auf einem KNbO₃-Einkristallsubstrat erzeugt sind.
7 ist ein Transmissions-Perspektivdiagramm, das Polarisierungsflächen und Kerne eines Substrates bei Terminierung eines jeden Verfahrens in einem Verfahren (a) zur Herstellung einer periodisch gepolten Struktur entsprechend dieser Erfindung erläutert.
8 ist ein Transmissions-Perspektivdiagramm, das Polarisierungsflächen und Kerne eines Substrates bei Terminierung eines jeden Verfahrens in einem Verfahren (c) zur Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur gemäß dieser Erfindung erläutert.
9 ist ein Diagramm, das Beispiele von elektrischen Feldwellenformen in Verfahren (a) und (c) zur Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur gemäß dieser Erfindung erläutert.
10 ist ein Querschnittsfoto, das einen Umkehrzustand einer periodisch gepolten Struktur erläutert, hergestellt durch ein konventionelles Verfahren, und ein Querschnittsfoto, das einen Umkehrzustand einer periodisch gepolten Struktur erläutert, erhalten durch ein Herstellungsverfahren gemäß dieser Erfindung.
11 ist ein Querschnittsdiagramm, das eine Polarisierungsstruktur eines Substrats erläutert, hergestellt durch ein konventionelles Verfahren zur Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur.
12 ist ein Transmissions-Perspektivdiagramm, das Polarisierungsflächen und Kerne eines Substrates in einem konventionellen Verfahren zur Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur erläutert.
13 ist eine vergrößerte, schematische Querschnittsansicht eines Herstellungsverfahrens in einem Verfahren zur Erzeugung einer Polarisierungsstruktur gemäß dieser Erfindung.
14 ist ein Diagramm einer Polarisierungsstruktur, hergestellt durch diese Erfindung.
15 ist ein Transmissions-mikroskopisches Foto, das einen Bildungszustand einer periodisch gepolten Struktur erläutert, erhalten durch ein Verfahren gemäß dieser Erfindung.
Beste Art zur Durchführung der Erfindung
Diese Erfindung wird nachfolgend mehr detailliert beschrieben.
Ein Verfahren zur Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur in einem ferroelektrischen Substrat gemäß dieser Erfindung wird unter Bezugnahme auf eine schematische Querschnittsansicht gemäß 1 beschrieben, die ein Beispiel einer Herstellungsvorrichtung zur Verwendung erläutert.
Wie in 1 gezeigt ist, bedeutet Bezugszeichen A eine Vorrichtung zur Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur in einem ferroelektrischen Substrat (nachfolgend kurz mit [Herstellungsvorrichtung] bezeichnet).
Eine Herstellungsvorrichtung A hat grundsätzlich eine Energiequelle 6, ein ferroelektrisches Substrat 4 zur Verarbeitung, Isolierschichten 5, die auf einer oberen Oberfläche 4A des ferroelektrischen Substrates gebildet werden sollen, eine erste Flüssigelektrode 1 und eine zweite Flüssigelektrode 2, die ein elektrisches Feld auf das ferroelektrische Substrat 4 zwischen dem ferroelektrischen Substrat 4 und den Acrylplatten 8 auferlegen.
Auf dem ferroelektrischen Substrat 4 wird vor der Verarbeitung im allgemeinen eine spontane Polarisierung in der Polarisierungsrichtung 11 zuvor gebildet. Auf der oberen Oberfläche 4A des ferroelektrischen Substrates 4 werden die Isolierschichten 5 von einem Muster gebildet, das mit einem Fotoresist beschichtet ist, und durch ein Fotolithografieverfahren hergestellt. Die Isolierschichten 5 werden in den Zähnen eines Kammes bei einem vorbestimmten Abstand von der Oberflächenrichtung (Richtung der longitudinalen Achse) a des ferroelektrischen Substrates 4 gebildet. Die Filmdicke der Isolierschichten 5 ist nicht besonders beschränkt, liegt aber bevorzugt im Bereich von 5 bis 20 μm.
Bei diesem Beispiel ist das ferroelektrische Substrat 4 zwischen den Acrylplatten 8 durch Silikongummis 7 angeordnet. Die erste Flüssigelektrode 1 und die zweite Flüssigelektrode 2 sind zwischen den Acrylplatten 8 und dem ferroelektrischen Substrat 4 gefüllt. Beim Füllen erfolgt die Einstellung durch einen Blasenentfernungsvorgang so, dass keine Blasen auf der Oberfläche des ferroelektrischen Substrates 4 verbleiben.
Die erste Flüssigelektrode 1 ist in Kontakt mit einem Bereich der oberen Oberfläche 4A des ferroelektrischen Substrates 4, bei dem keine Isolierschicht 5 auf seiner Oberfläche gebildet ist, unter Bildung einer Musterelektrode 9. Weiterhin ist die zweite Flüssigelektrode 2 in Kontakt mit der Bodenoberfläche 4B des ferroelektrischen Substrates 4, unter Bildung eines Substrates mit gebildeter Elektrode.
Die Breite dieser Musterelektrode 9, Breite der Isolierschichten 5 oder der Abstand zwischen der ersten Flüssigelektrode 1 und der zweiten Flüssigelektrode 2 (d.h. die Dicke des ferroelektrischen Substrates 4) sind nicht besonders beschränkt, weil sie in Abhängigkeit von der Art des Oxid-Einkristalls und dem Gerätemuster zur Verwendung bei dem ferroelektrischen Substrat 4 verschieden sind.
Für die erste Flüssigelektrode 1 und die zweite Flüssigelektrode 2 können gesättigte wässrige Lösungen, wie LiCl, KCl und dergleichen erwähnt werden.
Weiterhin wird für die Musterelektroden beispielsweise ein Fotolithografieverfahren zur Herstellung ihrer Muster angewandt, Metallelektroden, wie Aluminium, Gold und dergleichen, die weiterhin durch ein Lift-Off-Verfahren hergestellt werden, oder Elektroden, hergestellt in Kombination mit Isolierschichten und Metallelektroden, können eingesetzt werden.
Diese Musterelektroden können auf der oberen Oberfläche oder der Bodenfläche des ferroelektrischen Substrates oder auf beiden Oberflächen gebildet sein.
Das ferroelektrische Substrat 4, das unter Anwendung dieser Herstellungsvorrichtung A verarbeitet wird, ist aus Oxid-Einkristallmaterialien mit einer Eindomänen-Polarisierung erzeugt. Bezüglich der Oxid-Einkristallmaterialien können trigonale Kristalle, wie ein LN-Einkristall, LT-Einkristall und dergleichen, orthorhombische Kristalle wie KN-Einkristall, KTP-Einkristall, LBO-Einkristall, Rubidiumtitanylphosphat-Einkristall (RbTiOPO₄-Einkristall) und dergleichen; tetragonale Kristalle, wie Bariumtitanat-Einkristall (BaTiO₃-Einkristall) und dergleichen verwendet werden. Weiterhin kann ebenfalls ein Einkristall verwendet werden, der aus einer Verbindung unter Mischen von Übergangsmetallen wie Mg, Zn oder dergleichen mit Lithiumniobat oder Lithiumtantalat gebildet ist.
Für das ferroelektrische Substrat 4 kann ein Substrat verwendet werden, bei dem ein dünner Film aus dem gleichen Material, wie das ferroelektrische Substrat, epitaxial darauf gewachsen ist.
Das ferroelektrische Substrat 4 ist auf diese Weise nicht besonders beschränkt, aber seine Form kann eine rechteckige Säulenform, eine flache Plattenform und dergleichen sein. Durch Eingeben des ferroelektrischen Substrates 4 in die Herstellungsvorrichtung A wird eine periodisch gepolte Struktur auf dem ferroelektrischen Substrat gemäß dieser Erfindung hergestellt. Bei der periodisch gepolten Struktur, wie sie beispielsweise in 3 gezeigt ist, ist die Polarisierungsrichtung eines Kristalls in dem Substrat senkrecht zu der Substratoberfläche oder hat einen vorbestimmten Winkel (in der Zeichnung nicht dargestellt), und weiterhin wird die umgekehrte Polarisierungsstruktur periodisch auf dem Substrat gebildet.
