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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Wellenlängen-Umwandlungselement,
welches als eine Tiefultraviolett-Lichtquelle mit einer Wellenlänge
im Bereich von 300 nm bis 210 nm oder als eine Vakuumultraviolett-Lichtquelle
mit einer Wellenlänge von 200 nm oder kürzer verwendbar
ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Verbesserung des
oben erwähnten Wellenlängen-Umwandlungselements
unter Verwendung einer Quasiphasenanpassungstechnologie.
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Die
Anwendung von Lasern mit kurzen Wellenlängen mit einer
Wellenlänge, welche in den Tiefultraviolettbereich von
300 nm bis 210 nm oder Vakuumultraviolettbereich von 200 nm oder
weniger fällt, wird erwartungsgemäß in
verschiedenen Feldern ansteigen, einschließlich Materialverarbeitung, optische
Hochdichteaufnahmen, medizinische Behandlung und Sterilisation und
bei Lichtquellen mit hoher Helligkeit und Weißlumineszenz.
Als Laserquellen mit einer Wellenlänge, welche in diesen
Bereich fällt, sind Excimer-Laser, wie z. B. KrF (Oszillationswellenlänge:
248 nm) und ArF (Oszillationswellenlänge: 193 nm) bekannt.
Jedoch ist eine kontinuierliche Wellenoszillation bei diesen großen
Lasersystemen nicht möglich, und eine Wiederholungsfrequenz
kann bei der Pulsoszillation nicht erhöht werden. Dementsprechend
steigt die Energie pro Puls, was in einer Beschädigung
von optischen Komponenten resultiert. Da weiterhin toxisches Fluorgas verwendet
wird, erfordern die Lasersysteme eine aufwändige Wartung,
und demzufolge sind die Wartungskosten erhöht. Zusätzlich
sind diese Lasersysteme groß und ihre Laserstrahlqualität
ist gering. Aufgrund dieser Nachteile ist ihre Anwendung beschränkt,
und das ist der Grund, warum eine Schaffung von kleineren Festkörper-Tiefultraviolett-Lasersystemen
angestrebt wird.
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Die
Verwendung von Laserdioden wurde zur Erzielung kleinerer Festkörperlaser
erforscht. Tiefultraviolett-Laserdioden unter Verwendung von Aluminiumnitrid
(AlN), deren Bandlücke 6,4 eV beträgt, oder Mischkristall-Halbleitern
bestehend aus Aluminiumnitrid und Galliumnitrid (GaN) wurden intensiv entwickelt.
Jedoch haben sie insofern Probleme, als dass eine hinreichende Leuchteffizienz
aufgrund von Problemen der Kristalleigenschaft nicht erreicht werden
kann und dass die Ausgangsleistung gering ist (Nicht-Patentreferenz
1).
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Zwischenzeitlich
wird als weiterer Ansatz zum Erzielen kleinerer Festkörper-Lasersysteme
ein Festkörperlaser mit einem Wellenlängen-Umwandlungselement
kombiniert, welches einen nichtlinearen optischen Kristall zum Erzielen
kohärenten tiefultravioletten Lichtes verwendet. Basierend
auf dieser Kombination ist eine kontinuierliche Wellenoszillation prinzipiell
möglich, und eine Wiederholungsfrequenz kann bei der Pulsoszillation
ebenfalls erhöht werden. Weiterhin kann eine geringere
Bandbreite erzielt werden, und die Modenqualität im Raum
ist hoch.
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Der
nichtlineare optische Kristall ist als ein Kristall mit einem nichtlinearen
optischen Effekt definiert, nämlich dem Effekt der Nichtlinearität
hinsichtlich der Polarisationsreaktion von Materialien. Insbesondere
ist der nichtlineare optische Effekt definiert als ein Phänomen,
bei dem die Polarisationsreaktion eines Materials, auf das hochintensives
Licht, wie z. B. ein Laserstrahl, gerichtet wird, disproportional
zum elektrischen Feld des einfallenden Lichts wirkt, wobei die Wellenlänge
eines Teils des einfallenden Lichts umgewandelt wird. Die Erzeugung
zweiter Harmonischer zum Herausnehmen von Licht mit einer Wellenlänge,
welche halb so groß ist wie diejenige des einfallenden
Lichts, unter Verwendung des nichtli nearen optischen Effekts zweiter
Ordnung ist am besten bekannt als Verfahren zum Umwandeln von Laserwellenlängen
auf kürzere. Gemäß diesem Verfahren kann
ein Nd: YAG-Laser (Wellenlänge: 1064 nm) umgewandelt werden
in einen mit der Wellenlänge von 532 nm, welcher dann umgewandelt
wird in einen mit der Wellenlänge von 266 nm, indem er
einer weiteren Wellenlängeumwandlung unterworfen wird.
