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GEGENSTAND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung gesteuerter
Domänstrukturen
in ferroelektrischen Materialien, wobei Domänen unterschiedlicher Abschnitte
der Struktur unterschiedliche Polaritäten haben. Ferroelektrische
Strukturen dieser Art werden in Anwendungsfällen eingesetzt, in denen es
notwendig ist, die Eigenschaften elektromagnetischer Strahlung zu ändern, beispielsweise
in nicht linearen optischen Wandlern, wo eine Grundstrahlung mit
einer Frequenz in eine Strahlung mit einer anderen Frequenz umgewandelt
wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNG
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Für ein besseres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung und um zu zeigen, wie diese in der Praxis
umgesetzt werden kann, wird nun rein exemplarisch Bezug genommen
auf die beigefügte
Zeichnung, in der:
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1 eine
schematische Darstellung einer invertiert gepolten Domänstruktur
ist, welche durch ein Verfahren der Art hergestellt ist, auf die
sich die vorliegende Erfindung bezieht;
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2 eine
schematische Darstellung eines Wafers ist, bei dem eine polare Fläche mit
einer gemusterten Schicht eines isolierenden Materials ausgebildet
ist;
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3 eine
schematische Darstellung eines Wafers ist, bei dem benachbart einer
polaren Fläche des
Wafers eine Struktur aus chemisch modifizierten Bereichen erzeugt
ist;
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4 eine
schematische Darstellung eines Wafers ist, bei dem benachbart einer
polaren Fläche des
Wafers eine Struktur aus flachen invertierten Domänen erzeugt
ist;
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5 eine
schematische Darstellung einer Vakuumkammer ist, in der das Verfahren
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird;
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6 die
Temperaturabhängigkeit
der dielektrischen Ansprechzeit und der Schaltzeit eines flux grown
KTP beim elektrischen Feld von 65 kV/cm zeigt;
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7 eine
optische Mikrophotographiedarstellung eines Querschnitts einer periodisch
invertiert gepolten Domänenstruktur
zeigt, die aus einem flux grown KTP-Kristall mittels des Verfahrens
der vorliegenden Erfindung hergestellt ist; und
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8 die
Abhängigkeit
der Intensität
der erzeugten zweiten harmonischen Intensität, erhalten mit einer periodisch
gepolten Domänenstruktur,
die mittels des Verfahrens der vorliegenden Erfindung hergestellt
ist, von der Wellenlänge
der Grundstrahlung zeigt.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Optische
Wandler der angegebenen Art werden als Quellen kohärenter Strahlung
für Anwendungsfälle verwendet,
in denen beispielsweise Laserquellen einer benötigten Strahlungsfrequenz nicht zur
Verfügung
stehen oder in denen die Abstimmbarkeit einer Strahlungsquelle in
einem relativ breiten Frequenzbereich notwendig ist. Um eine wirksame optische
Frequenzwandlung zu erhalten, müssen
die Phasenfortpflanzungsgeschwindigkeiten von Grundstrahlung und
gewandelter Strahlung einander angeglichen werden, d. h. eine Phasenanpassung
sollte vorgesehen sein.
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Die
optische Wandlung der angegebenen Art basiert auf einer nicht linearen
elektronischen Polarisierung, welche in Kristallen beobachtet werden kann,
welche kein Symmetriezentrum haben. Einige Kristalle dieser Art,
nämlich
ferroelektrische Kristalle, sind dadurch gekennzeichnet, dass sie
eine elektrische Spontanpolarisation Ps haben.
Das Vorzeichen ihres nicht linearen optischen Koeffizienten und
ihres elektrooptischen Koeffizienten hängt von der Richtung des Vektors
dieser Spontanpolarisation ab. Die Richtung der Spontanpolarisation
kann umgekehrt werden, indem an den Kristall ein externes elektrisches
Feld angelegt wird, das stärker
als der Kristallschwellenwert, bezeichnet als Koerzitivfeldstärke, ist. Diese
Möglichkeit,
wahlweise die Spontanpolarisation Ps in
den Kristallen zu schalten, macht die ferroelektrischen Materialien
besonders geeignet für
die Herstellung von Strukturen mit abwechselnden Abschnitten, in
denen Domänen
entgegengesetzte elektrische Polaritäten haben. In den abwechselnden Abschnitten
solcher Strukturen hat der nicht lineare optische Koeffizient entgegengesetzte
Vorzeichen, wodurch eine gewünschte
Phasenanpassung erhalten wird.