In 1 wird die periodisch gepolte Struktur so beschrieben, dass die spontane Polarisierungsrichtung 11 und die Polarisierungsrichtung, die zu der Richtung 12 umgekehrt ist, die von der spontanen Polarisierungsrichtung 11 verschieden ist, bei einem Winkel von 180° gebildet ist. Die periodisch gepolte Struktur mit der umgekehrten Polarisierungsrichtung mit einem Winkel von 60°, 90° oder 120° kann hergestellt werden.
Ein Verfahren zur Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur in einem ferroelektrischen Substrat gemäß dieser Erfindung ist nicht besonders beschränkt, aber bevorzugt können die folgenden Verfahren (a) bis (d) detailliert erwähnt werden.
Jedes Herstellungsverfahren wird unten unter Bezugnahme auf die Herstellungsvorrichtung A, die in 1 gezeigt ist, beschrieben.
Herstellungsverfahren (a)
In einem Herstellungsverfahren (a) wird ein elektrisches Feld zunächst auf die Richtung 12, die von der spontanen Polarisierungsrichtung 11 des ferroelektrischen Substrates 4 verschieden ist, in der Herstellungsvorrichtung A auferlegt, in die das ferroelektrische Substrat 4, gezeigt in 1, so eingegeben ist, dass die erste Flüssigelektrode 1 ein positives Potenzial und die zweite Flüssigelektrode 2 ein negatives Potenzial wird. Das elektrische Feld wird so auferlegt, dass der Potenzialunterschied zwischen dem positiven Potenzial und dem negativen Potenzial größer als ein elektrisches Feld wird, das eine Polarisierungsinversion (positive Inversion initiierendes Feld) zu der Richtung 12 initiiert ist, die bei einem Winkel von 180° von der spontanen Polarisierungsrichtung 11 umgekehrt ist (nachfolgend als [erstes gleichmäßiges Kernerzeugungsverfahren] bezeichnet).
Dann wird ein elektrisches Feld in der gleichen Richtung wie die spontane Polarisierungsrichtung 11 so auferlegt, dass die erste Flüssigelektrode 1 ein negatives Potenzial und die zweite Flüssigelektrode 2 ein positives Potenzial werden. Das elektrische Feld wird so auferlegt, dass der Potenzialunterschied zwischen diesem positiven Potenzial und diesem negativen Potenzial größer wird als ein elektrisches Feld, so dass die Polarisierung, die in die Richtung 12 umgekehrt ist, eine Umkehr in Richtung einer spontanen Polarisierungsrichtung 11 erneut initiiert (rückwärtige Umkehr initiierendes Feld) (nachfolgend bezeichnet als [zweites gleichmäßiges Kernerzeugungsverfahren] bezeichnet).
Für das ferroelektrische Substrat 4 wird das erste gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren durchgeführt, und dann wird das zweite gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren wiederholt mehr als 1mal, bevorzugt 1 bis 50mal, mehr bevorzugt 1mal bis 25mal, durchgeführt.
Somit kann die Nichtgleichmäßigkeit der Umkehr, die bei der Erzeugung der periodisch gepolten Struktur auftrat, unterdrückt werden, indem die Polarisierungsumkehr wiederholt unter diesen Bedingungen durchgeführt wird, was durch das konventionelle Verfahren nicht vermieden werden kann.
Bei dem Herstellungsverfahren (a) wird ein elektrisches Feld in der Richtung 12 so auferlegt, dass die Flüssigelektrode 1 ein positives Potenzial und die Flüssigelektrode 2 ein negatives Potenzial werden. Das auferlegte, elektrische Feld zu diesem Zeitpunkt wird so auferlegt, dass der Potenzialunterschied zwischen diesem positiven Potenzial und negativen Potenzial größer ist als das positive, elektrische Feld, das die Umkehr initiiert (nachfolgend als [positives Muster-Bildungsverfahren] bezeichnet) ist.
Gemäß dem Herstellungsverfahren (a) ist es möglich, ein ferroelektrisches Substrat mit einer gleichmäßigen Polarisierungsstruktur zu erzeugen, wobei die Nichtgleichmäßigkeit der Umkehrfläche klein ist. 3 erläutert eine schematische Perspektivansicht einer periodisch gepolten Struktur in einem somit hergestellten, ferroelektrischen Substrat.
Herstellungsverfahren (b)
Zunächst wird in einem Herstellungsverfahren (b) ein elektrisches Feld auf die Richtung 12, die von der spontanen Polarisierungsrichtung 11 des ferroelektrischen Substrates 4 verschieden ist, in der Herstellungsvorrichtung A auferlegt, in die das ferroelektrische Substrat 4, das in 1 gezeigt ist, so eingelegt ist, dass die Flüssigelektrode 1 ein positives Potenzial und die Flüssigelektrode 2 ein negatives Potenzial werden. Das elektrische Feld wird so auferlegt, dass der Potenzialunterschied zwischen dem positiven Potenzial und dem negativen Potenzial größer wird als das elektrische Feld, das die positive Inversion initiiert, wobei die Polarisierungsinversion in die Richtung 12, die bei einem Winkel von 180° umgekehrt ist, von der spontanen Polarisierungsrichtung 11 initiiert wird (nachfolgend als [drittes gleichmäßiges Kernerzeugungsverfahren] bezeichnet).
Durch Durchführen des dritten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahrens unter diesen Bedingungen wird überlegt, dass die spontane Polarisierung aller Flächen des ferroelektrischen Substrates 4 in die Richtung 12 polarisationsinvertiert wird. Weiterhin kann die Nichtgleichmäßigkeit der Inversion, die bei der Erzeugung der periodisch gepolten Struktur auftrat, durch Durchführen des dritten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahrens unterdrückt werden.
Bei dem Herstellungsverfahren (b) wird ein elektrisches Feld in der spontanen Polarisierungsrichtung 11 so auferlegt, dass die erste Flüssigelektrode 1 zu einem negativen Potenzial und die zweite Flüssigelektrode 2 zu einem positiven Potenzial wird. Das auferlegte, elektrische Feld wird zu diesem Zeitpunkt so auferlegt, dass der Potenzialunterschied zwischen dem positiven und dem negativen Potenzial größer ist als bei dem elektrischen Feld, das die rückwärtige Inversion initiiert (nachfolgend als [negatives Musterbildungsverfahren] bezeichnet).
Gemäß diesem Herstellungsverfahren (b) ist es möglich, eine gleichmäßige Polarisierungsstruktur herzustellen, bei der die Nichtgleichmäßigkeit der Inversionsfläche klein ist. 3 erläutert eine schematische Perspektivansicht einer periodisch gepolten Struktur in einem ferroelektrischen Substrat, das somit hergestellt ist.
Herstellungsverfahren (c)
Zunächst wird bei einem Herstellungsverfahren (c) ein Polarisierungsumkehrverfahren durchgeführt, wobei das erste gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren durchgeführt wird und dann das zweite gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren auf gleiche Weise wie oben beschrieben durchgeführt wird.
Dieses Polarisierungsumkehrverfahren wird wiederholt mehr als einmal, bevorzugt 1mal bis 50mal und mehr bevorzugt 1mal bis 25mal durchgeführt. Die Nichtgleichmäßigkeit der Inversion, die bei der Erzeugung der periodisch gepolten Struktur auftrat, kann durch wiederholtes Durchführen des Polarisierungsumkehrverfahrens unter diesen Bedingungen unterdrückt werden.
Dann wird bei diesem Herstellungsverfahren (c) das dritte gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren durchgeführt, und das negative Musterbildungsverfahren wird weiterhin unter gleichen Bedingungen, wie oben beschrieben, durchgeführt.
Entsprechend dem Herstellungsverfahren (c) ist es möglich, eine gleichmäßige Polarisierungsstruktur zu erzeugen, bei der die Nichtgleichmäßigkeit der Inversionsfläche klein ist. 3 erläutert eine schematische Perspektivansicht einer periodisch gepolten Struktur in einem somit erzeugten, ferroelektrischen Substrat.