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Bei
diesem Verfahren jedoch wird wegen der Brechungsindexdispersion
des nichtlinearen optischen Kristalls, welcher zur Wellenlängenumwandlung
verwendet wird, die Wellenlänge der zweiten Harmonischen
innerhalb des Kristalls nicht präzise auf die Hälfte
derjenigen des einfallenden Lichts reduziert. Demzufolge tritt eine
Phasenverschiebung zwischen den zweiten harmonischen Wellen, welche an
verschiedenen Orten innerhalb des Kristalls erzeugt werden, auf,
was es schwierig macht, zweite Harmonische mit hinreichender Intensität
zu erhalten. Zur Lösung dieses Problems werden die Phasen allgemein
unter Verwendung einer Kristallorientierung eingestellt, welche
es ermöglicht, dass das Wellenlängenverhältnis
des einfallenden Lichts zu denjenigen der zweiten Harmonischen präzise
2:1 beträgt, wobei die Doppelbrechung des Kristalls ausgenutzt wird.
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Jedoch
ist es bei dem Phasenanpassungsverfahren unter Verwendung der Doppelbrechung unmöglich,
eine Phasenanpassung zu erzielen, wenn die Doppelbrechung des Kristalls überschritten wird.
Das Quasiphasenanpassungsverfahren wurde als Technik zum Anpassen
der Phasen, welche die Grenze der nichtlinearen optischen Kristalle überschreiten,
vorgeschlagen (Patentreferenz 1).
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Eine
Quasiphasenanpassung kann erzielt werden durch periodisches Bilden
von Polarisationsumkehrstrukturen für einen nichtlinearen
optischen Kristall. Gemäß dem Quasiphasenanpas sungsverfahren
kann sogar dann, wenn der nichtlineare optische Kristall keine geeignete
Doppelbrechung bei der erwünschten Wellenlänge
aufweist, die Umwandlungseffizienz durch Anpassen der Phasen der
fundamentalen Welle und der zweiten Harmonischen verbessert werden.
Da die Wellenlängenumwandlung basierend auf der Quasiphasenanpassung die
Doppelbrechung der Kristalle nicht verwendet, kann eine Reduzierung
der Umwandlungseffizienz, welche herrührt von verschiedenen
Ausbreitungsrichtungen der Fundamentalwelle und der zweiten Harmonischen,
sowie eine Verschlechterung der Strahlqualität vermieden
werden, was ein Vorteil dieses Verfahrens ist.
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Als
Wellenlängenumwandlungselemente unter Verwendung des Quasiphasenanpassungsverfahrens
sind ferroelektrische kristalline Oxide, wie z. B. LiNbO3 und LiTaO3, bekannt. Da die Absorptionskante dieser
ferroelektrischen kristallinen Oxide in der Nähe der Wellenlänge
von 300 nm existiert, sind die Wellenlängen, welche bei
Wellenlängenumwandlungselementen verwendbar sind, welche
diese Kristalle benutzen, begrenzt auf Wellenlängen von
300 nm oder länger. Demzufolge ist im Tiefultraviolettbereich
von 300 nm bis 210 nm eine Wellenlängenumwandlung unter
Verwendung der Quasiphasenanpassung nicht möglich. Weiterhin
wurde herausgefunden, dass bei einer praktischen Wellenlängenumwandlung,
welche basierend auf einer Quasiphasenanpassung unter Verwendung
von LiNbO3 und LiTaO3 durchgeführt
wird, die Strahlqualität innerhalb des Wellenlängenbereichs
von 500 nm oder kürzer, beispielsweise 450 nm, degradiert.
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Gegenüber
einem derartigen technischen Hintergrund wurde ein Wellenlängen-Umwandlungselement
zum Erzeugen von Tiefultraviolettstrahlen mit einer Wellenlänge
von 300 nm oder kürzer oder Vakuumultraviolettstrahlen
mit einer Wellenlänge von 200 nm oder kürzer vorgeschlagen,
welches einen Fluorid-Einkristall als den nichtlinearen optischen Kristall
anstelle von LiNbO3 und LiTaO3 verwendet (Patentreferenzen
2 und 3).
