JP2018095487A - 非磁性ガーネット単結晶、非磁性ガーネット単結晶基板、非磁性ガーネット単結晶の製造方法、及び非磁性ガーネット単結晶基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１．２５６４ｎｍより大きい格子定数の非磁性ガーネット単結晶を提供すること。
【解決手段】下記化学式（１）で表される非磁性ガーネット単結晶。
Ｇｄ_３Ｓｃ_ｘ１Ｇａ_５−ｘ１Ｏ_１２ ・・・（１）
（化学式（１）中、ｘ１は２．００≦ｘ１≦２．１５である。）
【選択図】図１

Description

本発明は、非磁性ガーネット単結晶、非磁性ガーネット単結晶基板、非磁性ガーネット単結晶の製造方法、及び非磁性ガーネット単結晶基板の製造方法に関するものである。

光通信に利用されている半導体レーザーや、レーザー加工等に利用されている固体レーザー等は、レーザー共振器外部の光学面や加工面で反射された光がレーザー素子に戻ってくるとレーザー発振が不安定になる。発振が不安定になると、光通信の場合には信号ノイズとなり、加工用レーザーの場合はレーザー素子が破壊されてしまうことがある。このため、このような反射戻り光がレーザー素子に戻らないように遮断するため光アイソレータが使用される。

近年、従来のＹＡＧレーザーの代替として注目されているファイバレーザーに関しては、光アイソレータに用いられるファラデー回転子として、従来、テルビウム・ガリウム・ガーネット結晶（以下、ＴＧＧと称する）やテルビウム・アルミニウム・ガーネット結晶（以下、ＴＡＧと称する）が用いられてきた。

しかし、ＴＧＧやＴＡＧは単位長さ当たりのファラデー回転係数が小さく、光アイソレータとして機能させるために４５度の偏光回転角を得るには光路長を長くする必要があるため、大きな結晶を用いなければならなかった。また、高い光アイソレーションを得るには、結晶に一様で大きな磁場をかける必要があるため、強力で大きな磁石を用いていた。このため、光アイソレータの寸法は大きなものとなっていた。また、光路長が長いためにレーザーのビーム形状が結晶内で歪むことがあり、歪みを補正するための光学系が必要となる場合もあった。更に、ＴＧＧは高価でもあるため、小型で安価なファラデー回転子が望まれていた。

一方、光通信分野で専ら用いられているビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶膜（以下、ＲＩＧと称する）をこのタイプの光アイソレータに使用することで、大きさを大幅に小型化することが可能である。しかしながら、ＲＩＧは使用する光の波長が、加工用レーザーに用いられる１.１μｍ付近まで短くなると、ＲＩＧに含まれる鉄イオンによる光吸収が大きくなり、この光吸収による温度上昇により性能劣化を起こすことが知られている。

そこで、本研究者らは特許文献１に示すように、光通信用途のＲＩＧ育成用として適用している非磁性ガーネット〔（ＧｄＣａ）_３（ＧａＭｇＺｒ）_５Ｏ_１２〕、格子定数１．２４９７ｎｍより、さらに大きな格子定数１．２５６４ｎｍをもつ非磁性ガーネット〔Ｇｄ_３（ＳｃＧａ）_５Ｏ_１２〕（以下、ＧＳＧＧと称する）を適用し、ＲＩＧを育成することにより、ＲＩＧに含まれる鉄イオンの光吸収を短波長側にシフトさせ、１μｍ帯域の光吸収量を減らしつつ、工業的に高収率で、挿入損失を０．３６ｄＢ〜０．５６ｄＢまで低減したＲＩＧを提案している。

特開２０１２−１１６６７２号公報

しかし、近年では、さらなる短波長域での利用や、１０Ｗ級以上の高出力な加工用レーザー装置の光アイソレータにＲＩＧを採用することが考えられている。このため、市場においては挿入損失０．３５ｄＢ以下の非常に低損失なＲＩＧを必要としており、低損失のＲＩＧを工業的に高収率で提供できる手法が望まれている。

ところで、ＲＩＧにおいてさらに光吸収を低減させられる方法はいくつか考えられるが、その一つとして、前記したようにＲＩＧの格子定数をより大きくする方法がある。ＲＩＧの格子定数はその製造方法より、ＲＩＧを製造する時に用いる単結晶基板の格子定数とほぼ同一となる。このため、ＲＩＧの格子定数をより大きくするには、それに用いる単結晶基板がより大きな格子定数の単結晶基板を用いる必要がある。

特許文献１では、格子定数１．２５６４ｎｍをもつＧＳＧＧ単結晶基板を適用し育成している。このため、ＧＳＧＧ単結晶の１．２５６４ｎｍより大きな格子定数をもつ非磁性ガーネットを用いてＲＩＧの育成を適用させられれば、さらに光吸収を低減させられる。ＧＳＧＧの１．２５６４ｎｍより、さらに大きな格子定数をもつ単結晶基板には、格子定数が１．２６４ｎｍの非磁性ガーネットＳｍ_３（ＳｃＧａ）_５Ｏ_１２（以下、ＳＳＧＧと称する）単結晶基板がある。ところが、ＳＳＧＧを用いてＲＩＧを作製した場合、その格子定数の大きさから、ＲＩＧ結晶におけるＢｉ含有量が多くなってしまう。ＲＩＧ結晶におけるＢｉ含有量が多くなると、格子定数が１．２６４ｎｍであるＳＳＧＧ単結晶基板との格子定数のずれが大きくなることで、結晶が割れやすくなるため、高い収率でＲＩＧを作製できなった。このため、ＲＩＧにおいてさらに光吸収を低減させられる方法としては、格子定数がＧＳＧＧ単結晶の１．２５６４ｎｍより大きくＳＳＧＧ単結晶の１．２６４ｎｍより小さい単結晶基板を使用するのが好ましいと考えられるが、現状、それに該当するような単結晶基板は市場で販売されていないため、入手が困難であった。

そこで、本発明は、上記状況を鑑みなされたものであり、格子定数が１．２５６４ｎｍより大きい非磁性ガーネット単結晶、及び非磁性ガーネット単結晶基板を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため本発明者等が鋭意研究を重ねたところ、ＧＳＧＧを構成する元素の比率を制御することで格子定数を１．２５６４ｎｍよりさらに大きくし、且つ制御することが可能であることを見出すに至った。本発明はこのような技術的発見に基づき完成されている。

すなわち、本発明の第１の態様によれば、下記化学式（１）で表される非磁性ガーネット単結晶。
Ｇｄ_３Ｓｃ_ｘ1Ｇａ_５−ｘ1Ｏ_１２ ・・・（１）
（化学式（１）中、ｘ１は２．００≦ｘ１≦２．１５である。）

また、本発明の第２の態様によれば、第１の態様において、化学式（１）のｘ１と格子定数との関係は、正の一次相関の関係である、非磁性ガーネット単結晶が提供される。

また、本発明の第３の態様によれば、第１又は第２の態様において、格子定数をａ［ｎｍ］としたときに、化学式（１）のｘ１と格子定数ａとの関係は、下記数式（１）の関係を満たす、非磁性ガーネット単結晶が提供される。
０．０１０３１ｘ１＋１．２３６４５≦ａ≦０．０１０３１ｘ１＋１．２３６８５・・・（１）

また、本発明の第４の態様によれば、第１から第３のいずれかの態様において、格子定数が１．２５７３７ｎｍ以上、１．２５８７７ｎｍ以下である、非磁性ガーネット単結晶が提供される。

また、本発明の第５の態様によれば、第１から第４のいずれかの態様において、化学式（１）中、ｘ１は２．０６５≦ｘ１≦２．１１７である、非磁性ガーネット単結晶が提供される。

また、本発明の第６の態様によれば、第１から第５のいずれかの態様において、格子定数が１．２５８００ｎｍ以上、１．２５８５０ｎｍ以下である、非磁性ガーネット単結晶が提供される。

