JP2010059030A - Garnet single crystal substrate and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光アイソレータや光スイッチとして利用されている磁気光学素子用ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を育成するためのガーネット単結晶基板とその製造方法に関する。特に、格子定数が大きく、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜にビスマスを多量に固溶可能なガーネット単結晶基板に関する。 The present invention relates to a garnet single crystal substrate for growing a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film for a magneto-optical element used as an optical isolator or an optical switch, and a manufacturing method thereof. In particular, the present invention relates to a garnet single crystal substrate having a large lattice constant and capable of dissolving bismuth in a large amount in a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film.
従来の電気通信システムに代わって、光通信システムの利用が急速に進展しつつある。ファラデー回転子は、光通信システムの光源として用いられている半導体レーザーが反射光の影響を受けて動作が不安定になることを防止するための光アイソレータに用いられている。このファラデー回転子として、一般に、磁性ガーネット単結晶膜が用いられている。
ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶（以下「BIG」と記す）は、近赤外領域で優れた透明性と大きなファラデー効果を示す優れた材料である。BIGの厚膜（厚さ数百μｍ）は、通常、液層エピタキシャル法（LPE法）により、非磁性のガーネット基板上に育成されて作製される。このような厚いBIG膜を育成するには、BIG膜の格子定数とできるだけ等しい格子定数の基板を用いるのが好ましい。基板を構成する単結晶とその上に育成される単結晶の格子定数が大きく異なる場合は、単結晶膜に結晶欠陥が形成されたり、ストレスによって基板が反ったり割れたりする問題が発生する。
The use of optical communication systems is rapidly advancing instead of conventional telecommunications systems. The Faraday rotator is used in an optical isolator for preventing a semiconductor laser used as a light source in an optical communication system from being unstable due to the influence of reflected light. In general, a magnetic garnet single crystal film is used as the Faraday rotator.
Bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal (hereinafter referred to as “BIG”) is an excellent material that exhibits excellent transparency and a large Faraday effect in the near infrared region. A BIG thick film (thickness of several hundred μm) is usually grown and produced on a non-magnetic garnet substrate by a liquid layer epitaxial method (LPE method). In order to grow such a thick BIG film, it is preferable to use a substrate having a lattice constant equal to that of the BIG film as much as possible. In the case where the lattice constants of the single crystal constituting the substrate and the single crystal grown thereon are greatly different from each other, there are problems that crystal defects are formed in the single crystal film or the substrate is warped or cracked due to stress.
BIG膜育成用のガーネット基板としては、格子定数12.497Åの(CaGd)3(MgZrGa)5O12からなるSGGG基板や格子定数12.509ÅのNd3Ga5O12からなるNGG基板が知られている。しかし、より大きなファラデー効果を得るためには、より大きな格子定数のBIG膜の作製が望まれている。
格子定数の大きなガーネット結晶としては、非特許文献１に、希土類酸化物と酸化ガリウム混合物の固相反応下でガーネット相が出現するとの報告がなされている。しかし、これは研究室レベルの報告であり、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を工業的に育成する基板として必要な１インチ以上の大きさでクラックの無い結晶性の良好な単結晶の作製に成功したとの報告はまだなされていない。
特許文献１には、「格子定数が12.53Å以上12.64Å以下の値を有するガーネット単結晶を基板として該基板上に液相エピタキシャル成長させた、組成式がGd3-xBixFe5O12である液相エピタキシャル磁性ガーネット単結晶」が開示されている。特許文献１に開示された実施例は、いずれも厚さが30〜70μｍの薄膜の単結晶を作製する実施例である。特に、特許文献１の実施例３では、基板結晶に格子定数が12.64ÅのSm3Sc2Ga3O12を用いた場合に、厚さ70μｍの磁性ガーネット単結晶膜を形成した例が記載されているが、このような基板を用い厚さ数百μｍの厚膜の磁性ガーネット単結晶膜を形成すると内部歪みが大きくなることが確認されている。
特許文献２には、引上げ法、LPE法、気相堆積法などの製法でガーネット型化合物を作製するときに、どのようなイオン半径の元素を用いた場合に格子定数をいくらにすれば得られる単結晶がガーネット構造になるかについての材料設計理論が記載されている。しかし、特許文献２に記載されたSm3Sc2Ga3O12の格子定数は特許文献２の表１の２１項に示されるように12.64Åであり、この値の格子定数で厚膜単結晶を作製すると内部歪みが大きくなることは上記した通りである。
As a garnet substrate for growing a BIG film, an SGGG substrate made of (CaGd) 3 (MgZrGa) 5 O 12 having a lattice constant of 12.497 や and an NGG substrate made of Nd 3 Ga 5 O 12 having a lattice constant of 12.509 て い る are known. . However, in order to obtain a larger Faraday effect, it is desired to produce a BIG film having a larger lattice constant.