- Patentreferenz 1: JP 2002-122898 A (Ansprüche
und Absatz [0056])
- Patentreferenz 2: JP
2005-272219 A (Ansprüche)
- Patentreferenz 3: WO
2004/083497 (Ansprüche)
- Nicht-Patentreferenz 1: Y. Taniyasu, M. Kasu und T. Makimoto,
Nature 441,325 (2006)
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Angesichts
der obigen Probleme beabsichtigt die vorliegende Erfindung die Schaffung
eines Wellenlängen-Umwandlungselements basierend auf der
Quasiphasenanpassung, welches in der Lage ist, kohärentes
Licht innerhalb des sichtbaren Bereichs bis zum Tiefultraviolettbereich
mit Wellenlängen von 500 nm bis 200 nm unter Verwendung
nichtlinearer optischer Kristalle, welche von den in Patentreferenzen
2 und 3 eingeführten Fluorid-Einkristall verschieden sind,
zu erzeugen.
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Zur
Lösung der oben beschriebenen Probleme studierten der vorliegende
Erfinder et al. kristalline Materialien, welche in der Lage sind,
als ein Wellenlängen-Umwandlungselement innerhalb des oben erwähnten
Wellenlängenbereichs zu funktionieren. Kristalle, welche
als erwünschte Wellenlängen-Umwandlungselemente
verwendbar sind, müssen die Absorptionskantenwellenlänge
von 300 nm oder kürzer aufweisen und Ferroelektrizität
zur Anwendung der Quasiphasenanpassungstechnologie aufweisen. Weiterhin
muss zur tatsächlichen Herstellung eines Wellenlängen-Umwandlungselements
ein Einkristall einer spezifizierten Größe oder
größer unter der Bedingung herstellbar sein, dass
die oben erwähnten physikalischen Eigenschaften erfüllt
sind.
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Als
Material, welches diese Bedingungen erfüllt und von einem
Fluorid-Einkristall verschieden ist, fanden der vorliegende Erfinder
et al. einen Nitrid-Einkristall als ideal und schufen die vorliegende Erfindung
erfolgreich.
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Demzufolge
ist zur Lösung des oben erwähnten Problems die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung gerichtet auf die Schaffung eines
nichtlinearen optischen Kristalls mit einer periodischen Polarisationsumkehrstruktur,
bei der eine positive/negative Polarität alterniert in
einer Periode d, welche sich in der nachstehend gezeigten Gleichung
(1) zeigt, und ist dadurch charakterisiert, dass der obige nichtlineare
optische Kristall ein Nitrid-Einkristall in einem Wellenlängen-Umwandlungselement
ist, das Licht mit einer Frequenz von 2ω von dem einfallenden
Licht mit einer Frequenz von ω unter Verwendung der Quasiphasenanpassung
ausgibt. d = mλ/[2(n2ω – nω)] (1)wobei m die
Ordnung der Phasenanpassung bezeichnet, λ die Wellenlänge
des einfallenden Lichts bezeichnet, nω den
Brechungsindex des Nitrid-Einkristalls für das Licht mit
der Frequenz von ω bezeichnet und n2ω den
Brechungsindex des Nitrid-Einkristalls für das Licht mit
der Frequenz von 2ω bezeichnet.
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Eine
weitere Modifikation der vorliegenden Erfindung ist dadurch charakterisiert,
dass eine periodische Polarisationsumkehrstruktur vorliegt, wobei eine
positive/negative Polarität alterniert in einer Periode
d', welche durch nachstehend gezeigte Gleichung (2) gefunden wird,
in einem nichtlinearen optischen Kristall erzeugt wird, und dass
der oben erwähnte nichtlineare optische Kristall ein Nitrid-Einkristall
in einem Wellenlängen-Umwandlungselement ist, welches Licht
mit einer Frequenz von ω3 = ω1 + ω2 ausgibt
durch gleichzeitiges Einstrahlen von Lichtstrahlen mit einer Frequenz
von ω1 und ω2, wobei jeweils die Quasiphasenanpassung
verwendet wird. d' = m/[(n3/λ3) – (n2/λ2) – (n1/λ1)] (2)wobei m die
Ordnung der Phasenanpassung darstellt, λ1, λ2
und λ3 die Wellenlängen der Lichtstrahlen mit
der Frequenz ω1, ω2 und ω3 darstellen
und n1, n2 und n3 den Brechungsindex des Nitrid-Einkristalls
für das Licht mit der Frequenz ω1, ω2
und ω3 darstellen.