また、本発明の第７の態様によれば、第１から第６のいずれかの態様の非磁性ガーネット単結晶を用いてなる非磁性ガーネット単結晶基板が提供される。

また、本発明の第８の態様によれば、回転引上げ法により非磁性ガーネット単結晶を製造する方法であって、Ｇｄ、Ｓｃ及びＧａを含む原料を融解させた原料融液に、種結晶を接触させて回転させながら引き上げることにより、下記化学式（１）で表される非磁性ガーネット単結晶を製造する非磁性ガーネット単結晶の製造方法。
Ｇｄ_３Ｓｃ_ｘ１Ｇａ_５−ｘ１Ｏ_１２ ・・・（１）
（式（１）中、ｘ１は２．００≦ｘ１≦２．１５である。）

また、本発明の第９の態様によれば、第８の態様において、原料中のＧｄの原子数に対するＳｃの原子数及びＧａの原子数を調整して、格子定数を所定の範囲に制御することを含む、非磁性ガーネット単結晶の製造方法が提供される。

また、本発明の第１０の態様によれば、第９の態様において、所定の範囲は、１．２５７３７ｎｍ以上、１．２５８７７ｎｍ以下である、非磁性ガーネット単結晶の製造方法が提供される。

また、本発明の第１１の態様によれば、第８から第１０のいずれかの態様の製造方法により製造した非磁性ガーネット単結晶から製造する、非磁性ガーネット単結晶基板の製造方法が提供される。

本発明に係る非磁性ガーネット単結晶、及び非磁性ガーネット単結晶基板は、１．２５６４ｎｍより大きい格子定数を有するので、１．２５６４ｎｍよりも大きい格子定数のＲＩＧの製造に好適に用いることができる。また、本発明に係る非磁性ガーネット単結晶、及び非磁性ガーネット単結晶基板は、構成する金属元素が３種類であるため単純な組成であり、さらに、化学式中の１つの変数（ｘ１）に対応した格子定数にすることができるので、所望の格子定数に容易に製造することができる。また、本発明に係る非磁性ガーネット単結晶の製造方法は、良質な上記非磁性ガーネット単結晶を効率よく製造することができる。また、本発明に係る非磁性ガーネット単結晶基板の製造方法は、良質な上記非磁性ガーネット単結晶基板を効率よく製造することができる。

実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶のＳｃの化学式量と格子定数の関係を示すグラフである。 実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶のＳｃの化学式量と格子定数の関係を示すグラフである。 実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶の製造方法の一例を示すフローチャートである。 実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶の一例を示す概念図である。 実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶の製造方法に用いられる製造装置の概略構成を示す図である。 実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶基板の製造方法の一例を示すフローチャートである。 ＲＩＧにおけるＮｄ−Ｇｄ−Ｂｉ三元系組成図である。 ＲＩＧにおけるＢｉ化学式量と挿入損失との関係を示すグラフである。

以下、本発明について図面を参照しながら説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。また、図面においては実施形態を説明するため、一部分を大きくまたは強調して記載するなど適宜縮尺を変更して表現している。また、以下の各図において、ＸＹＺ座標系を用いて図中の方向を説明する。このＸＹＺ座標系においては、鉛直方向をＺ方向とし、水平方向をＸ方向、Ｙ方向とする。また、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向のそれぞれについて、適宜、矢印の先の側を＋側（例、＋Ｘ側）と称し、その反対側を−側（例、−Ｘ側）と称する。

まず、上記したように、ＲＩＧにおいてさらに光吸収を低減させられる方法としては、ＲＩＧの格子定数を従来より大きくする方法がある。この場合は、それに用いる単結晶基板も大きな格子定数である必要がある。

（１）ＧＳＧＧの格子定数とＳｃ含有量の調査
そこで、上記課題を解決するため、本発明者等は、以下のような技術的分析を行った。まず、ＧＳＧＧ単結晶（化学式：Ｇｄ_３Ｓｃ_ｘＧａ_５−ｘＯ_１２、０＜ｘ＜５）の組成と格子定数との関係を調査した。チョクラルスキー（ＣＺ）法により、種々の組成のＧＳＧＧ単結晶を製造し、製造したＧＳＧＧ単結晶の格子定数を評価した。続いて、ＧＳＧＧ単結晶中のＳｃ含有量を調査し、格子定数に及ぼす影響を検討した。なお、Ｇｄ_、Ｓｃ_、Ｇａの元素以外に、第４の元素を添加することも考えらえる。例えば、Ｌｕ（ルテチウム）、Ｎｄ（ネオジウム）、Ｅｕ（ユーロピウム）等である。しかしながら、これら元素を添加することで、これら物質の偏析が異なるため構成元素が多くなるほど格子定数の制御が困難となり、安定した格子定数の単結晶及び単結晶基板を得ることはできない。例えば、Ｅｕを添加した場合、Ｅｕは２価（２+）の原子価を持つ為、空孔ができやすく結晶性が悪化する。加えて、Ｇｄとイオン半径が近い為、格子定数を大きくする効果は小さい。Ｇｄ、Ｓｃ、Ｇａは３価（３＋）であり安定しやすい。そこで、容易に製造することができ、安定した格子定数を有する単結晶及び単結晶基板を開発することを目的として、上記Ｇｄ_、Ｓｃ_、Ｇａの３元素で検討した。

表１と図１は、製造したＧＳＧＧ単結晶をＧＳＧＧ基板に加工した後、Ｘ線回折装置（Xpert PRO PANalytical社製）を使い格子定数を測定し、次いで、格子定数を測定した基板をＥＰＭＡ定量分析によりＳｃの化学式量を求め、それら結果をまとめたものである。

格子定数とＳｃ化学式量の調査

なお、表１に示したサンプル１〜６は、後に説明する実施例１２〜実施例１７である。

表１と図１に示すように、本発明者は、ＧＳＧＧ単結晶を構成する元素の比率を、従来と変えることで、格子定数を１．２５６４ｎｍより大きくすることを見出した。また、この結果から、ＧＳＧＧ単結晶において、Ｓｃ化学式量が増加することで格子定数が大きくなることが判る。詳しくは、少なくとも、Ｓｃ化学式量が２．００〜２．１５において、格子定数はＳｃ化学式量に依存して１．２５７３〜１．２５８７７まで変化することが判った。以上の結果から、本発明者は、ＧＳＧＧ単結晶を構成する元素の比率を制御することで、格子定数を１．２５６４ｎｍより大きくし、且つ容易に制御できることを見出した。本発明は、これらの技術的発見に基づき完成されている。これにより、格子定数が１．２５６４ｎｍより大きく、１．２６４ｎｍより小さいＲＩＧに用いることができるＧＳＧＧ単結晶基板を確保することができる。

（２）ＧＳＧＧ単結晶
本実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶について説明する。本実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶Ｃは、下記化学式（１）で表される。
Ｇｄ_３Ｓｃ_ｘ１Ｇａ_５−ｘ１Ｏ_１２ ・・・（１）
（化学式（１）中、ｘ１は２．００≦ｘ１≦２．１５である。）
ここで、「ＧＳＧＧ単結晶は、化学式（１）で表される」とは、ＧＳＧＧ単結晶Ｃが、実質的に化学式（１）の組成を有することを意味する。すなわち、ＧＳＧＧ単結晶Ｃは、Ｇｄ、Ｓｃ、Ｇａ、Ｏ以外の元素を、不可避不純物、ドーパント等として、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において微量に含有してもよい。なお、化学式（１）におけるＳｃの化学式量（化学式（１）中のｘ１の値）は、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）を用いて測定した化学式量である。