As a garnet crystal having a large lattice constant, Non-Patent Document 1 reports that a garnet phase appears under a solid-phase reaction of a rare earth oxide and gallium oxide mixture. However, this is a lab-level report and succeeded in producing a single crystal with good crystallinity with a size of 1 inch or more that is necessary as a substrate for industrial growth of bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystals. No report has been made yet.
Patent Document 1, "lattice constant was a liquid phase epitaxial growth on the substrate as the substrate a garnet single crystal having a 12.64Å following values above 12.53A, composition formula in Gd 3-x Bi x Fe 5 O 12 Some liquid phase epitaxial magnetic garnet single crystals "are disclosed. Each of the examples disclosed in Patent Document 1 is an example for producing a thin single crystal having a thickness of 30 to 70 μm. In particular, Example 3 of Patent Document 1 describes an example in which a magnetic garnet single crystal film having a thickness of 70 μm is formed when Sm 3 Sc 2 Ga 3 O 12 having a lattice constant of 12.64 mm is used as a substrate crystal. However, it has been confirmed that when such a substrate is used to form a magnetic garnet single crystal film having a thickness of several hundred μm, the internal strain increases.
In Patent Document 2, when a garnet-type compound is produced by a production method such as a pulling method, an LPE method, or a vapor deposition method, the lattice constant can be obtained by using any ion radius element. The material design theory about whether a single crystal becomes a garnet structure is described. However, the lattice constant of Sm 3 Sc 2 Ga 3 O 12 described in Patent Document 2 is 12.64 mm as shown in Table 21 of Table 1 of Patent Document 2, and a thick film single crystal is obtained with this value of the lattice constant. As described above, the internal strain increases when the is manufactured.
本発明は、大きなファラデー効果が得られ、かつ、優れた結晶性のビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶厚膜を育成可能なガーネット単結晶基板、及び、その製造方法の提供を目的とする。 An object of the present invention is to provide a garnet single crystal substrate capable of producing a large Faraday effect and capable of growing an excellent crystalline bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal thick film, and a method for producing the same.
本発明（１）は、サマリウムの酸化物、スカンジウムの酸化物、及び、ガリウムの酸化物を原子比で、
Sm : Sc : Ga = 3 : p : q (ただし、0≦p≦2.0, 3.0≦q≦5.0)
の量比で混合し、得られた混合物を原料として用い、チョクラルスキー法によりガーネット単結晶を育成するガーネット単結晶の製造方法である。
本発明（２）は、サマリウムの酸化物、スカンジウムの酸化物、及び、ガリウムの酸化物を原子比で、
Sm : Sc : Ga = 3 : p : q (ただし、1.0≦p≦2.0, 3.0≦q≦4.0)
の量比で混合し、得られた混合物を原料として用い、チョクラルスキー法によりガーネット単結晶を育成するガーネット単結晶の製造方法である。
本発明（３）は、サマリウムの酸化物、スカンジウムの酸化物、及び、ガリウムの酸化物を原子比で、
Sm : Sc : Ga = 3 : p : 5 - p (ただし、1.0≦p≦2.0)
の量比で混合し、得られた混合物を原料として用い、チョクラルスキー法によりガーネット単結晶を育成するガーネット単結晶の製造方法である。
本発明（４）は、前記サマリウムの酸化物、前記スカンジウムの酸化物、及び、前記ガリウムの酸化物の純度が99.9%以上であることを特徴とする前記発明（１）乃至前記発明（３）のガーネット単結晶の製造方法である。
本発明（５）は、前記単結晶を育成する際の雰囲気が、不活性ガス中に、酸素を体積基準で0.5%以上3.0%以下の比率で含む混合ガスであることを特徴とする前記発明（１）乃至前記発明（４）のガーネット単結晶の製造方法である。
本発明（６）は、組成式が、Sm3ScxGa5-xO12
(0≦x≦2.0) で表され、格子定数が12.50Å以上、12.62Å以下であることを特徴とするガーネット単結晶である。