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Eines
von bekannten Phasenanpassungsverfahren ist die Quasi-Phasenanpassung,
welche solchen ferroelektrischen Strukturen zugeordnet ist, bei
denen die Abschnitte von umgekehrt gepolten Domänen periodisch angeordnet sind.
Diese Strukturen sind als periodisch gepolte Domänstrukturen (PPDS) bekannt
und 1 zeigt ein Beispiel einer derartigen Struktur.
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Die
Herstellung von ferroelektrischen Strukturen der genannten Art kann
auf unterschiedliche Arten durchgeführt werden, wobei eine darauf
basiert, an einen ferroelektrischen Kristallwafer ein externes elektrisches
Feld anzulegen, welches stärker als
die Koerzitivfeldstärke
des Kristalls ist, was die Umkehrung einer Polarachse desselben
bewirkt. Dieses Verfahren umfasst im Wesentlichen die folgenden
Abläufe
an Vorgängen:
- (a) Ausbilden eines Musters an wenigstens einer von
zwei polaren Flächen
des Wafers, damit dieser eine Mehrzahl alternierender diskreter
erster und zweiter Bereiche aufweist, von denen auf erste Bereiche
unmittelbar ein elektrischer Kontakt aufgebracht werden kann und
die zweiten Bereiche davor geschützt
sind;
- (b) Aufbringen von elektrisch leitenden Elektroden auf beide
polare Flächen
des Wafers, so dass die ersten Bereiche der wenigstens einen polaren Fläche in direktem
Kontakt mit den Elektroden sind und die zweiten Bereiche der Fläche vor
einem solchen Kontakt geschützt
sind; und
- (c) Aufbringen einer elektrischen Spannung auf die Elektroden,
um ein elektrisches Feld E gleich oder stärker als die Koerzitivfeldstärke Ec des Materials und schwächer als das Durchbruchsfeld
Ebr des Materials bereit zu stellen.
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Schritt
(a) des obigen Verfahrens kann auf unterschiedliche Arten durchgeführt werden.
So kann an der wenigstens einen polaren Fläche des Wafers eine gemusterte
Schicht eines isolierenden Materials ausgebildet werden, beispielsweise
so, wie hier in
2 gezeigt, oder wie in der
US 5,526,173 offenbart;
oder ausgewählte
Bereiche des Wafers benachbart der polaren Fläche können chemisch modifiziert werden,
um eine nachfolgende Kristallisationskernbildung und das Wachstum
ausgewählter
Domänen zu
unterbinden, wie in der EP-A-0687941 offenbart oder in der vorliegenden
3 dargestellt.
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Die
an die polaren Flächen
des Wafers im Schritt (b) des obigen Verfahrens aufgebrachten Elektroden,
insbesondere die Elektrode, welche auf die gemusterte polare Fläche des
Wafers aufgebracht wird, kann entweder in Form einer durchgehenden
Schicht oder in Form einer Reihe separater Elektroden sein, von
denen jede direkt mit einem entsprechenden ersten Bereich in Verbindung
ist.
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Das
im obigen Schritt (c) an den Wafer angelegte elektrische Feld E
wird nachfolgend als "Schaltfeld" bezeichnet und die
Spannung, mittels der ein solches Feld erzeugt wird, wird als "Schaltspannung" bezeichnet. Der
Zweck von Schritt (C) ist, das Schalten der kristallinen Polarität in denjenigen
Abschnitten des Wafers zu bewirken, welche den ersten Bereichen
zugeordnet sind, wohingegen in den Abschnitten, welche den zweiten
Bereichen zugeordnet sind, die ursprüngliche Polarität unverändert verbleibt.
Für die
meisten Anwendungsfälle
ist es wünschenswert,
dass das Schalten derart durchgeführt wird, dass Schnittstellen
zwischen den Abschnitten mit entgegengesetzten Polaritäten parallel
zueinander sind und sich durch den gesamten Kristallkörper von
einer seiner polaren Flächen
zu der anderen erstrecken.
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Die
meisten Abläufe
zur Herstellung von invertiert gepolten Strukturen werden momentan durchgeführt bei
und die hierzu verwendeten Anlagen sind für Betrieb bei Raumtemperatur
ausgelegt. Jedoch zeigten die meisten Versuche zur Verwendung dieser
Prozesse bei der Herstellung von periodischen ferroelektrischen
Strukturen, insbesondere mit feinen Unterteilungen zwischen den
Abschnitten, aus üblicherweise
erhältlichen
ferroelektrischen Kristallen ernsthafte Gleichförmigkeitsprobleme, welche das
Haupthindernis für
die breite Anwendung solcher Strukturen, insbesondere für große optische
Vorrichtungen bilden, welche Betriebe mit optischen Hochleistungsflüssen ermöglichen.