ＧＳＧＧ単結晶Ｃの格子定数は、図１に示したように、化学式（１）中のｘ１と正の相関の関係を有するので、上記ｘ１を制御することにより、容易に制御することができる。上記ｘ１は、原料の組成により制御することができる。図２は、Ｓｃの化学式量と格子定数の関係を示すグラフである。ＧＳＧＧ単結晶Ｃは、上記ｘ１を制御することにより、格子定数を所定の範囲に容易に制御することができる。ＧＳＧＧ単結晶Ｃは、例えば、格子定数を「ａ」（ｎｍ）とすると、上記ｘ１と結晶の格子定数ａとの関係が、下記数式（１）を満たすのが好ましい。
０．０１０３１４ｘ１＋１．２３６４４６≦ａ≦０．０１０３１４ｘ１＋１．２３６８４６・・・（１）
ｘ１及び格子定数ａが、上記数式（１）の関係である場合、ＧＳＧＧ単結晶Ｃを良質にすることができる。なお、図２に示す各点のデータは、後に説明する実施例１〜実施例１７のデータである。なお、本明細書において、「格子定数」はＸ線回折装置による測定値である。

ＧＳＧＧ単結晶Ｃは、上記ｘ１が２．００≦ｘ１≦２．１５である場合、格子定数を１．２５７３７ｎｍ以上１．２５８７７ｎｍ以下の範囲に、容易に制御することができる。ＧＳＧＧ単結晶Ｃの格子定数が、この範囲の場合、ＧＳＧＧ単結晶Ｃを良質にすることができ、この範囲を含む範囲の格子定数のビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶膜（ＲＩＧ）の製造に好適に用いることができる。

ＧＳＧＧ単結晶Ｃは、上記ｘ１を２．０６５≦ｘ１≦２．１１７とする場合、その格子定数を１．２５８００ｎｍ以上１．２５８５０以下の範囲に、容易に制御することができる。ＧＳＧＧ単結晶Ｃの格子定数がこの範囲の場合、下記化学式（２）で表されるＲＩＧの製造に好適に用いることができ、中でも、格子定数が１．２５８３０ｎｍである場合、より好適に下記化学式（２）で表されるＲＩＧの製造に好適に用いることができる。
Ｎｄ_{３−ｘ２−ｙ２}Ｇｄ_ｘ２Ｂｉ_ｙ２Ｆｅ_５Ｏ_１２ ・・・（２）
（化学式（２）中、ｘ２は０．６５≦ｘ２≦０．８４である、ｙ２は１．００≦ｙ２≦１．１５である。）

上記化学式（２）で表されるＲＩＧは、ファラデー回転子等の磁気光学素子として用いたときに、挿入損失が極めて小さい特性を有する。例えば、上記ＲＩＧは、１μｍ帯域付近の波長の光を１０Ｗ以上の出力で出射する１０Ｗ級のレーザーに適用したときに、挿入損失が０．３５ｄＢ以下の特性を有する。上記化学式（２）で表されるＲＩＧの詳細については、後に説明する。

なお、ＧＳＧＧ単結晶Ｃの大きさ及び形状は、それぞれ、限定されず、任意である。ＧＳＧＧ単結晶Ｃの大きさ及び形状の例については、次に説明するＧＳＧＧ単結晶Ｃの製造方法において説明する。

以上のように、本実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶Ｃは、１．２５６４ｎｍより大きい格子定数を有するので、１．２５６４ｎｍよりも大きい格子定数のＲＩＧの製造に好適に用いることができる。また、本実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶Ｃは、構成する金属元素が３種類であるため単純な組成であり、さらに、化学式中の１つの変数（ｘ１）を制御することにより格子定数を制御することができるので、所望の格子定数の単結晶を容易に製造することができる。

（３）ＧＳＧＧ単結晶の製造方法
次に、実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶の製造方法を説明する。図３（Ａ）及び（Ｂ）は、実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶の製造方法の一例を示すフローチャートである。図４は、実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶の一例を示す概念図である。図５は、実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶の製造方法に用いられる製造装置の概略構成を示す図である。なお、以下に説明するＧＳＧＧ単結晶の製造方法は、一例であって、ＧＳＧＧ単結晶の製造方法を限定するものではない。また、図３のフローチャートを説明する際、適宜、図１、図２、図４及び図５を参照する。

実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶の製造方法は、図３（Ａ）のステップＳ１において、チョクラルスキー法（回転引き上げ法）により、Ｇｄ、Ｓｃ及びＧａを含む原料を融解させた原料融液９（図５参照）に、種結晶ＳＣを接触させて回転させながら引き上げることにより、下記化学式（１）で表されるＧＳＧＧ単結晶Ｃを製造する。
Ｇｄ_３Ｓｃ_ｘ１Ｇａ_５−ｘ１Ｏ_１２ ・・・（１）
（式（１）中、ｘ１は２．００≦ｘ１≦２．１５である。

ＧＳＧＧ単結晶Ｃは、ステップＳ１において、図４に示すように、肩部ＳＨ及び直胴部ＳＢを備える単結晶として育成される。ステップＳ１は、チョクラルスキー法を実施可能な公知の装置により実施される。

まず、チョクラルスキー法を実施可能な装置の一例を、図５を参照して説明する。なお、以下に説明する装置は、一例であって、本実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶の製造方法に用いる装置を限定するものではない。この製造装置は、公知のチョクラルスキー法によりＧＳＧＧ単結晶Ｃを製造する育成炉１を備えている。育成炉１の構造を簡単に説明すると、育成炉１は、筒状のチャンバー２と、このチャンバー２の内側に設置された高周波コイル１０と、この高周波コイル１０の内側に配置された断熱材３とイリジウム製のルツボ８等を有している。尚、上記育成炉１の寸法は、製造するＧＳＧＧ単結晶Ｃの大きさに依存するが、一例として直径０．６ｍ、高さ１ｍ程度である。

また、上記育成炉１には開口部（図示せず）が２箇所設けられており、これ等開口部を介して不活性ガス、好適にはアルゴンガスが給排され、結晶育成時のチャンバー２内は不活性ガスで満たされる。尚、育成炉１内には、上記ルツボ８底部の下側に温度を計測する温度計（熱電対、図示せず）が設置されている。この温度計の計測結果は、制御部ＣＯＮＴに出力される。

また、上記高周波コイル１０は銅管で構成され、制御部ＣＯＮＴを通じ投入電力が制御されてルツボ８が高周波加熱されると共に温度調節がなされる。また、上記高周波コイル１０の内側（引き上げ軸４側）には、複数の断熱材３が配置されており、複数の断熱材３により囲まれた雰囲気によりホットゾーン５が形成されている。

上記ホットゾーン５の温度勾配は、断熱材３の形状と構成（材質）によって広範囲に変化させることができ、育成する単結晶の種類に合わせ断熱材３の形状と構成を設計して適正なホットゾーン５の温度勾配を形成する。更に、高周波コイル１０のルツボ８に対する相対位置を調整することによりホットゾーン５の温度勾配を微調整することができる。尚、上記断熱材３は、高融点の耐火物により構成されている。

また、上記ルツボ８はカップ状に形成され、その底部が断熱材３上に配置されかつ断熱材３により保持されている。また、ルツボ８の上方側には、種結晶ＳＣと成長したＧＳＧＧ単結晶Ｃを保持しかつ回転させながら引き上げるための引き上げ軸４が設置されている。引き上げ軸４は、駆動部（図示せず）により、鉛直方向に移動することができ、且つ、軸線を中心に回転させることができる。この駆動部は制御部ＣＯＮＴに接続され、引き上げ軸４の回転数及び引き上げ速度は、それぞれ、制御される。

そして、ルツボ８内に原料を充填し、育成炉１のチャンバー２内に上記ルツボ８を配置しかつ高周波コイル１０により加熱して原料を融解させ、その後、原料融液９に種結晶ＳＣを接触させて徐々に温度を降下させ、同時に引き上げ軸４を回転させながら徐々に引き上げることにより種結晶ＳＣの下部側において原料融液９を順次結晶化させる。そして、従来の育成条件に従い高周波コイル１０への投入電力、引き上げ軸４の回転数及び引き上げ速度を調整し、所望とする直径、全長のＧＳＧＧ単結晶Ｃを育成することが可能となる。