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Bei
der obigen Konfiguration kann der Nitrid-Einkristall ausgedrückt
werden durch die chemische Formel Al1_xGaxN (0 ≤ x ≤ 1).
Der Nitrid-Einkristall kann AlN sein.
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Der
Nitrid-Einkristall kann ein Bulk-Kristall oder ein auf einem Substrat
gebildeter Dünnfilm sein. Das Substrat, auf dem der Dünnfilm
gebildet wird, ist vorzugsweise aus Si, GaAs, AlN, InP, AlGaN, Al2O3 oder β-Ga2O3.
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Der
Nitrid-Einkristall kann durch das Dampfphasen-Wachstumsverfahren,
Flüssigphasen-Wachstumsverfahren oder Lösungs-Wachstumsverfahren
hergestellt werden.
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Bei
dem Wellenlängen-Umwandlungselement hat zumindest einer
der auszugebenden Lichtstrahlen nach Durchführen der Wellenlängenumwandlung
eine Wellenlänge von 500 nm oder weniger.
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Gemäß dem
Wellenlängen-Umwandlungselement der vorliegenden Erfindung,
welches eine Wellenlängenumwandlung innerhalb des sichtbaren bis
zum tiefultravioletten Wellenlängenbereich von 500 nm bis
200 nm ausführt, wobei die Quasiphasenanpassung verwendet
wird, tritt der Effekt des Erzielens von verkleinerten Festkörper-Tiefultraviolett-Laserlichtquellen
auf.
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In
den Figuren zeigen:
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1 ein
schematisches Konfigurationsdiagramm eines Wellenlängen-Umwandlungselements zum
Erzeugen einer zweiten Harmonischen basierend auf der Quasiphasenanpassung
mit Bezug auf die vorliegende Erfindung;
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2 die
Polarisationsumkehrstruktur des Wellenlängen-Umwandlungselements
mit Bezug auf eine Variation der vorliegenden Erfindung;
-
3 ein
schematisches erklärendes Diagramm zum Illustrieren des
Sublimierungsverfahrens des Beispiels; und
-
4 ein
schematisches Diagramm zum Illustrieren des in dem Beispiel gebildeten
Elektrodenmusters.
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- 1
- Wachstumstiegel
- 2
- Heizeinheit
- 3
- Keimkristall
- 4
- gewachsener
Kristall
- 5
- Rohmaterial
- 6
- Hochtemperaturbereich
- 7
- Niedrigtemperaturbereich
- 8
- Wachstumsorientierung
- 9
- Einkristallplatte
- 10
- unterer
Elektrodenfilm
- 11
- oberer
Elektrodenfilm
- 11A
- lineare
Elektrode des oberen Elektrodenfilms
- 11B
- Öffnung
des oberen Elektrodenfilms
- 11C,
11D
- Gemeinsamer
Verdrahtungsbereich des oberen Elektrodenfilms
- 14
- Hochspannungs-Leistungsversorgung
- 20,
25
- Wellenlängen-Umwandlungselement
-
Die
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend
detailliert unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
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Das
Wellenlängen-Umwandlungselement gemäß der
vorliegenden Erfindung erzielt eine Quasiphasenanpassung durch Bildung
einer periodischen Polarisationsumkehrstruktur in einem nichtlinearen
optischen Kristall, nämlich einem Nitrid-Einkristall.
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1 ist
ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Wellenlängen-Umwandlungselements 20 zum
Erzeugen einer zweiten Harmonischen basierend auf der Quasiphasenanpassung.
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Ein
Wellenlängen-Umwandlungselement 20 ist ein Nitrid-Einkristall,
welcher ein rechteckiger nichtlinearer optischer Kristall ist. In
dem Nitrid-Einkristall ist eine periodische Polarisationsumkehrstruktur
mit einer Periode d ausgedrückt durch nachstehende Gleichung
(1) gebildet. Wie in 1 gezeigt, alterniert die Polarität
mit der Periode d. d = mλ/[2(n2ω – nω)] (1)wobei m die
Ordnung der Phasenanpassung darstellt, λ die Wellenlänge
des einfallenden Lichts darstellt, nω den
Brechungsindex des Nitrid-Einkristalls für das Licht mit
der Frequenz ω darstellt und wobei n2ω den
Brechungsindex des Nitrid-Einkristalls für Licht mit der
Frequenz 2ω darstellt.