本発明（７）は、組成式が、Sm3ScxGa5-xO12
(0≦x≦2.0) で表され、前記発明（１）乃至前記発明（５）のガーネット単結晶の製造方法により製造されるガーネット単結晶である。
本発明（８）は、格子定数が12.50Å以上、12.62Å以下であることを特徴とする前記発明（７）のガーネット単結晶である。
本発明（９）は、組成式が、
R3-zBizFe5-wMwO12
(ただし、0 ≦ z ≦ 2.0, 0 ≦ w ≦ 2.0, RはY, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er,
Tm, Yb, Luからなる元素群から選択される一つの元素、 MはIn, Sc, Ga, Alからなる元素群から選択される一つの元素)
で表されるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜をLPE法で形成するための基板として用いることを特徴とする前記発明（６）乃至前記発明（８）のガーネット単結晶である。
本発明（１０）は、前記ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の厚さが、100μm以上であることを特徴とする前記発明（９）のガーネット単結晶である。
本発明（１１）は、前記発明（９）又は前記発明（１０）のガーネット単結晶からなる基板上に形成されたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜をファラデー回転子として用いる磁気光学素子である。
The present invention (1) includes samarium oxide, scandium oxide, and gallium oxide in atomic ratios.
Sm: Sc: Ga = 3: p: q (However, 0 ≦ p ≦ 2.0, 3.0 ≦ q ≦ 5.0)
The garnet single crystal is produced by growing the garnet single crystal by the Czochralski method using the obtained mixture as a raw material.
The present invention (2) includes samarium oxide, scandium oxide, and gallium oxide in an atomic ratio.
Sm: Sc: Ga = 3: p: q (However, 1.0 ≦ p ≦ 2.0, 3.0 ≦ q ≦ 4.0)
The garnet single crystal is produced by growing the garnet single crystal by the Czochralski method using the obtained mixture as a raw material.
The present invention (3) includes samarium oxide, scandium oxide, and gallium oxide in atomic ratios.
Sm: Sc: Ga = 3: p: 5-p (where 1.0 ≦ p ≦ 2.0)
The garnet single crystal is produced by growing the garnet single crystal by the Czochralski method using the obtained mixture as a raw material.
The invention (4) is characterized in that the samarium oxide, the scandium oxide, and the gallium oxide have a purity of 99.9% or more. This is a method for producing a garnet single crystal.
The present invention (5) is characterized in that the atmosphere when growing the single crystal is a mixed gas containing oxygen in a ratio of 0.5% to 3.0% on a volume basis in an inert gas. (1) It is the manufacturing method of the garnet single crystal of the said invention (4).
In the present invention (6), the composition formula is Sm 3 Sc x Ga 5-x O 12
A garnet single crystal represented by (0 ≦ x ≦ 2.0) and having a lattice constant of 12.50 to 12.62.
In the present invention (7), the composition formula is Sm 3 Sc x Ga 5-x O 12
A garnet single crystal produced by the method for producing a garnet single crystal according to the invention (1) to the invention (5).
The present invention (8) is the garnet single crystal according to the invention (7), wherein the lattice constant is 12.50 to 12.62.
In the present invention (9), the composition formula is
R 3-z Bi z Fe 5-w M w O 12
(However, 0 ≤ z ≤ 2.0, 0 ≤ w ≤ 2.0, R is Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er,
(One element selected from the element group consisting of Tm, Yb, Lu, M is one element selected from the element group consisting of In, Sc, Ga, Al)
The garnet single crystal according to any one of the inventions (6) to (8), wherein the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film represented by the formula (1) is used as a substrate for forming by an LPE method.