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Die
Materialien, welche üblicherweise
für die Herstellung
von Strukturen invertiert gepolter Domänen verwendet werden, sind
hochisolierende ferroelektrische Kristalle, beispielsweise LiTaO3, LiNbO3, KTiOPO4 (KTP) und RbTiOAsO4.
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LiNbO3 und LiTaO3 sind
die häufigsten.
Von diesen Materialien ist jedoch bekannt, dass sie bei Raumtemperatur
sehr hohe Koerzitivfeldstärken
haben und daher die Anwendung extrem hoher Schaltfelder notwendig
machen, d. h. ungefähr
260 kV/cm. Solche hohen Felder führen
zu seitlichen Verschiebungen von Domänenwänden, was die Herstellung gleichförmiger Strukturen
mit kleinen Perioden sehr schwierig, wenn nicht unmöglich macht.
Da weiterhin die Intensität
des elektrischen Feldes von der angelegten Schaltspannung und der
Dicke des Wafers abhängt,
können
die hohen elektrischen Schaltfelder entweder durch Anheben der angelegten
Schaltspannung oder durch die Verwendung von dünnen Wafern erhalten werden.
Der Maximalwert der anlegbaren Schaltspannung ist jedoch durch praktische Überlegungen
begrenzt, welche äußerst strenge
Einschränkungen
hinsichtlich der maximalen Dicke von Wafern mit sich bringen. Somit
beträgt
die maximale Dicke bei einem Kristall von LiNbO3 oder
LiTaO3 zum Erhalt der vollständigen Polaritätsumkehr
bei Raumtemperatur ungefähr
0,5 mm, wohingegen mit höherer
Dicke die Polaritätsumkehr
nicht erhalten werden kann.
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Die
US 5,526,173 und die
US 5,193,023 schlagen die
Herstellung von invertiert gepolten Domänenstrukturen dieser Kristalle
bei Temperaturen höher
als Raumtemperatur vor. Diese Druckschriften lehren keine Bedingungen,
bei welchen andere Kristalle, beispielsweise KTP-Kristalle für eine derartige Herstellung
verwendet werden können.
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Bei
KTP-Kristallen und einigen ihrer Isomorphe sind die Koerzitivfeldstärken bei
Raumtemperatur relativ niedrig (ungefähr 25 kV/cm) und daher benötigen sie
für die
Polaritätsumkehr
nicht das Anlegen hoher elektrischer Felder. Diese Kristalle haben auch
einen höheren
optischen Schadensschwellenwert als LiNbO3 und
sind daher für
eine optische Umwandlung besser geeignet. Angesichts der Tatsache, dass
die elektrische Leitfähigkeit
der meisten üblicherweise
erhaltbaren KTP-Kristalle für
den elektrischen Polungsprozess zu hoch ist (σ ≈ 10–7 +
10–8 Ω–1cm–1,
ist es jedoch sehr schwierig, die gewünschte Domänenpolung in den ersten ungeschützten Bereichen
zu erhalten, während
ausreichender Schutz in den zweiten Bereichen sichergestellt ist.
Somit führten
die meisten Versuche zur Verwendung der relativ hochleitfähigen ferroelektrischen
Kristalle, beispielsweise flux grown KTP-Kristallen, für die Herstellung von
invertiert gepolten Domänenstrukturen
zu extrem ungleichmäßigen Strukturen.