Herstellungsverfahren (d)
Zunächst wird bei einem Herstellungsverfahren (d) ein Polarisierungsumkehrverfahren durchgeführt, bei dem das dritte gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren durchgeführt wird, und dann wird das zweite gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren auf gleiche Weise, wie oben beschrieben, durchgeführt.
Dieses Polarisierungsumkehrverfahren wird wiederholt mehr als einmal, bevorzugt 1mal bis 50mal und mehr bevorzugt 1mal bis 25mal durchgeführt.
Die Nichtgleichmäßigkeit der bei der Erzeugung der periodisch gepolten Struktur aufgetretenen Inversion kann durch wiederholtes Durchführen des Polarisationsumkehrverfahrens unter diesen Bedingungen unterdrückt werden.
Dann wird das dritte gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren durchgeführt, und das negative Musterbildungsverfahren wird weiterhin auf gleiche Weise, wie oben beschrieben, durchgeführt.
Gemäß dem Herstellungsverfahren (d) ist es möglich, eine gleichmäßige Polarisierungsstruktur herzustellen, wobei die Nichtgleichmäßigkeit der Umkehrfläche klein ist. 3 erläutert eine schematische Perspektivansicht einer periodisch gepolten Struktur in einem so hergestellten, ferroelektrischen Substrat.
In dem ersten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahren, dem zweiten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahren, dem dritten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahren, dem positiven Musterbildungsverfahren und dem negativen Musterbildungsverfahren sind die Feldintensität und die Auferlegungszeit davon in Abhängigkeit von der Art des Oxid-Einkristalls verschieden, der für das ferroelektrische Substrat 4 verwendet werden kann.
Konkret ist es dann, wenn Oxideinkristall ein KN-Einkristall ist, gewünscht, dass bei dem ersten und dem zweiten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahren ein elektrisches Feld mit einem maximalen, elektrischen Feld von 250 bis 500 V/mm und bevorzugt 300 bis 350 V/mm für 1 bis 10 Sekunden und bevorzugt 2 bis 4 Sekunden auferlegt wird. Das maximale, elektrische Feld und die Auferlegungszeit kann in irgendeiner Kombination vorliegen (gilt identisch für jegliche Verfahren). Es ist wünschenswert, dass bei dem dritten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahren ein elektrisches Feld mit einem maximalen, elektrischen Feld von 250 bis 500 V/mm und bevorzugt 300 bis 350 V/mm für 1 bis 10 Sekunden und bevorzugt 3 bis 6 Sekunden auferlegt wird. Es ist gewünscht, dass bei dem positiven Musterbildungsverfahren ein elektrisches Feld mit einem maximalen, elektrischen Feld von 250 bis 500 V/mm und bevorzugt 300 bis 350 V/mm für 3 bis 100 ms und bevorzugt 5 bis 50 ms auferlegt wird. Es ist gewünscht, dass bei dem negativen Musterbildungsverfahren ein elektrisches Feld mit einem maximalen, elektrischen Feld von 250 bis 500 V/mm und bevorzugt 300 bis 350 V/mm für 3 bis 100 ms und bevorzugt 5 bis 50 ms auferlegt wird.
Durch Durchführen des ersten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahrens, des zweiten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahrens, des dritten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahrens, des positiven Musterbildungsverfahrens und des negativen Musterbildungsverfahrens unter den obigen Bedingungen ist es möglich, eine gleichmäßige Polarisierungsstruktur zu erzeugen, bei der die Nichtgleichmäßigkeit der Inversionsfläche klein ist.
Wenn der Oxid-Einkristall ein LN-Einkristall, LT-Einkristall oder Einkristall ist, gebildet aus einer Verbindung unter Mischen von Übergangsmetallen, wie Mg, Zn oder dergleichen mit diesen, ist es gewünscht, dass das elektrische Feld so auferlegt wird, dass das maximale, elektrische Feld ein- bis zweimal so viel ist wie das elektrische Feld, das die Inversion initiiert, und bevorzugt das 1- bis 1,4fache. Weiterhin ist die Auferlegungszeit das gleiche wie bei dem KN-Einkristall. Durch Auferlegung eines elektrischen Feldes unter diesen Bedingungen ist es möglich, eine gleichmäßige Polarisierungsstruktur zu erzeugen, bei der die Nichtgleichmäßigkeit der Inversionsfläche klein ist.
2 ist ein Fließdiagramm, das die Herstellungsverfahren (a) bis (d) gemäß dieser Erfindung, wie oben beschrieben, mit dem konventionellen Verfahren vergleicht.
Bei diesen Herstellungsverfahren (a) bis (d) ist das elektrische Feld, das bei dem ersten, dem zweiten und dem dritten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahren verwendet wird, in irgendeiner der elektrischen Feldwellenformen erläutert, wie pyramidale Wellenform, Sinuswellenform oder Quadratwellenform, und zwar mit der Zeit als horizontale Achse und dem elektrischen Feld als vertikale Linie. Bezüglich der elektrischen Feldwellenform, die bei dem positiven Musterbildungsverfahren und dem negativen Musterbildungsverfahren verwendet wird, kann eine Quadratwellenform erwähnt werden.
Diese elektrischen Feldwellenformen sind nicht besonders hierauf beschränkt. Mehr spezifisch können die Wellenformen gemäß 4 veranschaulicht werden. Obwohl irgendwelche dieser elektrischen Feldwellenformen erläutert werden, ist es gewünscht, dass ein elektrisches Feld, das größer ist als das elektrische Feld, das die Polarisierungsinversion wie oben beschrieben initiiert, auferlegt wird, und dass das elektrische Feld auferlegt wird, bis der Stromfluss während der Inversion 0 wird. Wenn das elektrische Feld unter diesen Bedingungen auferlegt wird, kann der Bruch des ferroelektrischen Substrates 4 oder die Erzeugung von unerwünschten Domänen aufgrund einer abrupten Änderung des elektrischen Feldes vermieden werden.
Das ferroelektrischen Substrat mit einer periodisch gepolten Struktur, hergestellt auf oben beschriebene Weise, hat eine periodische Polarisierungsstruktur in der Oberflächenrichtung (Richtung der longitudinalen Achse) a des Substrates 4, wie in 3 gezeigt ist und hat weiterhin eine gleichmäßige Polarisierungsstruktur, bei der die Nichtgleichmäßigkeit gering ist. Der Abstand zwischen diesen Polarisierungen ist ein Wert, der in Abhängigkeit von dem gewünschten Gerätedesign bestimmt werden soll.
Das ferroelektrische Substrat mit dieser periodisch gepolten Struktur hat größere nicht-lineare optische Wirkungen, was zur Bildung von optischen Geräten, wie einem Wellenlängen-Umwandlungselement, einem zweiten Frequenzvervielfacher-Element oder dergleichen verwendet wird. Weiterhin kann das ferroelektrische Substrat, das durch diese Erfindung erhalten wird, die Produktivität und Gleichmäßigkeit dieser optischen Vorrichtungen verbessern, weil es eine Polarisierungsstruktur aufweist, bei der die Nichtgleichmäßigkeit der Inversionsperiode klein ist und die Polarisierungsrichtung innerhalb der gleichen Polarisierungsfläche gleichmäßig ist.
Entsprechend den Verfahren zur Herstellung einer periodisch gepolten Struktur gemäß dieser Erfindung, wie oben beschrieben, ist es möglich, eine Polarisierungsstruktur zu erzeugen, bei der die Nichtgleichmäßigkeit einer Form einer Musterbildungsfläche klein ist.
Der Grund ist vermutlich der folgende.
Bisher sind 4 Verfahren, gezeigt in 12, für ein Inversionsverfahren einer spontanen Polarisierung bekannt (R. G. Batchko, G. D. Miller et al., "SPIE", 3810, 43 (1999); R. G. Batchko, M. M. Fejer et al., "Opt. Lett.", 24, 1293 (1999)). 12 ist ein Transmissions-Perspektivdiagramm, das die Polarisierung eines Substrates und einen Kernbildungszustand bei dem konventionellen Verfahren zur Herstellung einer periodisch gepolten Struktur erläutert.