図３の説明に戻り、図３（Ａ）のステップＳ１について詳細に説明する。図３（Ａ）のステップＳ１は、例えば、図３（Ｂ）に示すステップＳ２〜ステップＳ８により行う。なお、以下の説明は、一例であって、ステップＳ１を限定するものではない。

まず、図３（Ｂ）のステップＳ２において、Ｇｄ、Ｓｃ及びＧａを含む原料を調整する。例えば、ＧＳＧＧ単結晶の原料には、酸化ガドリニウム（Ｇｄ₂Ｏ₃）粉末、酸化スカンジウム（Ｓｃ₂Ｏ₃）粉末および酸化ガリウム（Ｇａ₂Ｏ₃）粉末等が適用される。これ等各原料の配合比は、育成するＧＳＧＧ単結晶Ｃの組成によって、適宜決定される。各原料の配合比は、育成するＧＳＧＧ単結晶Ｃの組成が、上記した化学式（１）になるように設定される。各原料の配合比は、各元素の結晶への取り込み率、育成条件等に基づいて決定されるものであり、本分野の公知の方法、あるいは予備実験により設定可能である。なお、上記の原料は、一例であって、他の原料を用いてもよい。

また、ステップＳ２の原料の調整は、育成するＧＳＧＧ単結晶Ｃの格子定数を所定の範囲する場合、ステップＳ３において、原料中のＧｄの原子数に対するＳｃの原子数及びＧａの原子数を調整して、格子定数を所定の範囲に制御する。上記したようにＧＳＧＧ単結晶Ｃは、上記ｘ１及び格子定数が正の相関の関係を有するので、原料中のＧｄの原子数に対するＳｃの原子数及びＧａの原子数を調整して、格子定数を所定の範囲に制御することができる。原料中のＧｄの原子数に対するＳｃの原子数及びＧａの原子数は、例えば、上記した数式（１）に基づいて、目的とする格子定数ａに対応するＳｃの化学式量を示すｘ１を求め、育成するＧＳＧＧ単結晶ＣのＳｃの化学式量が求めたｘ１になるように、原料中のＧｄの原子数に対するＳｃの原子数及びＧａの原子数を調整する。本実施形態では、化学式（１）中のｘ１が２．００≦ｘ１≦２．１５の範囲において、製造するＧＳＧＧ単結晶Ｃの格子定数を、１．２５７３７ｎｍ以上１．２５８７７ｎｍ以下の所定の範囲とすることができる。

続いて、図３（Ｂ）のステップＳ４において、ステップＳ２で調整した原料をルツボ８に充填する。

続いて、図３（Ｂ）のステップＳ５において、原料を融解させる。例えば、図５に示すように、原料を充填したルツボ８をチャンバー２内に配置し、高周波コイル１０により加熱することにより、原料を融解させる。原料を融解させる際の温度は、原料の融解温度、ＧＳＧＧ単結晶Ｃを育成する温度等の条件に応じて、適宜設定される。

続いて、図３（Ｂ）のステップＳ６において、肩部ＳＨ（図４参照）を育成する。例えば、肩部ＳＨの育成は、図５に示すように、原料融液９に種結晶ＳＣを接触させて徐々に引き上げ軸４を徐々に引き上げることで、同時に温度が降下することにより種結晶ＳＣの下部側において原料融液９を順次結晶化させることにより行う。なお、育成するＧＳＧＧ単結晶Ｃの育成方向における結晶方位は、特に限定されないが、結晶方位が（１１１）であるＧＳＧＧ単結晶基板Ｓ（図４参照）が広く用いられているため、（１１１）であることが好ましい。肩部ＳＨの育成においては、育成条件に従い、高周波コイル１０への投入電力を調整することによる温度調整（例、ホットゾーン５の温度勾配の調整）、引き上げ軸４の引き上げ速度および回転速度の調整等を行うことにより、所望とする直径の肩部ＳＨを育成することができる。上記の温度調整、引き上げ軸４の引き上げ速度および回転速度は、それぞれ、本分野の公知の方法、あるいは予備実験により設定可能である。肩部ＳＨの大きさは、限定されないが、例えば、長さ（図４の種結晶ＳＣの下端から界面反転位置までの長さ）が６０ｍｍ程度、その直径が６０ｍｍ程度に設定される。

続いて、肩部ＳＨの結晶直径が所望の大きさとなったら、図３（Ｂ）のステップＳ７において、界面反転操作を行う。界面反転操作により、ファセット成長に伴う歪の発生を抑制するため、界面形状を凸から平坦にする。具体的には、結晶の引き上げを停止し結晶の回転を増速させることで界面を平坦化させる。

続いて、界面反転終了後に、図３（Ｂ）のステップＳ８において、種結晶ＳＣ（図４参照）の引き上げを再開して直胴部ＳＢ（図４参照）を育成する。直胴部ＳＢの育成においては、育成条件に従い、高周波コイル１０への投入電力を調整することによる温度調整（例、ホットゾーン５の温度勾配の調整）、引き上げ軸４の引き上げ速度および回転速度の調整等を行うことにより、所望とする直径の直胴部ＳＢを育成することができる。上記の温度調整、引き上げ軸４の引き上げ速度および回転速度は、それぞれ、本分野の公知の方法、あるいは予備実験により設定可能である。直胴部ＳＢの育成の最終段階は、例えば、直胴部ＳＢの下端部ＳＢａが円錐形状になるように育成する（図４参照）。これは、原料融液９から直胴部ＳＢを切り離して冷却することにより発生する転位の発生を抑制するためである。直胴部ＳＢの大きさは、限定されないが、例えば、長さが７０ｍｍ〜１５０ｍｍ程度、その直径が６０ｍｍ程度に設定される。以上の工程により、所望とする直径及び長さのＧＳＧＧ単結晶Ｃが製造される。本実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶の製造方法は、良質なＧＳＧＧ単結晶Ｃを効率よく製造することができる。

そして、育成されたＧＳＧＧ単結晶Ｃは育成炉１から取出し、熱歪を除去するアニール処理を行なってから、規格に合わせた厚さのＧＳＧＧ単結晶基板Ｓに加工される。

（４）ＧＳＧＧ単結晶基板
次に、本実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶基板について説明する。本実施形態に係るＧＳＧＧ基板Ｓは、上記したＧＳＧＧ単結晶Ｃを用いてなる基板である。例えば、ＧＳＧＧ基板Ｓは、図４に示すように、ＧＳＧＧ単結晶Ｃを分割（スライス）して、表面処理（表面加工）が施されたものである。処理ＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの厚さは、限定されず、任意である。例えば、ＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの厚さは、６００μｍ程度である。ＧＳＧＧ単結晶基板Ｓに施す表面処理は、限定されず、任意である。例えば、ＧＳＧＧ単結晶基板Ｓは、その表面が、化学的エッチングあるいは物理的エッチングなどのエッチング処理、及び／又は、鏡面処理（鏡面加工）等の処理が施されたものでもよい。なお、ＧＳＧＧ単結晶基板Ｓは、上記したＧＳＧＧ単結晶Ｃと同様あるいはほぼ同様の組成であり、また、上記したＧＳＧＧ単結晶Ｃと同様の格子定数を有する。したがって、ＧＳＧＧ単結晶基板Ｓは、例えば、格子定数が１．２５７３７ｎｍ以上、１．２５８７７ｎｍ以下であり、この範囲を少なくとも含む格子定数を有するＲＩＧの製造に好適に用いることができる。また、ＧＳＧＧ単結晶基板Ｓは、格子定数が１．２５８００ｎｍ以上、１．２５８５０以下の場合、下記化学式（２）で表されるＲＩＧの製造に好適に用いることができ、格子定数が１．２５８３０ｎｍである場合より好適に用いることができる。
Ｎｄ_{３−ｘ２−ｙ２}Ｇｄ_ｘ２Ｂｉ_ｙ２Ｆｅ_５Ｏ_１２ ・・・（２）
（化学式（２）中、ｘ２は０．６５≦ｘ２≦０．８５であり、ｙ２は１．００≦ｙ２≦１．１５である。）
上記化学式（２）で表されるＲＩＧについては、後に説明する。