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Daher
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung
einer invertiert gepolten Domänenstruktur
eines ferroelektrischen Kristallwafers zu schaffen, bei dem die
oben erläuterten
Probleme beseitigt sind. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein steuerbares Verfahren zur Herstellung einer invertiert
gepolten Domänenstruktur
mit hoher Qualität,
hoher Gleichförmigkeit
und hoher Auflösung
zu schaffen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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In
der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen ist der Ausdruck "dielektrische Ansprechzeit τres" definiert als τres = κε/σ, wobei κ die Dielektrizitätskonstante
ist, ε die
elektrische Feldkonstante ist und σ die elektrische Leitfähigkeit
eines ferroelektrischen Kristalls ist. Der Ausdruck "Schaltzeit τsw" bedeutet die Zeit,
während
der die vollständige Domänenpolaritätsumkehr
in dem ferroelektrischen Kristall bei einer bestimmten Intensität eines
angelegten elektrischen Felds auftritt die dielektrische Ansprechzeit
als auch die Schaltzeit hängen
von der Temperatur ab, bei der das elektrische Feld an den Kristall
angelegt wird und es gibt eine Temperatur Tx, bei
der die dielektrische Ansprechzeit τres gleich
der Schaltzeit τsw wird und oberhalb der τres < τsw Und
unterhalb der τres > τsw.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren geschaffen zur Herstellung einer invertiert gepolten
Domänenstruktur
mit alternierenden Abschnitten entgegengesetzter elektrischer Polaritäten aus
einem ferroelektrischen Kristallwafer mit zwei entgegengesetzten
polaren Flächen,
wobei das Verfahren aufweist:
- (a) Ausbilden
eines Musters auf zumindest einer der zwei polaren Flächen des
Wafers, damit dieser eine Mehrzahl alternierender diskreter Bereiche
aufweist, von denen auf erste Bereiche unmittelbar ein elektrischer
Kontakt aufgebracht zu werden vermag und von denen zweite Bereiche davor
geschützt
sind;
- (b) Aufbringen von elektrisch leitenden Elektroden auf beide
polaren Flächen
des Wafers, so dass die ersten Bereiche in unmittelbarem Kontakt
mit den Elektroden sind und die zweiten Bereiche vor einem solchen
Kontakt geschützt
sind;
- (c) Aufbringen eines elektrischen Feldes der Intensität E auf
die Elektroden, welches die Bedingung Ebr > E > Ec erfüllt, wobei
Ec das Koerzitivfeld des ferroelektrischen
Kristalls und Ebr das Durchschlagsfeld des
ferroelektrischen Kristalls ist;
wobei das elektrische Feld
an den Wafer bei einer Arbeitstemperatur Tw angelegt
wird, welche die Bedingung Tmin < Tw < Tx erfüllt, wobei
die Temperatur Tmin die Mi nimaltemperatur
ist, bei der die Intensität
E des schaltenden elektrischen Feldes noch die Bedingung Ebr > E ≥ Ec erfüllt,
der ferroelektrische Kristall eine dielektrische Ansprechzeit τresp bei
Raumtemperatur kürzer
als seine Schaltzeit τsw bei der gewählten Intensität E des schaltenden
elektrischen Feldes hat und die Temperatur Tx niedriger
als Raumtemperatur hat.
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Im
Zusammenhang der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck "Schaltzeit τsw" die Zeit, während der
die vollständige
Domänenpolaritätsumkehr
in den Abschnitten des Wafers auftritt, die den ersten ungeschützten Bereichen
der polaren Fläche hiervon
zugeordnet sind. Die Schaltzeit definiert tatsächlich die Zeit, welche für die in
den Wafer durch einen externen elektrischen Strom injizierte Ladung notwendig
ist, um den Wert von 2Ps·S1 zu
erreichen, wobei Ps die elektrische Spontanpolarisierung
des ferroelektrischen Materials ist und S1 der
gesamte Oberflächenbereich
der ersten Bereiche ist. Andererseits definiert die dielektrische
Ansprechzeit τres die Zeit, während der die Ladung, die innerhalb
des Kristallkörpers
zwischen den polaren Flächen
des Wafers an den zweiten geschützten
Bereichen driftet, den Wert von 2Ps·S2 erreicht, wobei S2 der
gesamte Oberflächenbereich
der zweiten Bereiche ist.
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Für eine vollständige Domänenpolaritätsumkehr
in den Waferabschnitten, die den ersten Bereichen des Wafers zugeordnet
sind, darf ein Zeitintervall τdur, während
dem das Schaltfeld an den ferroelektrischen Kristallwafer angelegt
wird, nicht kürzer als
die Schaltzeit τsw sein. Andererseits sollte, um ein Schalten
in denjenigen Abschnitten des Wafers zu vermeiden, die den zweiten
geschützten
Bereichen zugeordnet sind, das Zeitintervall τdur wesentlich
kürzer
als die dielektrische Ansprechzeit τres der
geschützten
Bereiche sein. Daher sollte die Zeit τdur gemäß der vorliegenden
Erfindung so gewählt
werden, dass die obige Bedingung τsw < τdur < τres erfüllt ist.