Wie in 12(a) gezeigt ist, wird ein Einkristallsubstrat mit einer einzelnen Polarisierung in der spontanen Polarisierungsrichtung 11 hergestellt. Musterelektroden 22 werden auf einer Oberfläche (obere Oberfläche) davon angeordnet; eine Elektrode 32 wird auf der entgegengesetzten Oberfläche (Bodenoberfläche) angeordnet, und ein elektrisches Feld wird so auferlegt, dass die negative Seite der spontanen Polarisierung ein negatives Potenzial und die positive Seite ein positives Potenzial zwischen den Musterelektroden 22 und der Elektrode 32 wird.
Ein Inversionsverfahren der spontanen Polarisierung zu diesem Zeitpunkt umfasst die Erzeugung von Kernen 21 auf den Kanten der Elektroden 22, auf denen ein elektrisches Feld sich konzentriert, wie in 12(a) gezeigt ist, das Wachsen der erzeugten Kerne 21, wie in 12(b) gezeigt ist, und weiterhin das Bilden einer Domänenwand 23, wie in 12(c) gezeigt ist, und das Expandieren der Domänenwand 23. Dann wird eine Fläche, bei der die Polarisierung in die Richtung 12 umgekehrt ist, die von der spontanen Polarisierung verschieden ist, expandiert.
Wenn die Auferlegung eines elektrischen Feldes terminiert wird, bevor eine gewünschte Fläche in einem Zustand der Polarisierungsrichtung 12, die von der spontanen Polarisierung verschieden ist, stabilisiert wird, ist es bekannt, dass Kerne 25, die zur spontanen Polarisierungsrichtung 11 zurückkehren, und ein Rückschaltphänomen, das in die spontane Polarisierungsrichtung 11 zurückgeht, auftreten, wie in 12(d) gezeigt ist.
Der Kern 21 wird an einer Stelle erzeugt, bei der sich ein elektrisches Feld leicht konzentriert. Die Stelle, bei der ein elektrisches Feld sich leicht konzentriert, ist abhängig von der Form der Musterelektroden 22 und weiterhin von der Zerstörung der Nichtgleichmäßigkeit, Mängeln und Verunreinigungen in einem Kristall. Die Konzentration des elektrischen Feldes in Abhängigkeit von der Form der Musterelektrode 22 tritt leicht insbesondere an der Kante der Musterelektrode 22 auf, so dass dies durch Verbessern der Form der Musterelektrode 22 gesteuert werden kann. Auf der anderen Seite kann die Konzentration des elektrischen Feldes in Abhängigkeit von der Verteilung der Mängel, der Nichtgleichmäßigkeit und Verunreinigungen in einem Kristall nicht nur durch die Form der Musterelektrode 22 kontrolliert werden, wobei die Verteilung dieser und dergleichen zum Zeitpunkt des Kristallwachstums bestimmt werden. Somit ist es bisher sehr schwierig, die Nichtgleichmäßigkeit der kernerzeugten Fläche zu eliminieren.
Mittlerweile wurde berichtet, dass Kerne nicht nur an anderen Flächen als der Oberfläche direkt unter der Elektrode, sondern ebenfalls im Inneren des Substrates erzeugt wurden (V. Gopalan und T. E. Mitchell, "J. Appl. Phys.", 83, S. 941 (1998)).
Jedoch sind die Stabilität und die Stellen der Kerne, die durch Auferlegung eines elektrischen Feldes, Akkumulierung und Extinktion von Kernen durch cyclisches Auferlegen von Spannung erzeugt sind, nicht bekannt. Weil ein sehr hohes, elektrisches Feld für Oxid-Einkristalle, wie LN-Einkristall, LT-Einkristall und dergleichen, auferlegt wird, bei denen allgemein viele Studien durchgeführt wurden, wird eine Spannung zylindrisch auferlegt, was leicht eine Schädigung und einen Kurzschluss im Kristall verursacht. Somit haben die Erfinder einen KNbO₃-Kristall verwendet, bei dem ein elektrisches Feld, das zum Umkehren der Polarisierungsrichtung notwendig ist, extrem niedrig war und ein Experiment bezüglich der Akkumulationswirkungen von Kernen durch wiederholtes Auferlegen dieses elektrischen Feldes durchgeführt.
Die Herstellungsvorrichtung A des ferroelektrischen Substrates, das in 1 erläutert ist, wird zur Erläuterung verwendet.
Ein KN-Kristallsubstrat mit einer einzelnen Polarisierung in der spontanen Polarisierungsrichtung 11 wird hergestellt; die Musterelektrode 22 wird auf einer Oberfläche (obere Oberfläche) des Substrates angeordnet und die Musterelektrode 9, die von der ersten flüssigen Elektrode 1 gebildet ist, wird auf der entgegengesetzten Oberfläche (Bodenoberfläche) und die zweite Flüssigelektrode 2 wird auf der umgekehrten Oberfläche davon gleichzeitig angeordnet. Dann wird ein elektrisches Feld in der Richtung 12 so auferlegt, dass die negative Seite der spontanen Polarisierung ein negatives Potenzial und die positive Seite ein positives Potenzial zwischen der Musterelektrode 9 und der zweiten Flüssigelektrode 2 wird, zum Umkehren der Polarisierungsrichtung (erstes gleichmäßiges Kernerzeugungsverfahren). Dann wird ein elektrisches Feld so auferlegt, dass die negative Seite der spontanen Polarisierung ein positives Potenzial und die positive Seite ein negatives Potenzial wird, zum erneuten Umwandeln der Polarisierungsrichtung (zweites gleichmäßiges Kernerzeugungsverfahren). Eine Serie dieser Verfahren wurde wiederholt, zur Untersuchung der Änderung bei dem die positive Inversion initiierenden Feld, wobei die spontane Polarisierungsrichtung 11 ihre Polarisierungsumkehr in die Richtung 12 initiiert, und bei dem die umgekehrte Inversion initiierenden elektrischen Feldes, wobei die Polarisierung in der Richtung 12 die Inversion in die spontane Polarisierungsrichtung 11 initiiert.
Die Ergebnisse sind in 5 gezeigt. Das die positive Inversion initiierende, elektrische Feld und das die umgekehrte Inversion initiierende, elektrische Feld können als solche angesehen werden, die dem elektrischen Feld entsprechen, das für eine Kernerzeugung notwendig ist. Überraschenderweise hat sich ergeben, dass bei Erhöhung der Frequenz der Verfahren das die positive Inversion initiierende elektrische Feld und das die umgekehrte Inversion initiierende, elektrische Feld niedrig werden und besonders, dass das die positive Inversion initiierende, elektrische Feld deutlich niedrig wird.
Diese Ergebnisse können gemäß 6 mit Hilfe eines Transmissions-Perspektivdiagramms des Substrates erläutert werden, das durch das obige Experiment erhalten wird. Wie in 6 gezeigt ist, verschwinden die Kerne 31, die durch Auferlegung des elektrischen Feldes erzeugt werden, selbst nach Beendigung der Auferlegung eines elektrischen Feldes nicht, wenn die Frequenz der wiederholten Polarisierungsinversionen erhöht wird, und werden nicht nur im Inneren des Kristalls, sondern ebenfalls an der Oberfläche des Kristalls akkumuliert. Somit kann überlegt werden, dass das die positive Inversion initiierende, elektrische Feld und das die umgekehrte Inversion initiierende, elektrische Feld bei wiederholter Auferlegung der elektrischen Felder graduell vermindert werden. Das heißt, es wird überlegt, dass dieses die Inversion initiierende, elektrische Feld sich vermindert, wenn sich die für die Kernerzeugung notwendige Energie durch die Akkumulationswirkungen der Kerne 31 vermindert. Wenn das erste gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren und das zweite gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren wiederholt werden, wird weiterhin erwartet, dass die Größe des die Inversion initiierenden, elektrischen Feldes schließlich bis zu dem elektrischen Feld vermindert werden kann, das für ein Verfahren nach einem Kernerzeugungsverfahren notwendig ist, das heißt, einem Kernwachstumsverfahren, das in 12(b) gezeigt ist.