The present invention (10) is the garnet single crystal according to the invention (9), wherein the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film has a thickness of 100 μm or more.
The present invention (11) is a magneto-optical element using a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film formed on a substrate made of the garnet single crystal of the invention (9) or the invention (10) as a Faraday rotator.
本発明によれば、従来に無い格子定数の大きく、かつ、結晶性の良好なガーネット単結晶基板の作製が可能になった。本発明の技術を用いて作製したガーネット単結晶基板上にLPE法でビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を形成することにより、ビスマス置換量を顕著に増やすことが可能である。その結果、磁気光学効果の高い優れたファラデー回転子が作製可能になり、光アイソレータ、光スイッチ、あるいは、光磁界センサーの高性能化に効果が高い。 According to the present invention, it has become possible to produce a garnet single crystal substrate having a large lattice constant and good crystallinity, which has not been conventionally obtained. By forming a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film by a LPE method on a garnet single crystal substrate produced using the technique of the present invention, the amount of bismuth substitution can be significantly increased. As a result, an excellent Faraday rotator having a high magneto-optic effect can be manufactured, and the effect of improving the performance of the optical isolator, optical switch, or optical magnetic field sensor is high.
以下、本発明の最良形態について説明する。
BIG膜からなる磁気光学素子のファラデー効果はビスマス置換量に比例して大きくなり、ビスマス置換量を大きくするためにはBIG膜の格子定数を大きくする必要がある。また、結晶性の良いBIG膜を育成するためには、BIG膜を育成する基板の格子定数をBIG膜の格子定数と一致させる必要がある。そのため、本願発明者等は、格子定数の大きい基板用のガーネット結晶を得るために鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成させた。
The best mode of the present invention will be described below.
The Faraday effect of a magneto-optical element made of a BIG film increases in proportion to the amount of bismuth substitution. To increase the amount of bismuth substitution, it is necessary to increase the lattice constant of the BIG film. In order to grow a BIG film with good crystallinity, the lattice constant of the substrate on which the BIG film is grown needs to match the lattice constant of the BIG film. For this reason, the inventors of the present invention have completed the present invention as a result of intensive studies in order to obtain a garnet crystal for a substrate having a large lattice constant.
（ガーネット単結晶基板、及び、その製造方法）
本発明のガーネット単結晶基板は、組成式が
Sm3ScxGa5-xO12
(0≦x≦2.0)
で表される基板を用いるのが好ましく、より好適には、
Sm3ScxGa5-xO12
(0≦x≦1.9)
で表される基板を用いるのが好ましい。
係る組成式の基板を製造するには、チョクラルスキー法によりガーネット単結晶を作製するのが好ましい。結晶育成に用いる原料は、サマリウムの酸化物、スカンジウムの酸化物、及び、ガリウムの酸化物を原子比で、
Sm : Sc : Ga = 3 : p : q (ただし、0≦p≦2.0, 3.0≦q≦5.0)
の量比で混合した混合物を用いるのが好ましい。
より好ましくは、
Sm : Sc : Ga = 3 : p : q (ただし、1.0≦p≦2.0, 3.0≦q≦4.0)
の量比で混合した混合物を用いるのが好ましい。
さらに好ましくは、
Sm : Sc : Ga = 3 : p : 5 - p (ただし、1.0≦p≦2.0)
の量比で混合した混合物を用いるのが好ましい。pが１.0より小さい場合は、格子定数が12.50Å以上とならない問題がある。また、pが2.0より大きい場合は、格子定数が12.63Åを超える場合があるが、結晶の内部歪みが大きくなり単結晶膜育成用の基板として使用できなくなるという問題がある。
結晶育成に用いる原料は、純度の高い原料を用いるのが好ましい。純度が99.9%以上の原料を用いるのが好ましく、99.99%以上の原料を用いるのがより好ましい。さらに、99.995%以上の原料を用いるのがより好ましい。チョクラルスキー法で結晶を育成する際の種結晶としては、結晶性の良好なものを用いるのが好ましい。種結晶の大きさは、通常、直径2〜10mm、長さ30〜200mm程度のものを用いるのが好ましい。
係る混合物からなる原料を溶融して、ガーネット単結晶をチョクラルスキー法により育成する。
結晶育成の際の雰囲気は、窒素、ヘリウム、ネオン、または、アルゴン等の不活性ガス中に、酸素を体積基準で0.5%〜3.0%含む混合ガスを用いるのが好ましい。酸素が0.5%より少ないと、イリジウム等からなる坩堝材が原料溶液中に溶け出し、結晶中の転移発生の原因となることがある。酸素が3.0%より多いと、坩堝材が酸化され、酸化イリジウムとなって蒸発する不具合が起こり得る。