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Wie
oben erwähnt
ist gemäß der vorliegenden
Erfindung die Arbeitstemperatur Tw, bei
der das elektrische Feld an die Elektroden angelegt wird, niedriger
als Raumtemperatur. Dieser Modus basiert auf der Erkenntnis, dass
in einigen ferroelektrischen Materialien, insbesondere denjenigen,
die relativ hohe elektrische Leitfähigkeit haben, die Temperatur Tx, unterhalb der eine dielektrische Ansprechzeit τres des
Kristalls länger
als eine Schaltzeit τsw des Kristalls bei einer gewählten Intensität E des
elektrischen Feldes niedriger als Raumtemperatur ist, wohingegen
bei Raumtemperatur ihre dielektrische Ansprechzeit τres kürzer als
die Schaltzeit τsw ist. So beträgt bei spielsweise bei einem
angelegten elektrischen Feld im Bereich von 25 kV/cm bis 65 kV/cm
die dielektrische Ansprechzeit τres von KTP-Kristallen bei Raumtemperatur
ungefähr
30–300 μs, wohingegen die
Schaltzeit τsw im Bereich von 1,66–0,075 ms liegt. Infolgedessen
ist es bei Raumtemperatur praktisch unmöglich, mit den meisten üblicherweise
verfügbaren
KTP-Kristallen das Zeitintervall τdur für
die Anlegung des elektrischen Feldes, bei dem die erfindungsgemäß gestellte
Bedingung erfüllt
ist, zu wählen,
so dass ein steuerbares Verfahren zur Herstellung, welches hiermit
hergestellte hoch qualitative ferroelektrische Strukturen schafft,
nicht möglich
ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
weist das Verfahren einen Startschritt des Modifizierens des Kristalls
zur Änderung
seiner Leitfähigkeit
und hierdurch zum Erhöhen
der dielektrischen Ansprechzeit τres auf, um die Bedingung τres > τsw zu
erfüllen.
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Bevorzugt
erfüllt
das Zeitintervall τdur die Bedingung: (1 ÷ 3)τsw ≤ τdur ≤ (0,1 ÷ 0,3)τres
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Das
an den Wafer in allen Moden des Verfahrens der vorliegenden Erfindung
angelegte Schaltfeld kann in Form einer Pulsabfolge sein, deren
Gesamtdauer definiert ist durch τdur.
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Für die Musterausbildung
an der wenigstens einen polaren Fläche des Wafers können unterschiedliche
Verfahren verwendet werden, beispielsweise das Ausbilden einer gemusterten
Schicht an einer der polaren Flächen
eines isolierenden Materials oder das Ausbilden entweder einer Struktur
von chemisch modifizierten Bereichen oder einer Struktur von flachen
invertierten Domänen
benachbart einer der polaren Flächen.
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Bevorzugt
wird der Ablauf (c) des Verfahrens der vorliegenden Erfindung durchgeführt mit
einem auf einem temperaturgesteuerten Gestell angebrachten Wafer
in einer Vakuumkammer.
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Bevorzugt
ist das beim Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendete ferroelektrische
Material entweder Kl–xRBxTiOPl–yAsyO4 (l ≥ x 0, l ≥ y ≥ 0); oder
Al–xBxTil–zNbzOPl–yAsyO4 (l ≥ x ≥ 0, l ≥ y ≥ 0, l ≥ z ≥ 0), wobei
A und B eines der Alkali elemente Na, K, Cs, Gb oder H ist; oder
LiNbl–xTaxO3 ((l ≥ x ≥ 0); oder KNbl–xTaxO3 (l ≥ x ≥ 0).
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Die
invertiert gepolten Domänenstrukturen, die
durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden,
können
periodisch und nichtperiodisch sein und können für unterschiedliche Zwecke bei
der Umwandlung elektromagnetischer Strahlung verwendet werden. Periodisch
gepolte Domänenstrukturen,
die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden,
sind insbesondere verwendbar zur Bereitstellung einer Quasi-Phasenanpassung
für eine
Anwendung beispielsweise in zweiten harmonischen Generatoren, Summenfrequenzgeneratoren,
Differenzfrequenzgeneratoren, optischen Parameteroszillatoren etc.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER WEGE DES VERFAHRENS DER ERFINDUNG
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1 ist
eine schematische Darstellung einer invertiert gepolten Domänenstruktur 1,
die durch ein Verfahren der Art hergestellt ist, auf welche sich die
vorliegende Erfindung bezieht. Wie zu sehen ist, ist die Struktur 1 periodisch
und hat eine reguläre
Domänenkonfiguration,
bei der ein Vektor einer spontanen Polarisierung Ps in
benachbarten Abschnitten 2 und 3 der Struktur
entgegengesetzte Richtungen hat. Die Struktur hat eine Modulationsperiode Λ und ist dafür ausgelegt,
eine Strahlung mit einer Grundfrequenz ω in eine Strahlung mit einer
zweiten harmonischen Frequenz 2 ω umzuwandeln.