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Wie
in 1 gezeigt, wird in dem Wellenlängen-Umwandlungselement 20,
wenn Licht mit einer vorgegebenen Frequenz ω von einer
der Endflächen des Nitrid-Einkristalls mit der periodischen
Polarisationsumkehrstruktur unter einem Winkel senkrecht zur Grenzfläche
der periodischen Polarisationsumkehrstruktur eingegeben wird, Licht
der zweiten Harmonischen 2ω mit einer Frequenz, welche
doppelt so groß ist wie diejenige des einfallenden Lichts,
ausgegeben von der anderen Endfläche des Nitrid-Einkristalls,
um so die Wellenlängenumwandlung zu erzielen. In diesem
Fall kann, wenn eine optische Polierung auf beiden Endflächen
des Nitrid-Einkristalls durchgeführt wird und wenn weiterhin
ein Film entsprechend der Wellenlänge des durchzulassenden Lichts
gebildet wird, um eine Reflexion zu verhindern, die Effizienz der
Wellenlängenumwandlung weiter erhöht werden. Es
gibt keine Beschränkung beim Verfahren der Bildung solch
einer periodischen Polarisationsumkehrstruktur. Wenn das übliche
Verfahren des Anlegens einer Hochspannung verwendet wird, kann eine
periodische Polarisationsumkehrstruktur leicht an einem Nitrid-Einkristall
ausgebildet werden.
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2 illustriert
die Polarisationsumkehrstruktur eines Wellenlängen-Umwandlungselementes 27 im
Hinblick auf eine Variation der vorliegenden Erfindung.
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Durch
Bilden einer periodischen Polarisations-Umkehrstruktur, wobei die
Polarität in einer Periode d', welche sich in nachstehender
Gleichung (2) findet, auf einem Nitrid-Einkristall alterniert, kann
ein Wellenlängen-Umwandlungselement 25 basierend aus
einer Summenfrequenzerzeugung unter Verwendung der Quasiphasenanpassung
ebenfalls gebildet werden. d' = m/[(n3/λ3) – (n2/λ2) – (n1/λ1)] (2)wobei m die
Ordnung der Phasenanpassung darstellt, λ1, λ2
und λ3 die Wellenlängen der Lichtstrahlen mit
der Frequenz ω1, ω2 und ω3 darstellen
und wobei n1, n2 und
n3 den Brechungsindex des Nitrid-Einkristalls
für Lichtstrahlen mit der Frequenz ω1, ω2
und ω3 darstellen.
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Ein
AlN-GaN-Mischkristall ausgedrückt durch die chemische Formel
Al1-xGaxN (0 ≤ x ≤ 1)
wird vorzugsweise verwendet als Nitrid-Einkristall der vorliegenden
Erfindung, welcher eine nichtlineare optische kristalline Struktur
bildet. Insbesondere ist die Verwendung von AlN effektiv beim Erzielen
kürzerer Wellenlängen. Ein Bulk-Kristall oder
ein Dünnfilm, der auf einem Substrat gebildet ist, kann
als die Form des Nitrid-Einkristalls verwendet werden. Ein dünner Film
kann auf einem Substrat aus Si, GaAs, AlN, InP, AlGaN, Al2O3 oder β-Ga2O3 gebildet werden.
Weiterhin sind verschiedene Verfahren anwendbar zum Erzeugen eines
Nitrid-Einkristalls zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung
und enthalten, sind aber nicht beschränkt auf, das Dampfphasen-Wachstumsverfahren
(Sublimierungsverfahren, Organisches-Metall-Dampfphasen-Wachstumsverfahren, Hydriddampfphasen-Wachstumsverfahren
und Molekularstrahl-Epitaxieverfahren), Flüssigphasen-Wachstumsverfahren
und Lösungswachstumsverfahren. Diese Verfahren und Wachstumsbedingungen
sind nur Beispiele, und verschiedene weitere sind anwendbar.
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Beispiel 1
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Die
vorliegende Erfindung wird nachstehend detailliert unter Bezugnahme
auf das Beispiel beschrieben, aber der technische Inhalt ist nicht
auf die nachstehende Beschreibung begrenzt.
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In
diesem Beispiel wurde das Wellenlängen-Umwandlungselement 20 hergestellt
unter Verwendung eines AlN-Einkristalls, hergestellt durch das Sublimierungsverfahren.
Die folgende Beschreibung ist nur als typisches Beispiel der vorliegenden
Erfindung vorgesehen, und die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
sind nicht auf die nachstehend beschriebene begrenzt.