（５）ＧＳＧＧ単結晶基板の製造方法
次に、実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶基板の製造方法を説明する。図６は、実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶基板の製造方法の一例を示すフローチャートである。なお、以下に説明するＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの製造方法は、一例であって、ＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの製造方法を限定するものではない。

本実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの製造方法は、まず、図６のステップＳ９において、上記した実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶の製造方法により製造したＧＳＧＧ単結晶ＣからＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを製造する方法である。ステップＳ９は、例えば、ステップＳ１０〜ステップＳ１２により実施される。

まず、ステップＳ１０において、ＧＳＧＧ単結晶Ｃを所定の厚さで分割（スライス）する。例えば、ステップＳ１０において、ＧＳＧＧ単結晶Ｃの有効部ＥＰを所定の厚さで分割する。ステップＳ１０において用いる有効部ＥＰは、例えば、内周刃を有する切断装置などにより、直胴部ＳＢから切り離され、円筒研削盤により外形が整えられたものである。また、有効部ＥＰは、結晶方位が（１１１）に面出しされたものが好ましい。ＧＳＧＧ単結晶Ｃの有効部ＥＰの分割は、例えば、ワイヤーソー等の切断装置により行われる。この厚みは、特に限定されないが、例えば、６００μｍ程度である。

続いて、図６のステップＳ１１において、分割したＧＳＧＧ単結晶基板Ｓをエッチング加工する。エッチング加工は、例えば、基板端面のカケや表面のキズなどを防止するため、基板表面及び側面の全面をエッチング加工する。エッチング加工は、例えば、酸などによる化学的エッチング、あるいはシリカなどによる物理的エッチングにより行われる。なお、ステップＳ１１を行うか否かは任意である。

続いて、図６のステップＳ１２において、鏡面加工を行う。鏡面加工は、例えば、コロイダルシリカなどを用いた機械的研磨によるポリッシュ加工を施し、基板表面を鏡面状態する。以上の工程で、ＧＳＧＧ単結晶基板Ｓは完成する。本実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶基板の製造方法は、良質なＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを効率よく製造することができる。なお、ＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの鏡面加工の方法は、上記方法に限定されず、任意である。例えば、鏡面加工は、化学物理的研磨により行ってもよい。

（６）ＲＩＧ
本実施形態のＧＳＧＧ単結晶基板Ｓは、例えば、各種ＲＩＧの製造に用いることができる。以下、本実施形態のＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを用いて製造するＲＩＧの一例について説明する。なお、以下に説明するＲＩＧは、一例であって、本実施形態のＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを用いて製造するＲＩＧを限定するものではない。

本実施形態のＧＳＧＧ単結晶基板Ｓは、例えば、格子定数が１．２５８００ｎｍ以上１．２５８５０ｎｍ以下の場合、下記化学式（２）で表されるＲＩＧの製造に好適に用いることができ、格子定数が１．２５８３０ｎｍである場合より好適に用いることができる。図７に、このＲＩＧにおけるＮｄ−Ｇｄ−Ｂｉ三元系組成図を示す。
Ｎｄ_{３−ｘ２−ｙ２}Ｇｄ_ｘ２Ｂｉ_ｙ２Ｆｅ_５Ｏ_１２ ・・・（２）
（化学式（２）中、ｘ２は０．６５≦ｘ２≦０．８４であり、ｙ２は１．００≦ｙ２≦１．１５である。）

上記ＲＩＧは、本発明者らが、上記した１μｍ帯域の光吸収量を減らしつつ、工業的に高収率な低損失が０．３５ｄＢ以下まで低減したＲＩＧを提供する課題を解決するために、ＲＩＧの格子定数と、それを構成する希土類の種類と添加量を制御することで、１μｍ帯域の波長の光に対し、０．３５ｄＢ以下の低損失のＲＩＧを高い収率で製造出来ることを見出し、このような技術的発見に基づき完成されたものである。以下、上記ＲＩＧについて、詳細に説明する。

（７）希土類の選択
上記ＲＩＧを構成する希土類元素の種類については、ＮｄとＧｄであることを必要とする。

液相エピタキシャル成長法により基板上に結晶を育成する場合、基板と結晶膜の格子定数を整合させなければならない。上記のような格子定数を１．２５７３７ｎｍ〜１．２５８７７ｎｍとしたＧＳＧＧ単結晶基板Ｓでは、格子定数が従来よりも大きいので、この大きな格子定数から選択できる希土類元素は複数ある。

しかし、ＲＩＧにイオン半径の大きなＢｉを入れないとＲＩＧのファラデー回転性能が低下し、ファラデー回転角が４５°となるのに必要なＲＩＧの厚みが増加して光吸収による挿入損失が大きくなってしまう。従って、イオン半径の大きな元素（例えばＬａ等）を選択することは、ＲＩＧにＢｉを含有させることが難しくなるため好ましくない。

ＲＩＧは、下記化学式（３）で表される。
Ｒ_{３−ｘ３−ｙ３}Ｇｄ_ｘ３Ｂｉ_ｙ３Ｆｅ_５Ｏ_１２ ・・・（３）
（化学式（３）中、Ｒは、Ｇｄ以外の希土類元素である。）
ここで、Ｂｉ量が増加すると、Ｂｉ量の増加と共にＲＩＧの熱膨張係数が大きくなることから、基板との格子定数差が大きくなり、成長中にＲＩＧが割れたり、ＲＩＧに転位が発生する等、生産性の低下並びに性能劣化が起こるという問題がある。そして、過去の経験からＢｉ量（ｙ３）が１．３を超えた場合、良質なＲＩＧを育成することが困難であることが判っており、Ｂｉ量が１．３を超えるようなＲＩＧが得られるイオン半径の小さな希土類元素（例えばＴｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等）を用いることも好ましくない。

一方、イオン半径の大きな希土類の中でも、Ｃｅ、Ｐｒのように、経験則上、偏析係数の小さなものは非磁性基板との格子不整合が起こり易く、良質なＲＩＧを量産性に富みながら育成することが困難となるため好ましくなかった。

このような理由とこれまでの研究実績から、上記ＲＩＧにおいて、構成する希土類元素の種類は上述したようにＮｄとＧｄが選択された。そこで、上記ＲＩＧを構成する希土類元素として、ＮｄとＧｄを選択したところ、良好な挿入損失と高い収率を得ることが確認できた。

（８）挿入損失と良品率評価
ＲＩＧが適用されたファラデー回転子の温度上昇は、鉄イオンによる１μｍ付近の光吸収が原因であり、その吸収係数は温度上昇に伴い増加するため、更なる温度上昇をもたらすことになる。このため、ＲＩＧを１０Ｗ級の加工用レーザーに適用する場合、挿入損失は０．３５ｄＢ以下であることが必要とされている。

実施例の表３は、上記化学式（２）で示される種々の組成のＲＩＧを液相エピタキシャル成長法により育成し、ＥＰＭＡ定量分析により各々の化学式量を求め、次いで、成長させた各ＲＩＧをダイシングソーで１１ｍｍ角に切断し、更に波長１．０６μｍの光に対しファラデー回転角が４５°となるようにＲＩＧの厚みを研磨により調整し、波長１．０６μｍの光に対する反射防止膜を両面に形成した後、波長１．０６μｍのＹＶＯ₄レーザー光を入射して挿入損失を測定し、それ等の結果をまとめたものである。