Überraschenderweise wurde bei Bestätigung des Polarisierungszustandes durch Ätzen mit Fluorwasserstoffsäure nach Durchführung des dritten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahrens bestätigt, dass die Inversion in die Richtung, die von der spontanen Polarisierung verschieden ist, nicht nur direkt unter den Elektroden, sondern ebenfalls in allen Flächen auftrat, bei denen die Elektrode nicht gebildet wurde. Diese Ergebnisse zeigen, dass die durch das dritte gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren erzeugten Kerne 31, die in einem Diagramm von 6 erläutert sind, über der gesamten gewünschten Musterbildungsfläche akkumuliert sind.
Auf der Grundlage der oben beschriebenen Tatsachen werden Beispiele für Herstellungsverfahren (a) und (c) unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Hinblick auf Verfahren zur Herstellung der Polarisierungsstruktur gemäß dieser Erfindung beschrieben.
7 ist ein Transmissions-Perspektivdiagramm, das Polarisierungsflächen und Kerne in einem Substrat bei Beendigung eines jeden Verfahrens bei dem Herstellungsverfahren (a), wie oben beschrieben, erläutert.
Bei dem Herstellungsverfahren (a), wie in 7➀ gezeigt ist, werden gewünschte Musterelektroden 22 auf einer Oberfläche des Einkristalls vorgesehen, die in der spontanen Polarisierungsrichtung 11 angeordnet sind, und ein elektrisches Feld wird zwischen der Musterelektrode 22 und der Elektrode 32 auf der anderen Oberfläche auferlegt.
Bei dem Herstellungsverfahren (a), das in 7 erläutert ist, wird das erste gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren durchgeführt, das ein elektrisches Feld in der Richtung 12 auferlegt, die von der spontanen Polarisierung verschieden ist.
7➁ ist ein Transmissions-Perspektivdiagramm des Polarisierungszustandes bei Beendigung des ersten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahrens und der Verteilung der erzeugten Kerne 31. Wie in 7➁ gezeigt ist, werden die Kerne 31 in einer Punktform bei einer Polarisierungsinversionsfläche 34 in Richtung 12 gebildet.
Weiterhin wird das zweite gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren durchgeführt, bei dem ein elektrisches Feld in der Spontanpolarisierungsrichtung 11 auferlegt wird.
7➂ ist ein Diagramm, das den Polarisierungszustand bei Beendigung des zweiten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahrens und die Verteilung der Kerne 31 zeigt. Wie in 7➂ gezeigt ist, wird die Polarisierungsrichtung in die spontane Polarisierungsrichtung 11 über der gesamten Fläche umgewandelt; jedoch sind Kerne 31 auf der Fläche 34 akkumuliert, bei der die Polarisierung in die Richtung 12 in dem ersten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahren umgewandelt ist. Es wird überlegt, dass Kerne 31, die im Inneren akkumuliert sind, noch mehr erhöht werden, indem das erste gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren und das zweite gleichmäßige Kernerzeugungsverfahrens wiederholt werden.
Wenn die Kerne 31 erhöht werden, wird überlegt, dass das die Polarisierungsumkehr initiierende, elektrische Feld erniedrigt wird und eine gleichmäßige, periodisch gepolte Struktur hergestellt werden kann, bei der die Nichtgleichmäßigkeit der Inversionsfläche klein ist.
Dann wird ein positives Muster bildendes Verfahren unter Auferlegung eines elektrischen Feldes in Richtung 12, die von der spontanen Polarisierung verschieden ist, durchgeführt. 7➃ erläutert den Polarisierungszustand bei Beendigung des positiven Musterbildungsverfahrens und die Verteilung der Kerne 31. Flächen unter den Musterelektroden 22 sind in die Richtung 12 polarisationsumgekehrt, während andere Flächen in der gleichen Polarisierungsrichtung 11 sind. Es ist möglich, eine gewünschte gleichmäßige, periodisch gepolte Struktur zu erhalten, bei der Kerne 31 in einer Punktform in der polarisationsumgekehrten Fläche 34 in die Richtung 12 gebildet sind, und die Nichtgleichmäßigkeit aufgrund der Stellen der Musterelektroden 22 gering ist, und zwar durch Durchführen des ersten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahrens.
Als Beispiel für ein Verfahren zum Auferlegen des elektrischen Feldes, das jedem Verfahren, das in 7 erläutert ist, entspricht, zeigt 9(a) ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel einer elektrischen Feldwellenform der Musterelektrode 22 (positive Elektrode) zu der Elektrode 31 (negative Elektrode), die daran anschließt, erläutert.
8 ist ein Transmissions-Perspektivdiagramm, das Polarisierungsflächen und Kerne eines Substrates bei Beendigung eines jeden Verfahrens bei dem obigen Herstellungsverfahren (c) erläutert.
Bei dem Herstellungsverfahren (c) werden, wie in 8➀ gezeigt ist, sind gewünschte Musterelektroden 22 auf einer Oberfläche des Einkristalls vorgesehen, der in der Richtung der spontanen Polarisierung 11 angeordnet ist, und ein elektrisches Feld wird zwischen den Musterelektroden und der anderen Oberfläche 32, die sich daran anschließt, auferlegt.
Bei dem Herstellungsverfahren (c), wie in 8 erläutert ist, wird das erste gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren, das ein elektrisches Feld in der Richtung 12 auferlegt, die von der spontanen Polarisierung verschieden ist, durchgeführt.
8➁ ist ein Transmissions-Perspektivdiagramm des Polarisierungszustandes bei Beendigung des ersten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahrens und der Verteilung der erzeugten Kerne 31. Die Kerne 31 werden in einer Punktform bei der polarisationsumgekehrten Fläche 34 zur Richtung 12 gebildet.
Weiterhin wird das zweite gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren durchgeführt, das ein elektrisches Feld in der gleichen Richtung 11 wie die spontane Polarisierung auferlegt.
8➂ ist ein Modelldiagramm, das den Polarisierungszustand bei Beendigung des zweiten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahrens und die Verteilung der Kerne 31 erläutert. Die Polarisierungsrichtung wird in die spontane Polarisierungsrichtung 11 über der gesamten Fläche wiederhergestellt; jedoch werden Kerne 31 auf der Fläche 34, bei der die Polarisierung in die Richtung 12 umgekehrt wird, bei dem ersten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahren akkumuliert.
Es wird überlegt, dass Kerne 31, die im Inneren akkumuliert sind, noch mehr durch Wiederholen des ersten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahrens und des zweiten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahrens erhöht werden. Weil Kerne 31 auf diese Weise erhöht werden, wird überlegt, dass das die Polarisierungsumwandlung initiierende, elektrische Feld erniedrigt wird und eine gleichmäßige, periodisch gepolte Struktur hergestellt werden kann, bei der die Nichtgleichmäßigkeit der Inversionsfläche klein ist.
Dann wird das dritte gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren unter Auferlegung eines elektrischen Feldes in die Richtung 12, die von der spontanen Polarisierung verschieden ist, durchgeführt.
8➃ ist ein schematisches Diagramm, das den Polarisierungszustand bei Beendigung des dritten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahrens und die Verteilung der Kerne 31 erläutert. Alle Flächen sind in die Richtung 12 polarisationsumgekehrt und weiterhin werden die Kerne 31 in einer Punktform über der gesamten Fläche im Inneren des Kristalls (Substrat) ebenfalls gebildet.
Dann wird das negative Musterbildungsverfahren unter Auferlegung eines elektrischen Feldes in der spontanen Polarisierungsrichtung 11 durchgeführt.
8➄ erläutert den Polarisierungszustand bei Beendigung des negativen Musterbildungsverfahrens und die Verteilung der Kerne 31. Die Flächen unter den Musterelektroden 22 sind in die spontane Polarisierungsrichtung 11 erneut polarisationsumgewandelt, während andere Flächen ihre Polarisierungsrichtung in der Richtung 12 haben. Durch Durchführen des dritten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahrens ist es möglich, eine gewünschte, gleichmäßige Polarisierungsstruktur zu erhalten, bei der Kerne 31 in einer Punktform bei einer Fläche mit der ersten Polarisierungsrichtung 11 gebildet sind, und die Nichtgleichmäßigkeit aufgrund des Ortes der Musterelektrode 22 klein ist.