結晶を溶融する坩堝等の容器の材質は融点が2000℃以上のものであれば特に限定されないが、特にイリジウムを用いるのが好ましい。結晶成長の際の原料の溶融温度は、1700〜1900℃の範囲に設定するのが好ましく、さらに、1750〜1850℃の範囲に設定するのがより好ましい。また、結晶育成中の種結晶の回転数は、3〜20rpm、結晶の引き上げ速度は1〜6mm/hrとするのが好ましい。
育成したガーネット単結晶の格子定数は、12.50Å以上、12.62Å以下とするのが好ましい。以上の条件でガーネット単結晶を育成すると、結晶性が良好で格子定数の大きい優れたBIG膜育成基板用の単結晶が得られる。
(Garnet single crystal substrate and manufacturing method thereof)
The garnet single crystal substrate of the present invention has a composition formula
Sm 3 Sc x Ga 5-x O 12
(0 ≦ x ≦ 2.0)
It is preferable to use a substrate represented by
Sm 3 Sc x Ga 5-x O 12
(0 ≦ x ≦ 1.9)
It is preferable to use the board | substrate represented by these.
In order to produce a substrate having such a composition formula, it is preferable to produce a garnet single crystal by the Czochralski method. The raw materials used for crystal growth are samarium oxide, scandium oxide, and gallium oxide in atomic ratio.
Sm: Sc: Ga = 3: p: q (However, 0 ≦ p ≦ 2.0, 3.0 ≦ q ≦ 5.0)
It is preferable to use a mixture that is mixed in an amount ratio of
More preferably,
Sm: Sc: Ga = 3: p: q (However, 1.0 ≦ p ≦ 2.0, 3.0 ≦ q ≦ 4.0)
It is preferable to use a mixture that is mixed in an amount ratio of
More preferably,
Sm: Sc: Ga = 3: p: 5-p (where 1.0 ≦ p ≦ 2.0)
It is preferable to use a mixture that is mixed in an amount ratio of When p is smaller than 1.0, there is a problem that the lattice constant does not exceed 12.50 mm. Further, when p is larger than 2.0, the lattice constant may exceed 12.63 mm, but there is a problem that the internal strain of the crystal becomes large and cannot be used as a substrate for growing a single crystal film.
The raw material used for crystal growth is preferably a high-purity raw material. A raw material having a purity of 99.9% or more is preferably used, and a raw material having a purity of 99.99% or more is more preferably used. Furthermore, it is more preferable to use 99.995% or more of the raw material. As a seed crystal for growing a crystal by the Czochralski method, a crystal having good crystallinity is preferably used. In general, it is preferable to use a seed crystal having a diameter of about 2 to 10 mm and a length of about 30 to 200 mm.
A raw material composed of such a mixture is melted and a garnet single crystal is grown by the Czochralski method.
As the atmosphere for crystal growth, it is preferable to use a mixed gas containing 0.5% to 3.0% oxygen by volume in an inert gas such as nitrogen, helium, neon, or argon. If the oxygen content is less than 0.5%, the crucible material made of iridium or the like may be dissolved into the raw material solution and cause a transition in the crystal. If the oxygen content is more than 3.0%, the crucible material is oxidized and iridium oxide may be evaporated.
The material of the container such as a crucible for melting the crystal is not particularly limited as long as it has a melting point of 2000 ° C. or higher, but it is particularly preferable to use iridium. The melting temperature of the raw material during crystal growth is preferably set in the range of 1700 to 1900 ° C, more preferably in the range of 1750 to 1850 ° C. Further, the rotation speed of the seed crystal during crystal growth is preferably 3 to 20 rpm, and the pulling speed of the crystal is preferably 1 to 6 mm / hr.