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Zur
Herstellung der Struktur gemäß 1 aus
einem ferroelektrischen Kristallwafer mit zwei polaren Flächen 6 und 7 wird
wenigstens eine polare Fläche
des Wafers, nämlich
die polare Fläche 6,
zunächst
mit einem Muster versehen, um abwechselnde erste und zweite Bereiche 8 und 9 zu
haben derart, dass die ersten Bereiche 8 für das direkte
Aufbringen eines elektrischen Kontaktes hierauf ausgelegt sind und
die zweiten Bereiche 9 hiervon geschützt sind.
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Die
Musterung der polaren Fläche 6 kann durch
eine der folgenden Möglichkeiten
durchgeführt werden,
wie sie unter Bezug auf die 2, 3 und 4 beschrieben
werden.
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2 zeigt
die polare Fläche 6 eines
Wafers, die mit einer dünnen
isolierenden Schicht (0,5–1,0 μm) eines
Photoresist-Materials 5 beschichtet ist, welche mittels
irgendeiner bekannter Mikrolithographie-Technik gemustert ist. Somit
bedeckt das Photoresist 5 nur die Bereiche 9 des
Wafers, so dass diese Bereiche vor der direkten Anlegung eines elektrischen
Feldes geschützt
sind. Alternativ kann das Photoresist durch Isolatoren wie beispielsweise
SiO2 oder Si3N4 ersetzt werden.
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3 zeigt
den Wafer, der in den Bereichen 9 chemisch modifiziert
ist, um eine Domänen-Kristallisationskernbildung
und Wachstum zu unterbinden. Dieses Verfahren ist in der EP-A-687941
offenbart.
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4 zeigt
den Wafer mit einer flachen Musterung invertierter Domänen in den
Bereichen 9. Dieses Verfahren beruht im Wesentlichen auf
der Herstellung einer Bi-Domänenstruktur
in einem ferroelektrischen Material, bestehend aus zwei benachbarten
Domänen
entgegengesetzter Polaritätat,
die in einer "Kopf-on-Kopf" "Schwanz-an-Schwanz"-Weise entlang der Polarachse des Materials
ausgerichtet sind, wodurch in der Praxis eine hochstabile invertiert gepolte
Domänenschicht
an den Bereichen 9 des Wafers senkrecht zu dessen Polarachse
geschaffen ist, welche die Bereiche 9 vor einem Einfluss
durch ein angelegtes elektrisches Feld schützt. Wenn beispielsweise der
Wafer ein KTP-Kristall ist, wird die invertiert gepolte Domänenschicht
bevorzugt mittels einer Rb-Eindiffundierung auf die C-polare Fläche 6 des
Wafers gebildet. Der Ablauf bei der Ausbildung solch einer Schicht
ist in D. Eger, M. Oron und M. Katz, J. Appl. Phys., 74, Seiten
4298–4302,
1993, beschrieben. Alternativ kann die Bi-Domänenstruktur durch selektives
Anlegen kurzer elektrischer Pulse an die Bereiche 9 des
Wafers hergestellt werden oder durch Aussetzen der polaren Fläche 6 gegenüber einem
Elektronenstrahl oder einem anderen Strahl geladener Partikel oder
durch unterschiedliche Arten von Diffusionsbehandlung.
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Wie
in den 2, 3 und 4 zu sehen ist,
wird die gemusterte polare Fläche 6 und
die gegenüber
liegende polare Fläche 7 des
Wafers weiterhin mit durchgehenden metallischen Schichten überzogen,
welche Schaltelektroden 10 und 11 bilden, wobei
die ersten Bereiche 8 direkt mit der Elektrode 10 kontaktieren
und die zweiten Bereiche 9 vor einem direkten Kontakt hiermit
geschützt
sind. Alternativ kann die durchgehende Elektrode 10, die
auf der gemusterten polaren Fläche 6 des
Wafers angeordnet ist, in Form eines Arrays separater Elektroden
sein, welche jeweils direkt mit einem entsprechenden ersten Bereich 2 (nicht
gezeigt) in Verbindung sind.