Als ein Beispiel eines Verfahrens zum Auferlegen des elektrischen Feldes, das jedem Verfahren, das in 8 erläutert ist, entspricht, zeigt 9(c) ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel einer elektrischen Feldwellenform der Musterelektrode 22 (positive Elektrode) zu der Elektrode 32 (negative Elektrode), die sich daran anschließt, erläutert.
Wie oben beschrieben, kann die Nichtgleichmäßigkeit der kernerzeugten Fläche, die bisher ein Problem darstellte, durch zumindest ein- oder mehrmaliges Durchführen des dritten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahrens gelöst werden. Somit werden Kerne bei dem positiven Musterbildungsverfahren oder dem negativen Musterbildungsverfahren ohne starke Abhängigkeit von der Verteilung der Nichtgleichmäßigkeit, Mängeln oder Verunreinigungen erzeugt. Aufgrund dieser Funktion wird überlegt, dass eine gewünschte, periodisch gepolte Struktur entsprechend einem Design hergestellt und weiterhin eine gleichmäßige, periodisch gepolte Struktur gebildet werden kann, bei der die Nichtgleichmäßigkeit der Inversionsfläche klein ist.
Wirkung der Erfindung
Gemäß den Verfahren zur Herstellung einer periodisch gepolten Struktur in einem ferroelektrischen Substrat dieser Erfindung kann eine gleichmäßige, periodisch gepolte Struktur hergestellt werden, bei der die Nichtgleichmäßigkeit der Inversionsfläche klein ist.
Beispiele
Diese Erfindung wird spezifisch unten unter Bezugnahme auf Beispiele erläutert. Jedoch ist diese Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt.
In den folgenden Beispielen wurde eine periodisch gepolte Struktur in einem ferroelektrischen Substrat unter Anwendung der Herstellungsvorrichtung A, die in 1 erläutert ist, gebildet.
Beispiel 1
In der Herstellungsvorrichtung A von 1 wurde ein ferroelektrisches Substrat 4 aus einem KNbO₃-Einkristall, bei der die spontane Polarisierung im allgemeinen in der Dickenrichtung angeordnet ist, verwendet.
Muster werden auf der oberen Oberfläche 4a des Substrates 4 gebildet, die mit Fotoresist beschichtet und durch ein Fotolithografieverfahren als Isolierschichten 5 hergestellt waren. Die Dicke des Substrates 4 war 1 mm, während die Dicke der Isolierschicht 5 8 μm war.
Das ferroelektrische Substrat 4, auf dem diese Isolierschichten 5 gebildet waren, wurde zwischen den Acrylplatten 8 durch Silikongummis 7 angeordnet. Die erste Flüssigelektrode 1 und die zweite Flüssigelektrode 2 wurden zwischen die Acrylplatten 8 und dem Substrat 4 gefüllt. Beim Füllen erfolgte die Einstellung durch ein Blasenentferntverfahren so, dass keine Blasen auf der Oberfläche des ferroelektrischen Substrates 4 verblieben. Als erste Flüssigelektrode 1 und zweite Flüssigelektrode 2 wurde LiCl in einer gesättigten wässrigen Lösung verwendet.
Unter Verwendung dieser Herstellungsvorrichtung wurde das erste gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren durch Auferlegung eines elektrischen Feldes bei dem Substrat 4 mit Hilfe einer Energiequelle 6 durchgeführt. In diesem Fall wurde die erste Flüssigelektrode 1 ein positives Potenzial, und die zweite Flüssigelektrode 2 wurde ein negatives Potenzial, und dann wurde ein elektrisches Feld mit einem maximalen Feld von 350 V/mm in der pyramidalen Wellenform für 2 Sekunden auferlegt, um einen Kurzschluss des Substrates 4 oder die Erzeugung von unerwünschten Domänen aufgrund einer abrupten Änderung des elektrischen Feldes zu vermeiden. Aufgrund dessen floss eine Inversionsladung, die ungefähr 110% der Fläche entsprach, in der die schließlich erhaltene Polarisierungsrichtung die Richtung 12 war. Als Grund wird überlegt, dass eine Fläche, die größer ist als die in die Richtung 12 polarisationsumgekehrte Fläche, in die Richtung 12 polarisationsumgekehrt wurde. Dann wurde das zweite gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren durchgeführt. Die erste Flüssigelektrode 1 wurde ein negatives Potenzial und die zweite Flüssigelektrode 2 ein positives Potenzial, und dann wurde ein elektrisches Feld mit einem maximalen Feld von 350 V/mm in der pyramidalen Wellenform für 2 Sekunden auferlegt. Aufgrund dessen wurde eine polarisationsumgekehrte Fläche in die Richtung 12 erneut in die spontane Polarisierungsrichtung 11 polarisationsumgekehrt. Die Menge der Inversionsladung, die zu diesem Zeitpunkt floss, was die gleiche wie die Menge der Inversionsladung, die, wie oben beschrieben, floss. Aufgrund dieser Tatsache wird überlegt, dass eine polarisationsumgekehrte Fläche in die Richtung 12. in dem ersten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahren vollständig in die spontane Polarisierungsrichtung 11 polarisationsumgewandelt war.
Für das Substrat 4, bei dem das erste gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren und das zweite gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren jeweils einmal durchgeführt wurden, wurde die erste Flüssigelektrode 1 ein positives Potenzial und die zweite Flüssigelektrode 2 ein negatives Potenzial und dann wurde ein elektrisches Feld mit ungefähr 300 V/mm für ungefähr 50 ms bei normaler Temperatur für das positive Musterbildungsverfahren auferlegt.
Dann wurde ein Bildungszustand der periodisch gepolten Struktur durch Ätzen des Substrates 4 mit Fluorwasserstoffsäure bestätigt. Als Ergebnis konnte, wie in 10(a) gezeigt ist, das konventionelle Verfahren die Nichtgleichmäßigkeit der periodisch gepolten Struktur nicht eliminieren, während gemäß dem Herstellungsverfahren dieser Erfindung es möglich war, das Substrat zu erzeugen, bei dem die Nichtgleichmäßigkeit der Inversionsperiode klein war und die periodisch gepolte Struktur mit einer gleichmäßigen Polarisierungsrichtung mit einer Periode von 30 μm innerhalb der gleichen Polarisierungsfläche erhalten wurde.
Beispiel 2
Bei Beispiel 2 wurde ein Substrat mit einer periodisch gepolten Struktur auf gleiche Weise wie bei Beispiel 1 erhalten, mit der Ausnahme, dass ein elektrisches Feld mit ungefähr 350 V/mm für ungefähr 9 ms bei normaler Temperatur für das positive Musterbildungsverfahren auferlegt wurde. Dann wurde ein Bildungszustand der periodisch gepolten Struktur durch Ätzen des Substrates 4 mit Fluorwasserstoffsäure bestätigt. Gemäß dem Herstellungsverfahren dieser Erfindung war es möglich, das Substrat zu erzeugen, bei dem die Nichtgleichmäßigkeit der Inversionsperiode klein war und die periodisch gepolte Struktur mit einer gleichmäßigen Polarisierungsrichtung mit einer Periode von 30 μm innerhalb der gleichen Polarisierungsfläche erhalten wurde.
Beispiel 3
Bei Beispiel 3 wurde ein Substrat mit einer periodisch gepolten Struktur auf gleiche Weise wie bei Beispiel 1 erhalten, mit der Ausnahme, dass ein elektrisches Feld von ungefähr 400 V/mm für ungefähr 5 ms für das positive Musterbildungsverfahren auferlegt wurde. Dann wurde ein Bildungszustand der periodisch gepolten Struktur durch Ätzen des Substrates 4 mit Fluorwasserstoffsäure bestätigt. Gemäß dem Herstellungsverfahren dieser Erfindung war es möglich, das Substrat zu erzeugen, bei dem die Nichtgleichmäßigkeit der Inversionsperiode klein war und die periodisch gepolte Struktur mit gleichmäßiger Polarisierungsrichtung mit einer Periode von 30 μm innerhalb der gleichen Polarisierungsfläche erhalten wurde.