図８は、ＲＩＧにおけるＢｉ化学式量と挿入損失との関係を示すグラフである。

表３及び図８から判るように、ＲＩＧの挿入損失は、Ｂｉ化学式量が大きくなるに従い、小さくなる傾向にある。ＲＩＧを１０Ｗ級の加工用レーザーに適用する場合、挿入損失は０．３５ｄＢ未満であることが必要とされていることより、ＲＩＧは、少なくとも、Ｂｉ化学式量が１．０以上が良好であることが確認される。

また、ＲＩＧの作製時の良品率は、経験則上良品率が９０％以上を高収率と判断する。表３から判るように、Ｂｉ化学式量が大きくなるにつれて、良品率が低下する傾向にある。Ｂｉ量が増加すると、Ｂｉ量の増加と共にＲＩＧの熱膨張係数が大きくなることから、基板との格子定数差が大きくなり、成長中にＲＩＧが割れたり、ＲＩＧに転位が発生する等が起こり良品率を低下させていると考えられる。表３の結果から、ＲＩＧは、Ｂｉ化学式量が１．１５以下が良好であることが確認される。なお、Ｇｄ化学式量（ｘ２）は、化学式（２）より３−ｘ２−ｙ２＞０であればよい。但し、表３に示すように、Ｇｄ化学式量（ｘ２）は、Ｂｉの化学式量（ｙ２）により限定される。Ｂｉの化学式量（ｙ２）が大きくなるに従い、大きくなる傾向にある。Ｇｄ化学式量は、好ましくは、０．６５以上０．８４以下である。Ｇｄ化学式量（ｘ２）が、少なくともこの範囲である場合、表３に示すように、Ｂｉの化学式量（ｙ２）を上記した良好な範囲である１．００≦ｙ２≦１．１５の範囲に設定することができるので、良質な上記ＲＩＧを製造することができる。

また、表３に示す結果から、上記ＲＩＧは、ＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの格子定数が１．２５８００ｎｍ以上１．２５８５０ｎｍ以下の範囲である場合、良好に製造でき、格子定数が１．２５８３０ｎｍである場合、より良好に製造できることが確認される。従来、上記したように、格子定数がＧＳＧＧの１．２５６４ｎｍより大きくＳＳＧＧの１．２６４ｎｍより小さい単結晶基板は、市場で販売されていないため、入手が困難であったが、本実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶基板Ｓは、従来より大きい格子係数を有するため、上記のようなＲＩＧの製造に好適に適用できることを示している。

以上の結果から、上記化学式（２）において、Ｇｄの化学式量を示すｘ２は、０．６５≦ｘ２≦０．８４の範囲、そして、Ｂｉの化学式量を示すｙ２は、１．００≦ｙ２≦１．１５の範囲が望ましいことが確認される。

以下に、本発明の実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例によってなんら限定されるものではない。

以下、本発明の実施例について具体的に説明する。実施例１〜１７は、各々、組成設計段階で、上記条件の化学式（１）のＳｃ化学式量ｘ１が２．００≦ｘ１≦２．１５を満たす組成としている。尚、格子定数はＸ線回折装置を使用して測定した値で、Ｓｃ化学式量はＥＰＭＡ定量分析から求めた化学式量である。

［実施例１］
直径１５０ｍｍ、高さ１５０ｍｍのイリジウム製坩堝に、予め混合したＧｄ_２Ｏ_３、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３の粉末を所定量仕込み、図４に示す育成炉１を用いて、高周波コイル１０により加熱溶融し、原料融液９を得てから、ＧＳＧＧ単結晶Ｃの育成を、通常の育成条件下で試み、ＧＳＧＧ単結晶Ｃを得た。得たＧＳＧＧ単結晶Ｃを内周刃でウエハー状に切り出し、コロイダルシリカ等の研磨液を用いて鏡面に仕上げたＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの格子定数をＸ線回折装置で測定したところ１．２５８００ｎｍと良好であった。次に、Ｓｃの含有量をＥＰＭＡ定量分析で測定し化学式量を求めたところ、２．０６８at.fuと良好であった。

［実施例２］
異なる原料を使用した以外は実施例１と同様に、ＧＳＧＧ単結晶Ｃを育成し、基板状に加工を施しＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを得た。そのＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの格子定数をＸ線回折装置で測定したところ１．２５８５０ｎｍと良好であった。次に、Ｓｃの含有量をＥＰＭＡ定量分析で測定し化学式量を求めたところ、２．１１７at.fuと良好であった。

［実施例３］
異なる原料を使用した以外は実施例１と同様に、ＧＳＧＧ単結晶Ｃを育成し、基板状に加工を施しＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを得た。そのＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの格子定数をＸ線回折装置で測定したところ１．２５８２５ｎｍと良好であった。次に、Ｓｃの含有量をＥＰＭＡ定量分析で測定し化学式量を求めたところ、２．０９３at.fuと良好であった。

［実施例４］
異なる原料を使用した以外は実施例１と同様に、ＧＳＧＧ単結晶Ｃを育成し、基板状に加工を施しＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを得た。そのＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの格子定数をＸ線回折装置で測定したところ１．２５８３０ｎｍと良好であった。次に、Ｓｃの含有量をＥＰＭＡ定量分析で測定し化学式量を求めたところ、２．０９８at.fuと良好であった。

［実施例５］
異なる原料を使用した以外は実施例１と同様に、ＧＳＧＧ単結晶Ｃを育成し、基板状に加工を施しＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを得た。そのＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの格子定数をＸ線回折装置で測定したところ１．２５８００ｎｍと良好であった。次に、Ｓｃの含有量をＥＰＭＡ定量分析で測定し化学式量を求めたところ、２．０６６at.fuと良好であった。

［実施例６］
異なる原料を使用した以外は実施例１と同様に、ＧＳＧＧ単結晶Ｃを育成し、基板状に加工を施しＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを得た。そのＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの格子定数をＸ線回折装置で測定したところ１．２５８５０ｎｍと良好であった。次に、Ｓｃの含有量をＥＰＭＡ定量分析で測定し化学式量を求めたところ、２．１１５at.fuと良好であった。

［実施例７］
異なる原料を使用した以外は実施例１と同様に、ＧＳＧＧ単結晶Ｃを育成し、基板状に加工を施しＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを得た。そのＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの格子定数をＸ線回折装置で測定したところ１．２５８３５ｎｍと良好であった。次に、Ｓｃの含有量をＥＰＭＡ定量分析で測定し化学式量を求めたところ、２．１００at.fuと良好であった。

［実施例８］
異なる原料を使用した以外は実施例１と同様に、ＧＳＧＧ単結晶Ｃを育成し、基板状に加工を施しＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを得た。そのＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの格子定数をＸ線回折装置で測定したところ１．２５７９７ｎｍと良好であった。次に、Ｓｃの含有量をＥＰＭＡ定量分析で測定し化学式量を求めたところ、２．０６４at.fuであった。

［実施例９］
異なる原料を使用した以外は実施例１と同様に、ＧＳＧＧ単結晶Ｃを育成し、基板状に加工を施しＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを得た。そのＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの格子定数をＸ線回折装置で測定したところ１．２５７９５ｎｍと良好であった。次に、Ｓｃの含有量をＥＰＭＡ定量分析で測定し化学式量を求めたところ、２．０６１at.fuであった。

［実施例１０］
異なる原料を使用した以外は実施例１と同様に、ＧＳＧＧ単結晶Ｃを育成し、基板状に加工を施しＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを得た。そのＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの格子定数をＸ線回折装置で測定したところ１．２５８５３ｎｍと良好であった。次に、Ｓｃの含有量をＥＰＭＡ定量分析で測定し化学式量を求めたところ、２．１１８at.fuであった。