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3 ist
ein schematisches erklärendes Diagramm zum Illustrieren
des Sublimierungsverfahrens des Beispiels.
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Wie
in 3 gezeigt, wird eine Temperaturverteilung mit
einem Hochtemperaturbereich 6 und einem Niedertemperaturbereich 7 innerhalb
eines Wachstumstiegels 1 unter Verwendung einer Heizeinheit 2 geschaffen,
und Rohmaterial 5, welches auf den Hochtemperaturbereich 6 gesetzt
ist, wird sublimiert und abgeschieden auf einem Keimkristall 3,
der im Niedertemperaturbereich 7 platziert ist, um Kristallwachstum 4 zu
induzieren.
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Bei
dem Sublimierungsverfahren des Beispiels wird ein Hochfrequenz-Induktionsheizen
als Heizverfahren angewendet, und der Graphittiegel 1 hat
einen Innendurchmesser (Φ) von 50 mm, eine Höhe
von 80 mm und eine Dicke von 10 mm und wurde in einen Quarzbehälter
gesetzt, an dem ein Vakuumpumpen durchgeführt werden kann
und der mit hochreinem Stickstoffgas versorgt werden kann. Auf der
Seite des Niedertemperaturbereichs 7 am oberen Teil des
Graphittiegels 1 wurde ein AlN-Einkristallsubstrat mit
einer Dicke von 1 mm und einem Durchmesser von 25 mm gesetzt, welches
durch chemische Polierung spiegelbearbeitet war und dessen Hauptflächenorientierung
Fläche c war und welches als Keimkristall 3 verwendet
wurde.
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AlN-Polykristallpulver
wurde als das Rohmaterial 5 verwendet und wurde auf die
Seite des Hochtemperaturbereichs 6 im unteren Teil des
Graphittiegels 1 platziert. In einer hochreinen Stickstoffatmosphäre
bei 101 kPa wurde die Temperatur des Niedertemperaturbereichs mit
dem Tarnkristall 3, der auf der im oberen Teil des Graphittiegels 1 platziert
war, auf 2200°C eingestellt, wohingegen diejenige des Hochtemperaturbereichs mit
dem Rohmaterial 5, das auf dem unteren Teil des Graphittiegels 1 platziert
war, auf 2250°C eingestellt wurde, und zwar unter Verwendung
des Hochtemperatur-Induktionsheizens. Ein AlN-Einkristall wurde
80 Stunden lang gezogen. Nachdem das Wachstum vervollständigt
war, wurde die Temperatur auf Raumtemperatur reduziert, um einen
AlN-Einkristall 4 zu erhalten.
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Der
erhaltene AlN-Einkristall 4 lag in einer zylindrischen
Form mit einem Durchmesser von etwa 30 mm und einer Dicke von etwa
10 mm vor. Der erhaltene AlN-Einkristall erwies sich als ein Einkristall aufgewachsen
auf der Oberfläche c mit der Wachstumsorientierung des
Keimkristalls 3 mit Ausnahme eines Teils der äußeren
Peripherie des Kristalls, wo eine Polykristallisierung gefunden
wurde.
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Aus
dem so erhaltenen AlN-Einkristall 4 wurde eine AlN-Einkristallplatte
in erwünschten Dimensionen ausgeschnitten, um das Wellenlängen-Umwandlungselement 20 herzustellen.
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Das
Wellenlängen-Umwandlungselement 20 in diesem Beispiel,
die AlN-Einkristallplatte mit einer darauf ausgebildeten periodischen
Polarisationsumkehrstruktur erlaubt ein Alternieren einer positiven/negativen
Polarität mit einer Periode d ausgedrückt durch
die Formel (1) und gibt beim Empfang von einfallendem Licht (Fundamentalwelle)
mit einer Wellenlänge von 420 nm Licht mit 210 nm aus,
welches eine zweite Harmonische ist, wobei die Quasiphasenanpassung
angewendet wird. d = mλ/[2(n2ω – nω)] (1)wobei m die
Ordnung der Phasenanpassung darstellt, λ die Wellenlänge
des einfallenden Lichts (Fundamentalwelle) darstellt, nω den
Brechungsindex des Nitrid-Einkristalls 4 für das
Licht mit der Frequenz ω (Fundamentalwelle) darstellt und
wobei n2ω den Brechungsindex des
AlN-Einkristalls für 4 das Licht mit der Frequenz
2ω (zweite Harmonische) darstellt.