The lattice constant of the grown garnet single crystal is preferably 12.50 to 12.62. When a garnet single crystal is grown under the above conditions, an excellent single crystal for a BIG film growth substrate having good crystallinity and a large lattice constant can be obtained.
（BIG膜、及び、その製造方法）
本発明のガーネット単結晶基板は、組成式が、
R3-zBizFe5-wMwO12 (ただし、0 ≦ z ≦ 2.0, 0 ≦ w ≦ 2.0, RはY, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er,
Tm, Yb, Luからなる元素群から選択される一つの元素、 MはIn, Sc, Ga, Alからなる元素群から選択される一つの元素)
で表されるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜をLPE法で形成するための基板として用いるのが好ましい。係る単結晶膜の厚さは、数十μmから数百μmとするのが好ましい。特に、100μm以上とするのが好ましい。本発明のガーネット単結晶基板は、上記の組成式の厚い単結晶膜をLPE法で形成する場合に、単結晶膜と格子定数が一致し、かつ、格子定数が大きいことからビスマス置換量が多く、ファラデー効果の大きい優れた磁気光学素子の作製が可能になる。
(BIG film and manufacturing method thereof)
The garnet single crystal substrate of the present invention has a composition formula:
R 3-z Bi z Fe 5-w M w O 12 (where 0 ≤ z ≤ 2.0, 0 ≤ w ≤ 2.0, R is Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy , Ho, Er,
(One element selected from the element group consisting of Tm, Yb, Lu, M is one element selected from the element group consisting of In, Sc, Ga, Al)
It is preferable to use as a substrate for forming a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film represented by The thickness of the single crystal film is preferably several tens to several hundreds of μm. In particular, the thickness is preferably 100 μm or more. The garnet single crystal substrate of the present invention has a large amount of bismuth substitution because when the thick single crystal film having the above composition formula is formed by the LPE method, the single crystal film has the same lattice constant and has a large lattice constant. Thus, an excellent magneto-optical element having a large Faraday effect can be produced.
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
（実施例１）
原子比でSm：Sc：Ga=3.0：1.9：3.1になるように調整された99.99%の純度の酸化サマリウム(Ｓｍ２Ｏ３)、酸化スカンジウム(Ｓｃ２Ｏ３)、酸化ガリウム(Ｇａ２Ｏ３)の混合物400 gを、直径50 mm、高さ50 mmのイリジウム坩堝に仕込み、窒素+2.0%(体積比)酸素雰囲気下、種結晶回転数20 r.p.m.、引き上げ速度1.0 mm/hrの条件の下、チョクラルスキー法により結晶を育成した。なお、種結晶としては、(111)方位のＳｍ３Ｓｃ１．９Ｇａ３．１Ｏ１２を用いた。得られた結晶は、X線回折分析により、格子定数が12.61Åのガーネット結晶と確認され、図1に示す通り内部歪みも十分小さいことが認められた。
（比較例１）
原子比でSm：Sc：Ga=3.0：0.5：4.5になるように調整された99.99%の純度の酸化サマリウム(Ｓｍ２Ｏ３)、酸化スカンジウム(Ｓｃ２Ｏ３)、酸化ガリウム(Ｇａ２Ｏ３)の混合物400 gを、直径50mm、高さ50mmのイリジウム坩堝に仕込み、窒素+2.0%(体積比)酸素雰囲気下、種結晶回転数20 r.p.m.、引き上げ速度1.0 mm/hrの条件の下、チョクラルスキー法により結晶を育成した。なお、種結晶としては、(111)方位のＳｍ３Ｓｃ１．９Ｇａ３．１Ｏ１２を用いた。得られた結晶は、X線回折分析により、格子定数が12.44Åのガーネット結晶と認められ、目的の12.501Å以下であると認められた。
（比較例２）
原子比でSm：Sc：Ga=3.0：2.2：2.8になるように調整された99.99%の純度の酸化サマリウム(Ｓｍ２Ｏ３)、酸化スカンジウム(Ｓｃ２Ｏ３)、酸化ガリウム(Ｇａ２Ｏ３)の混合物400 gを、直径50 mm、高さ50 mmのイリジウム坩堝に仕込み、窒素+2.0%(体積比)酸素雰囲気下、種結晶回転数20 r.p.m.、引き上げ速度1.0 mm/hrの条件の下、チョクラルスキー法により結晶を育成した。なお、種結晶としては、(111)方位のＳｍ３Ｓｃ１．９Ｇａ３．１Ｏ１２を用いた。得られた結晶は、X線回折分析により、格子定数が12.64Åのガーネット結晶と認められたが、図2に示す通り内部歪みが大きいため、基板として使用不可であることが認められた。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention concretely, this invention is not limited by these Examples.