［実施例１１］
異なる原料を使用した以外は実施例１と同様に、ＧＳＧＧ単結晶Ｃを育成し、基板状に加工を施しＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを得た。そのＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの格子定数をＸ線回折装置で測定したところ１．２５８５５ｎｍと良好であった。次に、Ｓｃの含有量をＥＰＭＡ定量分析で測定し化学式量を求めたところ、２．１１９at.fuであった。

［実施例１２］
異なる原料を使用した以外は実施例１と同様に、ＧＳＧＧ単結晶Ｃを育成し、基板状に加工を施しＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを得た。そのＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの格子定数をＸ線回折装置で測定したところ１．２５７３７ｎｍと良好であった。次に、Ｓｃの含有量をＥＰＭＡ定量分析で測定し化学式量を求めたところ、２．００at.fuであった。

［実施例１３］
異なる原料を使用した以外は実施例１と同様に、ＧＳＧＧ単結晶Ｃを育成し、基板状に加工を施しＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを得た。そのＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの格子定数をＸ線回折装置で測定したところ１．２５７４１ｎｍと良好であった。次に、Ｓｃの含有量をＥＰＭＡ定量分析で測定し化学式量を求めたところ、２．０３at.fuであった。

［実施例１４］
異なる原料を使用した以外は実施例１と同様に、ＧＳＧＧ単結晶Ｃを育成し、基板状に加工を施しＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを得た。そのＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの格子定数をＸ線回折装置で測定したところ１．２５７９７ｎｍと良好であった。次に、Ｓｃの含有量をＥＰＭＡ定量分析で測定し化学式量を求めたところ、２．０６at.fuであった。

［実施例１５］
異なる原料を使用した以外は実施例１と同様に、ＧＳＧＧ単結晶Ｃを育成し、基板状に加工を施しＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを得た。そのＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの格子定数をＸ線回折装置で測定したところ１．２５８１４ｎｍと良好であった。次に、Ｓｃの含有量をＥＰＭＡ定量分析で測定し化学式量を求めたところ、２．０９at.fuであった。

［実施例１６］
異なる原料を使用した以外は実施例１と同様に、ＧＳＧＧ単結晶Ｃを育成し、基板状に加工を施しＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを得た。そのＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの格子定数をＸ線回折装置で測定したところ１．２５８６３ｎｍと良好であった。次に、Ｓｃの含有量をＥＰＭＡ定量分析で測定し化学式量を求めたところ、２．１２at.fuであった。

［実施例１７］
異なる原料を使用した以外は実施例１と同様に、ＧＳＧＧ単結晶Ｃを育成し、基板状に加工を施しＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを得た。そのＧＳＧＧ単結晶基板Ｓの格子定数をＸ線回折装置で測定したところ１．２５８７７ｎｍと良好であった。次に、Ｓｃの含有量をＥＰＭＡ定量分析で測定し化学式量を求めたところ、２．１５at.fuであった。

これら結果を表２にまとめて示す。

次に、本発明のＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを用いて製造したＲＩＧの実施例について具体的に説明する。実施例１８〜２７は、本発明のＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを用いて、下記化学式（２）で表されるＲＩＧを製造した例である。
Ｎｄ_{３−ｘ２−ｙ２}Ｇｄ_ｘ２Ｂｉ_ｙ２Ｆｅ_５Ｏ_１２ ・・・（２）
（化学式（２）中、ｘ２は０．６５≦ｘ２≦０．８４であり、ｙ２は１．００≦ｙ２≦１．１５である。）なお、実施例１８〜２３では、全てのＧＳＧＧ単結晶基板Ｓについて、直径が１インチ、格子定数１．２５８３０ｎｍの実施例４のＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを用いた。また、実施例２４は実施例１のＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを、実施例２５は実施例２のＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを使用した。

尚、Ｂｉ量とＧｄ量はＥＰＭＡ定量分析から求めた化学式量の値である。また、不良率、良品率は、各々ＲＩＧから１１ｍｍ角を切断し、更にその１１ｍｍ角から１ｍｍ角を１００枚切断、次いでその１ｍｍ角から、その形状あるいは面内のピット数量によって、不良品、良品を選別して得られた結果である。尚、不良品についてはＲＩＧ中に発生したクラック起因による角欠け変形のあるもの、あるいは角欠けは無いものの金属顕微鏡、赤外顕微鏡の観察による１ｍｍ角面内のピット数量が５個以上のものとし、同様に良品は角欠けもなく、面内のピット数量も５個以下のものとして選別し、その結果を元とした各々の発生率も合わせて示した。表３では、実施例に係わるＲＩＧの不良率、良品率と挿入損失とを比較している。

なお、合格基準は、光吸収量を表す挿入損失は≦０．３５ｄＢとし、その時の良品率は９０％以上とした。

［実施例１８］
まず、原料として、Ｎｄ_２Ｏ_３を２．２０ｇ、Ｇｄ_２Ｏ_３を２．３７ｇ、Ｆｅ_２Ｏ_３を２９．２７ｇ、Ｂｉ_２Ｏ_３を２５４．９７ｇ、ＰｂＯを２０１．５２ｇ、Ｂ_２Ｏ_３を９．６７ｇそれぞれ秤量し、白金坩堝中において１０００℃で溶解し、融液が均一な組成になるように十分に撹拌混合した。

次に、ＲＩＧをエピタキシャル成長させるため、融液の温度を７８０℃の育成温度まで降下させた。その後、上記ＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを片面のみが融液に浸漬するように設置し、ＧＳＧＧ単結晶基板Ｓを回転させながらＲＩＧをエピタキシャル成長させた。得られたＲＩＧをＥＰＭＡ定量分析するとＢｉ量は１．１５、Ｇｄ量は０．７８であった。

このような条件で育成したＲＩＧから１１ｍｍ角、更には１ｍｍ角を切断し、観察したところ、不良品は１０個、良品は９０個と良好であった。また、波長１．０６μｍの光に対してファラデー回転角が４５°となるようにＲＩＧの厚みを研磨により調整した後、波長１．０６μｍの光に対する反射防止膜を両面に形成した後、波長１．０６μｍのＹＶＯ_４レーザー光を入射し、挿入損失（ＩＬ）を測定したところ０．３１ｄＢと極めて良好な結果であった。

［実施例１９］
原料として、Ｎｄ_２Ｏ_３を２．２６ｇ、Ｇｄ_２Ｏ_３を２．３１ｇ、Ｆｅ_２Ｏ_３を２９．２７ｇ、Ｂｉ_２Ｏ_３を２５４．９７ｇ、ＰｂＯを２０１．５２ｇ、Ｂ_２Ｏ_３を９．６７ｇそれぞれ秤量して原料組成を変えたこと、および、育成温度を７８１℃とした以外は実施例１８と同様にしてＲＩＧを育成した。得られたＲＩＧのＢｉ量は１．１３、Ｇｄ量は０．７５であった。

そして、実施例１８と同様にＲＩＧを観察したところ、不良品は８個、良品は９２個と良好であった。また、波長１．０６μｍの光に対してファラデー回転角が４５°となるようにＲＩＧの厚みを研磨により調整した後、波長１．０６μｍの光に対する反射防止膜を両面に形成した後、波長１．０６μｍのＹＶＯ_４レーザー光を入射し、挿入損失（ＩＬ）を測定したところ０．３２ｄＢと極めて良好な結果であった。

［実施例２０］
原料として、Ｎｄ_２Ｏ_３を２．４８ｇ、Ｇｄ_２Ｏ_３を２．４０ｇ、Ｆｅ_２Ｏ_３を２９．１１ｇ、Ｂｉ_２Ｏ_３を２５４．８８ｇ、ＰｂＯを２０１．４５ｇ、Ｂ_２Ｏ_３を９．６７ｇそれぞれ秤量して原料組成を変えたこと、および、育成温度を７８６℃とした以外は実施例１８と同様にしてＲＩＧを育成した。得られたＲＩＧのＢｉ量は１．０８、Ｇｄ量は０．７３であった。