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Bei
dem vorliegenden Beispiel wurde die periodische Polarisationsumkehrstruktur
gebildet durch Ausnutzung der Ferroelektrizität von AlN.
Insbesondere durch externes Anlegen eines hohen elektrisches Feldes
in der Richtung entgegengesetzt zu derjenigen der c-Achse, welches
die spontane Polarisierungsachse von AlN ist, wurde die Polarität
der spontanen Polarisierung umgekehrt, um die Polarisationsumkehrstruktur
zu bilden.
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Zunächst
wurde der erhaltene AlN-Einkristall 4 in Scheiben senkrecht
zur c-Achse geschnitten, um eine dünne 10 mm mal 10 mm × 0,5
mm AlN-Einkristallplatte zu erhalten, deren Dickenrichtung sich
in die Richtung der c-Achse erstreckte. Wenn die AlN-Einkristallplatte
dünner ist, kann ein stärkeres elektrisches Feld
an den Kristall während des Prozesses der Herstellung der
Polarisationsumkehrstruktur angelegt werden. Jedoch ist es wünschenswert,
dass die Dicke der AlN-Einkristallplatte größer
gemacht wird als der Durchmesser des Lichtstrahls, der als Fundamentalwelle
einzudringen hat. Unter Berücksichtigung dieser Bedingungen
fällt die ideale Dicke der AlN-Einkristallplatte in den
Bereich zwischen 0,5 mm und 1,0 mm.
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Elektroden
mit einer periodischen Struktur entsprechend der zu bildenden periodischen
Polarisationsumkehrstruktur wurden dann auf der (0001)-Fläche
gebildet, welche senkrecht zur c-Achse der verarbeiteten dünnen
AlN-Einkristallplatte war. Es ist lediglich notwendig, eine Elektrode
mit einer periodischen Struktur entsprechend der zu bildenden periodischen
Polarisationsumkehrstruktur auf zumindest einer der oberen und unteren
Fläche zu bilden, nämlich den (0001)-Flächen,
die einander ge genüberliegen. Die auf der anderen Fläche
zu bildende Elektrode kann über die gesamte Fläche
einheitlich sein. Selbstverständlich können Elektroden
mit der gleichen periodischen Struktur auf beiden Flächen gebildet
werden.
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4 ist
ein schematisches Diagramm zum Illustrieren des in dem Beispiel
gebildeten Elektrodenmusters. Wie in 4 gezeigt,
wurde der einheitliche untere Elektrodenfilm 10 auf der
unteren Fläche gebildet, und der obere Elektrodenfilm 11 mit
einer periodischen Struktur wurde auf der oberen Fläche der
AlN-Einkristallplatte 9 gebildet, und zwar jeweils durch
das Sputter-Verfahren.
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Platin
wurde als Elektrodenmaterial verwendet. Jedoch kann ein anderes
metallisches Material, wie z. B. Aluminium oder eine Nickel-Chrom-Legierung
für die Elektrodenfilme 10 und 11 verwendet werden.
Die Elektrodenfilme 10 und 11 können
nicht nur durch das Sputter-Verfahren, sondern auch durch konventionelle
Dünnfilmbildungsverfahren, wie z. B. Vakuumabscheidungs-
und Ionenplattierungsverfahren gebildet werden. Ein geeignetes Verfahren kann
abhängig von der Größe des Elementes,
Materialien der Elektrodenfilme 10 und 11 usw.
ausgewählt werden.
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Als
ein Verfahren zum Bilden eines periodischen Musters auf den Elektrodenfilmen 10 und 11 wurde
die Photolithographietechnik, welche allgemein zur Herstellung von
Halbleitervorrichtungen Verwendung findet, angewendet. Wie in 4 gezeigt,
liegt der obere Elektrodenfilm 11 in rechteckiger Form
vor und umfasst einen Bereich mit einem periodischen Muster, wobei
lineare Elektroden 11A und Öffnungen 11B alternierend
angeordnet sind, sowie gemeinsame Verdrahtungsbereiche 11C und 11D zum
Verbinden der linearen Elektroden 11A mit einem Ende einer
Hochspannungs-Leistungsversorgung 14. In der dargestellten
Figur sind die gemeinsamen Verdrahtungsbereiche 11C und 11D als
lineare Bereiche gebildet, welche das obere und das untere Ende
jeder linearen Elektrode 11A verbinden. Das andere Ende
der Hochspannungs-Leistungsversorgung 15 ist mit dem unteren
Elektrodenfilm 10 verbunden.