Example 1
99.99% purity samarium oxide (Sm 2 O 3 ), scandium oxide (Sc 2 O 3 ), gallium oxide (Ga 2 O) adjusted to have an atomic ratio of Sm: Sc: Ga = 3.0: 1.9: 3.1 the mixture 400 g of 3) was charged to a diameter of 50 mm, an iridium crucible of the height 50 mm, nitrogen + 2.0% (volume) oxygen atmosphere, the seed crystal rotation number 20 rpm, the condition of the pulling rate 1.0 mm / hr Below, crystals were grown by the Czochralski method. As a seed crystal, (111) -oriented Sm 3 Sc 1.9 Ga 3.1 O 12 was used. The obtained crystal was confirmed to be a garnet crystal having a lattice constant of 12.61 格子 by X-ray diffraction analysis, and the internal strain was confirmed to be sufficiently small as shown in FIG.
(Comparative Example 1)
99.99% purity samarium oxide (Sm 2 O 3 ), scandium oxide (Sc 2 O 3 ), gallium oxide (Ga 2 O) adjusted to have an atomic ratio of Sm: Sc: Ga = 3.0: 0.5: 4.5 3 ) 400 g of the mixture was charged into an iridium crucible having a diameter of 50 mm and a height of 50 mm, under a nitrogen + 2.0% (volume ratio) oxygen atmosphere, under the conditions of a seed crystal rotation speed of 20 rpm and a pulling speed of 1.0 mm / hr. Crystals were grown by the Czochralski method. As a seed crystal, (111) -oriented Sm 3 Sc 1.9 Ga 3.1 O 12 was used. The obtained crystal was recognized as a garnet crystal having a lattice constant of 12.44 mm by X-ray diffraction analysis, and was confirmed to be the target 12.501 mm or less.
(Comparative Example 2)
99.99% purity samarium oxide (Sm 2 O 3 ), scandium oxide (Sc 2 O 3 ), gallium oxide (Ga 2 O) adjusted to have an atomic ratio of Sm: Sc: Ga = 3.0: 2.2: 2.8 3 ) 400 g of the mixture was placed in an iridium crucible having a diameter of 50 mm and a height of 50 mm, under a nitrogen + 2.0% (volume ratio) oxygen atmosphere, with a seed crystal rotation speed of 20 rpm and a pulling speed of 1.0 mm / hr. Below, crystals were grown by the Czochralski method. As a seed crystal, (111) -oriented Sm 3 Sc 1.9 Ga 3.1 O 12 was used. The obtained crystal was confirmed to be a garnet crystal having a lattice constant of 12.64% by X-ray diffraction analysis. However, since the internal strain was large as shown in FIG.
以上のように、本発明に係るガーネット単結晶基板、及び、その製造方法は、高性能の光デバイスや磁気光学デバイスを製造可能とした技術であり、エレクトロニクスなどの分野で有用である。 As described above, the garnet single crystal substrate and the manufacturing method thereof according to the present invention are technologies that enable the manufacture of high-performance optical devices and magneto-optical devices, and are useful in the fields of electronics and the like.
Claims (11)
Sm : Sc : Ga = 3 : p : q (ただし、0≦p≦2.0, 3.0≦q≦5.0)
の量比で混合し、得られた混合物を原料として用い、チョクラルスキー法によりガーネット単結晶を育成するガーネット単結晶の製造方法。 Atomic ratio of samarium oxide, scandium oxide and gallium oxide,
Sm: Sc: Ga = 3: p: q (However, 0 ≦ p ≦ 2.0, 3.0 ≦ q ≦ 5.0)
A method for producing a garnet single crystal, wherein the garnet single crystal is grown by the Czochralski method using the obtained mixture as a raw material.