Beispiel 4
Die gleiche Herstellungsvorrichtung wie bei Beispiel 1 wurde verwendet.
Zunächst wurde das dritte gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren durchgeführt, indem ein elektrisches Feld bei dem Substrat 4 mit Hilfe einer Energiequelle 6 auferlegt wurde. In diesem Fall wurde die erste Flüssigelektrode 1 ein positives Potenzial und die zweite Flüssigelektrode 2 ein negatives Potenzial, und dann wurde ein elektrisches Feld mit einem maximalen Feld von 350 V/mm in pyramidaler Wellenform 4 Sekunden auferlegt, zur Vermeidung eines Kurzschlusses beim Substrat 4 oder der Erzeugung von unerwünschten Domänen aufgrund einer abrupten Änderung des elektrischen Feldes. Aufgrund dessen wird überlegt, dass alle Flächen des Substrates 4 in die Richtung 12 polarisationsumgewandelt waren.
Dann wurde die erste Flüssigelektrode 1 ein negatives Potenzial und die zweite Flüssigelektrode 2 ein positives Potenzial, und dann wurde ein elektrisches Feld von ungefähr 300 V/mm für ungefähr 50 ms für das negative Musterbildungsverfahren auferlegt.
Dann wurde ein Bildungszustand der periodisch gepolten Struktur durch Ätzen des Substrates 4 mit Fluorwasserstoffsäure bestätigt. Gemäß dem Herstellungsverfahren dieser Erfindung war es möglich, das Substrat herzustellen, bei dem die Nichtgleichmäßigkeit der Inversionsperiode klein war und die periodisch gepolte Struktur mit einer gleichmäßigen Polarisierungsrichtung mit einer Periode von 30 μm innerhalb der gleichen Polarisierungsfläche erhalten wurde.
Beispiel 5
Die gleiche Herstellungsvorrichtung wie bei Beispiel 1 wurde verwendet.
Zunächst wurde das erste gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren und das zweite gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren einmal auf gleiche Weise wie bei Beispiel 1 durchgeführt. Dann wurde das dritte gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren durch Auferlegung eines elektrischen Feldes bei dem Substrat 4 mit Hilfe einer Energiequelle 6 durchgeführt. In diesem Fall wurde die erste Flüssigelektrode 1 ein positives Potenzial und die zweite Flüssigelektrode 2 ein negatives Potenzial, und dann wurde ein elektrisches Feld mit einem maximalen Feld von 350 V/mm in pyramidaler Wellenform 4 Sekunden auferlegt, zur Vermeidung eines Kurzschlusses des Substrates 4 oder der Erzeugung von unerwünschten Domänen aufgrund einer abrupten Änderung des elektrischen Feldes. Aufgrund dessen wird überlegt, dass alle Flächen des Substrates 4 in die Richtung 12 polarisationsumgewandelt sind.
Dann wurde die erste Flüssigelektrode 1 ein negatives Potenzial und die zweite Flüssigelektrode 2 ein positives Potenzial, und dann wurde ein elektrisches Feld mit ungefähr 300 V/mm für ungefähr 50 Sekunden für das negative Musterbildungsverfahren auferlegt.
Dann wurde ein Bildungszustand der periodisch gepolten Struktur durch Ätzen des Substrates 4 mit Fluorwasserstoffsäure bestätigt. Entsprechend dem Herstellungsverfahren dieser Erfindung war es möglich, das Substrat zu erzeugen, bei dem die Nichtgleichmäßigkeit der Inversionsperiode klein war, und die periodisch gepolte Struktur mit einer gleichmäßigen Polarisierungsrichtung mit einer Periode von 30 μm wurde innerhalb der gleichen Polarisierungsfläche erhalten.
Beispiel 6
Die gleiche Herstellungsvorrichtung wie bei Beispiel 1 wurde verwendet.
Zunächst wurde das dritte gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren durchgeführt, indem ein elektrisches Feld bei dem Substrat 4 mit Hilfe einer Energiequelle 6 auferlegt wurde. In diesem Fall wurde die erste Flüssigelektrode 1 ein positives Potenzial und die zweite Flüssigelektrode 2 ein negatives Potenzial, und dann wurde ein elektrisches Feld mit einem maximalen Feld von 350 V/mm in pyramidaler Wellenform 4 Sekunden auferlegt, zur Vermeidung eines Kurzschlusses des Substrates 4 oder der Erzeugung von unerwünschten Domänen aufgrund einer abrupten Änderung des elektrischen Feldes. Aufgrund dessen wird überlegt, dass alle Flächen des Substrates 4 in die Richtung 12 polarisationsumgewandelt waren.
Dann wurde das zweite gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren durchgeführt. Die erste Flüssigelektrode 1 wurde ein negatives Potenzial und die zweite Flüssigelektrode 2 ein positives Potenzial, und dann wurde ein elektrisches Feld mit einem maximalen Feld von 350 V/mm in pyramidaler Wellenform 2 Sekunden auferlegt. Aufgrund dessen wurde die in die Richtung 12 polarisationsumgewandelte Fläche erneut in die spontane Polarisierungsrichtung 11 polarisationsumgewandelt. Das dritte gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren und das zweite gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren wurden jeweils einmal durchgeführt.
Weiterhin wurde das dritte gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren auf gleiche Weise wie oben durchgeführt.
Dann wurde die erste Flüssigelektrode 1 ein negatives Potenzial und die zweite Flüssigelektrode 2 ein positives Potenzial, und dann wurde ein elektrisches Feld mit ungefähr 300 V/mm ungefähr 50 ms für das negative Musterbildungsverfahren auferlegt. Dann wurde ein Bildungszustand der periodisch gepolten Struktur durch Ätzen des Substrates 4 mit Fluorwasserstoffsäure bestätigt. Gemäß dem Herstellungsverfahren dieser Erfindung war es möglich, das Substrat zu erzeugen, bei dem die Nichtgleichmäßigkeit der Inversionsperiode klein war und die periodisch gepolte Struktur mit einer gleichmäßigen Polarisierungsrichtung mit einer Periode von 30 μm innerhalb der gleichen Polarisierungsfläche erhalten wurde.
Beispiel 7
Es wird auf die vergrößerte, schematische Perspektivansicht von 13 Bezug genommen. Wie in dem Diagramm von 14 gezeigt ist, wird hier ein Beispiel präsentiert, bei dem eine Struktur mit einem Winkel von 90° zwischen der ersten Polarisierungsrichtung 11 und der zweiten Polarisierungsrichtung 12 hergestellt wurde. Bei 13 umfasst das Substrat 4, das die erste Polarisierungsrichtung 11 aufweist, das sich mit 45° an die Oberfläche des Substrates 4 anlehnt, die erste Elektrode 1, bestehend aus einem Muster, beschichtet mit einem Fotoresist und hergestellt durch ein Fotolithografieverfahren als Isolierschichten 5 auf der Hauptoberfläche des Substrates 4 der Polarisierung, und LiCl in einer gesättigten, wässrigen Lösung; die zweite Elektrode 2, die durch Kontaktieren nur von LiCl in einer gesättigten, wässrigen Lösung mit dem Substrat 4 erzeugt ist.
Bei diesem Beispiel wurde das Substrat 4 zwischen den Acrylplatten 8 durch die Silikongummis 7 angeordnet. LiCl in einer gesättigten, wässrigen Lösung wurde zwischen die Acrylplatten 8 und das Substrat 4 gefüllt. Beim Füllen erfolgte die Einstellung durch ein Blasenentfernungsverfahren, so dass keine Blasen auf der Oberfläche des Substrates 4 verblieben.