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Wie
in 5 schematisch gezeigt, wird der wie oben beschrieben
vorbereitete Wafer in einer Vakuumkammer 16 bevorzugt auf
einem temperaturgesteuerten Gestell 15 angeordnet. Die
Elektroden 10 und 11 sind mit einer elektrischen
Energieversorgung verbunden, welche schematisch mit 20 bezeichnet ist.
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Nachfolgend
wird die Temperatur des Wafers auf eine Arbeitstemperatur Tw gebracht und ein Puls einer Schaltspannung
wird an die Elektroden 10 und 11 so angelegt,
dass das Schaltfeld mit einer bestimmten Intensität E geschaffen
wird, wobei die Pulsdauer τdur ist, welche die Bedingung τsw < τdur < τres erfüllt. Hierdurch
wird sichergestellt, dass die Domänen vollständig in den den Bereichen 8 der
polaren Fläche 6 zugeordneten
Abschnitten 2 des Wafers invertiert werden, welche in direktem
Kontakt mit der Elektrode 10 sind, und in dem den Bereichen 9 zugeordneten
Abschnitt 3 des Wafers, welche wie unter Bezug auf die 2, 3 und 4 beschrieben geschützt sind,
nicht invertiert werden.
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Es
ist festzuhalten, dass eine alternative Lösung zur Erfüllung der
obigen Bedingung existiert, welche im Modifizieren des Kristalls
besteht, derart, dass seine Leitfähigkeit geändert wird, um die dielektrische
Ansprechzeit τres zu erhöhen, so dass die Bedingung τres > τsw erfüllt ist.
Dies kann beispielsweise mittels eines Verfahrens gemacht werden,
wie es von P. A. Morris et al., Reduction of ionic conductivity
of flux grown KTiOPO4, Journal of Crystal
Growth, 109 (1991), 367–375
beschrieben ist.
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Es
wird nun beschrieben, wie gemäß der vorliegenden
Erfindung die Arbeitstemperatur Tw und das
Zeitintervall τdur, während
der das schaltende elektrische Feld an den Wafer angelegt werden
sollte, gewählt
werden.
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Es
wird ein Bereich der Arbeitstemperatur Tw gebildet,
in dem die Bedingung Tmin < Tw < Tx erfüllt ist,
wobei die Temperatur Tmin die Minimaltemperatur ist,
bei der die Intensität
E des schaltenden elektrischen Feldes noch die Bedingung Ebr > E ≥ Ec erfüllt, wobei
Ec = Ec(T) das Koerzitivfeld
des ferroelektrischen Kristalls ist und Ebr =
Ebr(t) das Durchschlagsfeld des ferroelektrischen
Kristalls ist und wobei Tx die Temperatur
ist, unterhalb der die dielektrische Ansprechzeit τes = τres(T)
des Kristalls länger
als die Schaltzeit τsw = τsw(T) des Kristalls bei der gewählten Intensität E des
schaltenden elektrischen Feldes ist. Die oben genannten Parameter
können
auf der Grundlage physikalischer Messungen des ferroelektrischen
Kristalls bestimmt werden, welche an einem Wafer-Referenzstück durchgeführt werden.
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Es
wird nun als Beispiel unter Bezugnahme auf 6 beschrieben,
wie Tw und τdur für einen
flux grown KTP-Kristall gewählt
werden. Wie in 6 zu sehen ist, hängen die
dielektrische Ansprechzeit τres und die Schaltzeit τsw von
der Temperatur ab, bei der das schaltende elektrische Feld an den
Wafer angelegt wird. Wie zu sehen ist, ist bei der Intensität des schaltenden
elektrischen Feldes von 65 kV/cm die dielektrische Ansprechzeit τres des
Kristalls kürzer
als seine Schaltzeit τsw bei einer Temperatur höher als ungefähr Tx, wobei bei einer Temperatur niedriger als Tx die dielektrische Ansprechzeit τres länger als
die Schaltzeit τsw ist. Somit muss das schaltende elektrische
Feld an den Wafer bei der Arbeitstemperatur Tw angelegt
werden, welche erheblich niedriger als die Temperatur Tx ist
und für
ein Zeitintervall τdur, welches kürzer als die dielektrische
Ansprechzeit τres und zumindest nicht kürzer als die Schaltzeit τsw ist.