Sm : Sc : Ga = 3 : p : q (ただし、1.0≦p≦2.0, 3.0≦q≦4.0)
の量比で混合し、得られた混合物を原料として用い、チョクラルスキー法によりガーネット単結晶を育成するガーネット単結晶の製造方法。 Atomic ratio of samarium oxide, scandium oxide and gallium oxide,
Sm: Sc: Ga = 3: p: q (However, 1.0 ≦ p ≦ 2.0, 3.0 ≦ q ≦ 4.0)
A method for producing a garnet single crystal, wherein the garnet single crystal is grown by the Czochralski method using the obtained mixture as a raw material.
Sm : Sc : Ga = 3 : p : 5 - p (ただし、1.0≦p≦2.0)
の量比で混合し、得られた混合物を原料として用い、チョクラルスキー法によりガーネット単結晶を育成するガーネット単結晶の製造方法。 Atomic ratio of samarium oxide, scandium oxide and gallium oxide,
Sm: Sc: Ga = 3: p: 5-p (where 1.0 ≦ p ≦ 2.0)
A method for producing a garnet single crystal, wherein the garnet single crystal is grown by the Czochralski method using the obtained mixture as a raw material.
(0≦x≦2.0) で表され、格子定数が12.50Å以上、12.62Å以下であることを特徴とするガーネット単結晶。 The composition formula is Sm 3 Sc x Ga 5-x O 12
A garnet single crystal represented by (0 ≦ x ≦ 2.0) and having a lattice constant of 12.50 to 12.62%.
(0≦x≦2.0) で表され、請求項１乃至５のいずれか1項記載のガーネット単結晶の製造方法により製造されるガーネット単結晶。 The composition formula is Sm 3 Sc x Ga 5-x O 12
A garnet single crystal represented by (0 ≦ x ≦ 2.0) and produced by the method for producing a garnet single crystal according to any one of claims 1 to 5.
R3-zBizFe5-wMwO12
(ただし、0 ≦ z ≦ 2.0, 0 ≦ w ≦ 2.0, RはY, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er,
Tm, Yb, Luからなる元素群から選択される一つの元素、 MはIn, Sc, Ga, Alからなる元素群から選択される一つの元素)
で表されるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜をLPE法で形成するための基板として用いることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか1項記載のガーネット単結晶。 The composition formula is
R 3-z Bi z Fe 5 -w M w O 12
(However, 0 ≤ z ≤ 2.0, 0 ≤ w ≤ 2.0, R is Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er,
(One element selected from the element group consisting of Tm, Yb, Lu, M is one element selected from the element group consisting of In, Sc, Ga, Al)
9. The garnet single crystal according to claim 6, which is used as a substrate for forming a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film represented by the following formula:
A magneto-optical element using the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film formed on the substrate made of the garnet single crystal according to claim 9 as a Faraday rotator.
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|---|---|---|---|---|
| CN105297136A (en) * | 2015-11-13 | 2016-02-03 | 孙雷 | Cerium-doped gadolinium lutecium aluminate garnet crystal for laser illumination and preparation method thereof |
| CN107541780A (en) * | 2016-06-29 | 2018-01-05 | 安徽中科镭泰激光科技有限公司 | Garnet matrix colour jewel and its growing method |
| CZ309300B6 (en) * | 2021-04-27 | 2022-08-10 | Crytur, Spol. S.R.O. | Absorbing material based on samarium-doped garnet for suppressing enhanced spontaneous emission of the active medium of a solid-state laser, use of this material, method of producing it and monolithic element with this absorbing material |
| CN115852489A (en) * | 2022-12-27 | 2023-03-28 | 闽都创新实验室 | Preparation method and application of high-cerium-content cubic-phase cerium scandium gallium garnet magneto-optical crystal |
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2008
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| CN115852489B (en) * | 2022-12-27 | 2024-09-20 | 闽都创新实验室 | Preparation method and application of high-cerium-content cubic-phase cerium scandium gallium garnet magneto-optical crystal |
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