Dann wurde das erste gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren durch Auferlegen eines elektrischen Feldes bei dem Substrat 4 mit Hilfe einer Energiequelle 6 durchgeführt. In diesem Fall war die Dicke des Substrates 4 1 mm, und die Dicke des Fotoresists war 8 μm. Die Elektrode 1 wurde ein positives Potenzial und die Elektrode 2 ein negatives Potenzial, und dann wurde ein elektrisches Feld mit einem maximalen Feld von 180 V/mm in pyramidaler Wellenform 1000 Sekunden auferlegt, zur Vermeidung eines Kurzschlusses des Substrates 4 oder der Erzeugung von unerwünschten Domänen aufgrund einer abrupten Änderung des elektrischen Feldes. Aufgrund dessen floss eine Inversionsladung, die ungefähr 110% der Fläche entsprach, bei der die schließlich erhaltene Polarisierungsrichtung die zweite Polarisierungsrichtung 12 war. Dann wurde das zweite gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren durchgeführt. Die Elektrode 1 wurde ein negatives Potenzial und die Elektrode 2 ein positives Potenzial, und dann wurde ein elektrisches Feld mit einem maximalen Feld von 180 V/mm in pyramidaler Wellenform auferlegt, und die vorwärts geschaltete Fläche zu der zweiten Polarisierungsrichtung 12 wird rückgeschaltet in die erste Polarisierungsrichtung 11. Die Menge der Inversionsladung, die zu diesem Zeitpunkt floss, war die gleiche wie die Menge der Inversionsladung, die wie oben beschrieben floss. Aufgrund dieser Tatsache wird überlegt, dass eine Fläche, die in die zweite Polarisierungsrichtung 12 bei dem ersten gleichmäßigen Kernerzeugungsverfahren vorwärtsgeschaltet wurde, vollständig in die erste Polarisierungsrichtung 11 durch das zweite gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren rückgeschaltet wird.
Bezüglich der elektrischen Feldwellenformen, die für das erste gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren, das zweite gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren und das dritte gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren verwendet werden, kann irgendeine von einer Sinuswellenform und einer Quadratwellenform zusätzlich zu der obigen pyramidalen Wellenform verwendet werden. In jedem dieser Fälle ist es gewünscht, dass ein elektrisches Feld, das größer ist als das die Inversion initiierende, elektrische Feld, auferlegt wird und dass ein elektrisches Feld auferlegt wird, bis der während der Inversion fließende Strom 0 wurde.
Als Substrat 4, bei dem das erste gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren und das zweite gleichmäßige Kernerzeugungsverfahren einmal jeweils durchgeführt wurden, wurde die Elektrode 1 ein positives Potenzial und die Elektrode 2 ein negatives Potenzial, und dann wurde ein elektrisches Feld mit ungefähr 200 V/mm für ungefähr 1000 ms für das positive Musterbildungsverfahren auferlegt. Auf diese Weise wurde die Bildung der Polarisierungsstruktur mit einem gewünschten Muster untersucht, und ein Bildungszustand des Polarisierungsmusters wurde von der Oberfläche des hergestellten Substrates 4 unter Verwendung eines optischen Transmissionsmikroskops bestätigt. Als Ergebnis wurde, wie in 15 gezeigt ist, die polarisationsumgewandelte Fläche 34 erhalten, und die Polarisationsstruktur mit einer Periode von 18 μm und einer Dicke von 1 mm konnte erzeugt werden, bei der die Nichtgleichmäßigkeit der Inversionsperiode klein und die Polarisierungsrichtung innerhalb der gleichen Polarisierungsfläche gleichmäßig war.
Industrielle Anwendbarkeit
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von optischen Vorrichtungen, wie ein Wellenlängen-Umwandlungselement, ein zweites Frequenzvervielfacher-Element und dergleichen; diese optischen Vorrichtungen können für optische Kommunikationen, die Aufzeichnung von optischen Informationen, optische Messungen und dergleichen verwendet werden.
Zusammenfassung
Ein Herstellungsverfahren für eine periodisch gepolte Struktur eines ferroelektrischen Substrats zum periodischen Umwandeln der Polarisierungsrichtung durch Auferlegung eines elektrischen Feldes zwischen Elektroden auf beiden Oberflächen des ferroelektrischen Substrates. Ein elektrisches Feld wird auf einen Bereich zwischen den Elektroden in einer Richtung auferlegt, die von der spontanen Richtung verschieden ist. Dann wird zumindest einmal ein Schritt zum Auferlegen des elektrischen Feldes in der gleichen Richtung wie die spontane Polymerisierung durchgeführt. Danach wird das elektrische Feld in der Richtung auferlegt, die von der spontanen Polarisierung verschieden ist.

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur in einem ferroelektrischen Substrat, worin ein Substrat mit gebildeter Elektrode mit Elektroden auf beiden Seiten des ferroelektrischen Substrates, bei dem eine spontane Polarisierung in einer Polarisierungsrichtung angeordnet ist, und mit Elektroden auf zumindest einer Oberfläche, die in den Zähnen eines Kammes bei einem vorbestimmten Abstand in der Oberflächenrichtung gebildet sind, verwendet wird und ein elektrisches Feld zwischen Elektroden auf beiden Oberflächen des Substrates auferlegt wird, zur Bildung einer Struktur, so dass die Polarisierungsrichtung periodisch umgewandelt wird, worin ein Verfahren zum Auferlegen des elektrischen Feldes in der Richtung, die von der spontanen Polarisierung zwischen den Elektroden verschieden ist und zum anschließenden Auferlegen des elektrischen Feldes in der gleichen Richtung wie die spontane Polarisierung zwischen den Elektroden zumindest ein- oder mehrere Male durchgeführt wird und das elektrische Feld weiterhin in der Richtung auferlegt wird, die von der spontanen Polarisierung verschieden ist.
Verfahren zur Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur in einem ferroelektrischen Substrat, worin ein Substrat mit gebildeter Elektrode mit Elektroden, die auf beiden Oberflächen des ferroelektrischen Substrates gebildet sind, bei dem eine spontane Polarisierung in einer Polarisierungsrichtung angeordnet ist, und mit Elektroden auf zumindest einer Oberfläche, die in den Zähnen eines Kammes bei einem vorbestimmten Abstand in der Oberflächenrichtung gebildet sind, verwendet wird und ein elektrisches Feld zwischen Elektroden auf beiden Oberflächen des Substrates auferlegt wird, zur Bildung einer Struktur, so dass die Polarisierungsrichtung periodisch umgewandelt wird, worin das elektrische Feld in der Richtung auferlegt wird, die von der spontanen Polarisierung zwischen den Elektroden verschieden ist und das elektrische Feld weiterhin in der gleichen Richtung wie die spontane Polarisierung auferlegt wird.
Verfahren zur Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur in einem ferroelektrischen Substrat nach Anspruch 2, worin ein elektrisches Feld in der. Richtung, die von der spontanen Polarisierung verschieden ist, auferlegt wird, bevor das elektrische Feld in der Richtung, die von der spontanen Polarisierung verschieden ist, auferlegt wird und dann ein Verfahren unter Auferlegung des elektrischen Feldes in der gleichen Richtung wie die spontane Polarisierung wiederholt zumindest ein- oder mehrere Male durchgeführt wird.
Verfahren zur Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur in einem ferroelektrischen Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Substrat mit gebildeter Elektrode ein Substrat ist, bei dem Isolierschichten und/oder Musterelektroden auf der Oberfläche davon gebildet sind.
Verfahren zur Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur in einem ferroelektrischen Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der Winkel zwischen der spontanen Polarisierungsrichtung und der umgekehrten Polarisierungsrichtung 60°, 90°, 120° oder 180° ist.
Verfahren zur Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur in einem ferroelektrischen Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin das ferroelektrische Substrat ein Oxid-Einkristall ist.
Verfahren zur Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur in einem ferroelektrischen Substrat nach Anspruch 6, worin der Oxid-Einkristall ein Einkristall ist, der mit Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder einer Verbindung gebildet ist, die Übergangsmetalle mit diesen mischt.
Verfahren zur Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur in einem ferroelektrischen Substrat nach Anspruch 6, worin der Oxid-Einkristall ein orthorhombischer Kristall oder ein tetragonaler Kristall ist.
Verfahren zur Erzeugung einer periodisch gepolten Struktur in einem ferroelektrischen Substrat nach Anspruch 6, worin der Oxid-Einkristall Kaliumniobat-Einkristall, Kaliumtitanylphosphat-Einkristall, Lithiumtriborat-Einkristall oder Bariumtitanat-Einkristall ist.