Jedoch muss die Arbeitstemperatur Tw notwendigerweise
höher als
die oben definierte Tmin sein.
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Experimente
zeigen, dass es, um ein Rückschälten an
den Abschnitten 2 des Wafers zu vermeiden, die den ersten
ungeschützten
Bereichen des Wafers zugeordnet sind, und um sicher zu stellen, dass
absolut keine Änderungen
in der Polarität
der Abschnitte 3 auftreten, die den zweiten geschützten Bereichen
zugeordnet sind, bevorzugt ist, dass die Arbeitstemperatur Tw niedriger ist als die Temperatur, bei der
die Schaltzeit τsw gleich rres/10
ist und das Zeitintervall τdur die folgende Bedingung erfüllt: (1 ÷ 3)τsw ≤ τdur ≤ (0,1 ÷ 0,3)τres
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Es
folgen zwei Beispiele der Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens.
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Beispiel 1
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Eine
periodisch gepolte Domänenstruktur
eines Eindomänen-flux-grown-,
z-geschnittenen KTP-Wafers
wurde wie folgt hergestellt. Der Wafer wurde mit einem Muster versehen,
um erste und zweite räumliche
Bereiche zu haben durch die Ausbildung einer photoresist-gemusterten
Schicht mit einer Modulationsperiode = Λ = 18 μm auf der z+-polaren
Fläche
des Wafers. Beide polaren Flächen
des Wafers wurden mit den Elektrodenschichten aus Ti mit einer Dicke
von ungefähr
1000 Å beschichtet.
Der Wafer wurde in einer Vakuumkammer angeordnet und die Temperatur
wurde auf Tw = –57°C festgelegt. Bei dieser Temperatur
beträgt
die Leitfähigkeit
des Kristalls σ =
2,09 × 10–12 Ω–1cm–1 und
die dielektrische Ansprechzeit τres beträgt
1,27 s. Bei dem angelegten schaltenden elektrischen Feld von 65
kV/cm ist die Schaltzeit τsw gleich 2,37 ms. Das Zeitintervall, während dem
das schaltende elektrische Feld an den Wafer angelegt wurde, wurde
auf 5,5 ms gewählt.
Die periodisch invertierten gepolten Domänenstrukturen, die wie oben
hergestellt wurden, hatten eine Unterteilung invertierter Domänen hoher
Qualität über den gesamten
Wafer von der vorderen bis zur hinteren Fläche desselben (vergleiche 7)
und zeigten die Fähigkeit
einer Erzeugung der zweiten Harmonischen nahe der theoretischen
Möglichen.
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Beispiel 2
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sEine
periodisch gepolte Domänenstruktur wurde ähnlich zu
der Struktur von Beispiel 1 hergestellt, hatte jedoch eine Dicke
von 0,5 mm, eine Länge
von 9 mm und eine Periode von 6,9 μm. 8 zeigt
die Intensität
der Erzegung einer zweiten harmonischen Strahlung, welche mittels
dieser Struktur erhalten wurde als Funktion der Wellenlänge einer Grund-IR-Strahlung.
Die schmale Breite der Spitze bei 980,5 nm und ihre Intensität zeigen,
dass die Domänenpolaritätsumkehr über die
gesamte Länge
des Wafers aufgetreten war. Wie zu sehen ist, kann das Verfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung sehr gut zur Herstellung von PPDSs mit sehr geringen Perioden
verwendet werden, beispielsweise denjenigen, die zur Erzeugung von
UV-Strahlung notwendig sind, was mit herkömmlichen Techniken kaum möglich ist.
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Schließlich können invertiert
gepolte Domänenstrukturen,
welche durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt
werden, periodisch und nicht periodisch sein und können für verschiedene
Zwecke bei der Umwandlung elektromagnetischer Strahlung verwendet
werden. Periodisch invertiert gepolte Domänenstrukturen, die durch das
Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, sind besonders
einsetzbar bei der Bereitstellung einer Quasi-Phasenanpassung zwischen
wenigstens zwei Strahlungsstrahlen, die sich innerhalb der Struktur fortpflanzen,
was bei zweiten harmonischen Generatoren, Summenfrequenzgeneratoren,
Differenzfrequenzgeneratoren, optischen Parameteroszillatoren und
dergleichen verwendet werden kann. Diese Strukturen können auch
zum Zweck der optischen Schaltung, des Abtastens und der Modulation
verwendet werden.