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Nachdem
der Elektrodenfilm 11 mit einer erwünschten periodischen
Struktur auf der AlN-Einkristallplatte 9 gebildet worden
war, wurde eine Hochspannung an die Elektrodenfilme 10 und 11 angelegt, um
die spontane Polarisierung des relevanten Bereichs umzukehren. Die
Spannung wurde eingestellt innerhalb des Bereichs von einigen kV
bis 10 kV abhängig von dem elektrischen Koerzitivfeld der AlN-Einkristallplatte 9 und
der Dicke des Elements und wurde in Pulsen angelegt. Die Breite
eines Pulses war definiert als etwa einige Zehntel μs,
d. h. 10 μs bis 200 μs. Durch Beobachtung der
zugeführten Gesamtladung, wenn das elektrische Feld angelegt wurde,
Ausführen einer In-situ-Beobachtung der Polarisationsumkehr,
Ausführen einer Ätzung nach der Bildung des Elements
und Beobachten der gebildeten Polarisationsumkehrstruktur wurden
die anzulegende Spannung und die Anlegungszeit pro Puls optimiert.
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Da
sich das anzulegende elektrische Feld zur Zeit der Polarisationsumkehr
in einem gewissen Ausmaß innerhalb des Kristalls erstreckt,
ist die Länge des Bereichs, in dem die Polarisationsumkehr
auftritt, nicht exakt diejenige wie die der Elektroden nach der
Verarbeitung. Die Länge der Elektroden ist normalerweise
kürzer eingestellt als die erwünschte Länge
des Polarisationsumkehrbereichs. In dem Beispiel wurde die optimale
Länge der Elektroden empirisch herausgefunden, aber eine
optimale Elektrodenlänge kann durch Simulieren der elektrischen Feldintensitätsverteilung
innerhalb des Kristalls ermittelt werden.
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Die
an der AlN-Einkristallplatte 9 gebildete Polarisationsumkehrstruktur
ist in 1 gezeigt. Die Pfeile auf beiden Enden des Kristalls
zeigen die Polarisationsrichtung an. In einem tatsächlichen
Polarisationsumkehrprozess ist die Spanne, wo die Elektrodenfilme 10 und 11 nicht
gebildet werden, auf der Peripherie der AlN-Einkristallplatte 9 vorgesehen,
um eine Isolierung zwischen dem oberen und unteren Elektrodefilm 10 und 11 zu
gewährleisten. Dementsprechend existiert ein unvollständiger
Polarisationsumkehrbereich auf der Peripherie der AlN-Einkristallplatte 9.
Wenn jedoch die Polarisationsumkehrstruktur, in der die Polarisationsumkehr
in spezifizierten Perioden erzielt wird, in einem Bereich entlang
der optischen Achse gebildet wird, kann das Wellenlängen-Umwandlungselement 20 seine
Funktion vollständig erfüllen, was nicht überrascht.
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Das
Wellenlängen-Umwandlungselement 20 und 25 gemäß der
vorliegenden Erfindung bildet eine effiziente Tiefultraviolett-Lumineszenzlichtquelle, stellt
ein verkleinertes Festkörperelement dar und bietet somit
eine signifikante industrielle Anwendbarkeit, welche eine effizientere
Verwendung tiefultravioletter Strahlen ermöglicht.
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Zusammenfassung
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Ein
Wellenlängen-Umwandlungselement 20 hat eine periodische
Polarisationsumkehrstruktur, welche in einem nichtlinearen optischen
Kristall gebildet ist, wobei die positive/negative Polarität
periodisch mit einer Periode d alterniert, welche durch die folgende
Formel (1) ausdrückbar ist, und gibt Licht mit einer Frequenz
von 2ω aus einfallenden Licht mit einer Frequenz von ω aus
und ist dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare optische Kristall
ein Nitrid-Einkristall ist: d = mλ/[2(n2ω – nω)] (1)wobei m die
Ordnung der Phasenanpassung darstellt, λ die Wellenlänge
des einfallenden Lichts darstellt, nω den
Brechungsindex des Nitrid-Einkristalls, wie z. B. AlN, für
das Licht mit der Frequenz ω darstellt, und wobei n2ω den Brechungsindex des AlN-Einkristalls,
wie z. B. AlN, für das Licht mit der Frequenz 2ω darstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2002-122898
A [0010]
- - JP 2005-272219 A [0010]
- - WO 2004/083497 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Y. Taniyasu,
M. Kasu und T. Makimoto, Nature 441,325 (2006) [0010]