そして、実施例１８と同様にＲＩＧを観察したところ、不良品は５個、良品は９５個と極めて良好であった。また、波長１．０６μｍの光に対してファラデー回転角が４５°となるようにＲＩＧの厚みを研磨により調整した後、波長１．０６μｍの光に対する反射防止膜を両面に形成した後、波長１．０６μｍのＹＶＯ_４レーザー光を入射し、挿入損失（ＩＬ）を測定したところ０．３４ｄＢと良好な結果であった。

［実施例２１］
原料として、Ｎｄ_２Ｏ_３を２．４０ｇ、Ｇｄ_２Ｏ_３を２．３３ｇ、Ｆｅ_２Ｏ_３を２９．１９ｇ、Ｂｉ_２Ｏ_３を２５４．９３ｇ、ＰｂＯを２０１．４９ｇ、Ｂ_２Ｏ_３を９．６７ｇそれぞれ秤量して原料組成を変えたこと、および、育成温度を７８４℃とした以外は実施例１８と同様にしてＲＩＧを育成した。得られたＲＩＧのＢｉ量は１．０５、Ｇｄ量は０．７３であった。

そして、実施例１８と同様にＲＩＧを観察したところ、不良品は４個、良品は９６個と極めて良好であった。また、波長１．０６μｍの光に対してファラデー回転角が４５°となるようにＲＩＧの厚みを研磨により調整した後、波長１．０６μｍの光に対する反射防止膜を両面に形成した後、波長１．０６μｍのＹＶＯ_４レーザー光を入射し、挿入損失（ＩＬ）を測定したところ０．３４ｄＢと良好な結果であった。

［実施例２２］
原料として、Ｎｄ_２Ｏ_３を２．３６ｇ、Ｇｄ_２Ｏ_３を２．３７ｇ、Ｆｅ_２Ｏ_３を２９．１９ｇ、Ｂｉ_２Ｏ_３を２５４．９３ｇ、ＰｂＯを２０１．４９ｇ、Ｂ_２Ｏ_３を９．６７ｇそれぞれ秤量して原料組成を変えたこと、および、育成温度を７８４℃とした以外は実施例１８と同様にしてＲＩＧを育成した。得られたＲＩＧのＢｉ量は１．００、Ｇｄ量は０．６９であった。

そして、実施例１８と同様にＲＩＧを観察したところ、不良品は２個、良品は９８個と極めて良好であった。また、波長１．０６μｍの光に対してファラデー回転角が４５°となるようにＲＩＧの厚みを研磨により調整した後、波長１．０６μｍの光に対する反射防止膜を両面に形成した後、波長１．０６μｍのＹＶＯ_４レーザー光を入射し、挿入損失（ＩＬ）を測定したところ０．３５ｄＢと良好な結果であった。

［実施例２３］
原料として、Ｎｄ_２Ｏ_３を２．５１ｇ、Ｇｄ_２Ｏ_３を２．５７ｇ、Ｆｅ_２Ｏ_３を２９．０２ｇ、Ｂｉ_２Ｏ_３を２５４．８３ｇ、ＰｂＯを２０１．４１ｇ、Ｂ_２Ｏ_３を９．６７ｇそれぞれ秤量して原料組成を変えたこと、および、育成温度を７８７℃とした以外は実施例１８と同様にしてＲＩＧを育成した。得られたＲＩＧのＢｉ量は１．１０、Ｇｄ量は０．７４であった。

そして、実施例１８と同様にＲＩＧを観察したところ、不良品は４個、良品は９６個と極めて良好であった。また、波長１．０６μｍの光に対してファラデー回転角が４５°となるようにＲＩＧの厚みを研磨により調整した後、波長１．０６μｍの光に対する反射防止膜を両面に形成した後、波長１．０６μｍのＹＶＯ_４レーザー光を入射し、挿入損失（ＩＬ）を測定したところ０．３３ｄＢと良好な結果であった。

［実施例２４］
原料として、Ｎｄ_２Ｏ_３を２．２９ｇ、Ｇｄ_２Ｏ_３を２．３４ｇ、Ｆｅ_２Ｏ_３を２９．２４ｇ、Ｂｉ_２Ｏ_３を２５４．９５ｇ、ＰｂＯを２０１．５１ｇ、Ｂ_２Ｏ_３を９．６７ｇそれぞれ秤量して原料組成を変えたこと、および、育成温度を７８６℃とした以外は実施例１８と同様にしてＲＩＧを育成した。得られたＲＩＧのＢｉ量は１．１５、Ｇｄ量は０．８４であった。

そして、実施例１８と同様にＲＩＧを観察したところ、不良品は１０個、良品は９０個と良好であった。また、波長１．０６μｍの光に対してファラデー回転角が４５°となるようにＲＩＧの厚みを研磨により調整した後、波長１．０６μｍの光に対する反射防止膜を両面に形成した後、波長１．０６μｍのＹＶＯ_４レーザー光を入射し、挿入損失（ＩＬ）を測定したところ０．３１ｄＢと極めて良好な結果であった。

［実施例２５］
原料として、Ｎｄ_２Ｏ_３を２．３６ｇ、Ｇｄ_２Ｏ_３を２．３７ｇ、Ｆｅ_２Ｏ_３を２９．１９ｇ、Ｂｉ_２Ｏ_３を２５４．９３ｇ、ＰｂＯを２０１．４９ｇ、Ｂ_２Ｏ_３を９．６７ｇそれぞれ秤量して原料組成を変えたこと、および、育成温度を７８２℃とした以外は実施例１８と同様にしてＲＩＧを育成した。得られたＲＩＧのＢｉ量は１．００、Ｇｄ量は０．６５であった。

そして、実施例１８と同様にＲＩＧを観察したところ、不良品は４個、良品は９６個と極めて良好であった。また、波長１．０６μｍの光に対してファラデー回転角が４５°となるようにＲＩＧの厚みを研磨により調整した後、波長１．０６μｍの光に対する反射防止膜を両面に形成した後、波長１．０６μｍのＹＶＯ_４レーザー光を入射し、挿入損失（ＩＬ）を測定したところ０．３４ｄＢと良好な結果であった。

これ等結果を表３にまとめて示す。

以上のように、本発明に係る非磁性ガーネット単結晶、及び非磁性ガーネット単結晶基板は、１．２５６４ｎｍより大きい格子定数を有するので、１．２５６４ｎｍよりも大きい格子定数のＲＩＧの製造に好適に用いることができる。また、本実施形態に係るＧＳＧＧ単結晶Ｃは、構成する金属元素が３種類であるため単純な組成であり、さらに、化学式中の１つの変数（ｘ１）を制御することにより格子定数を制御することができるので、所望の格子定数の単結晶を容易に製造することができる。また、本発明に係る非磁性ガーネット単結晶の製造方法は、良質な上記非磁性ガーネット単結晶を効率よく製造することができる。また、本発明に係る非磁性ガーネット単結晶基板の製造方法は、良質な上記非磁性ガーネット単結晶基板を効率よく製造することができる。

なお、本発明の技術範囲は、上述の実施形態などで説明した態様に限定されるものではない。上述の実施形態などで説明した要件の１つ以上は、省略されることがある。また、上述の実施形態などで説明した要件は、適宜組み合わせることができる。また、法令で許容される限りにおいて、上述の実施形態などで引用した全ての文献の開示を援用して本文の記載の一部とする。

本発明の非磁性ガーネット単結晶は、従来の１．２５６４ｎｍよりも大きい格子係数を有する。このため、本発明の非磁性ガーネット単結晶は、従来の１．２５６４ｎｍよりも大きい格子定数を有するビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶膜（ＲＩＧ）の製造に使用される産業上の利用可能性を有している。

１・・・育成炉
２・・・チャンバー
３・・・断熱材
４・・・軸
５・・・ホットゾーン
８・・・ルツボ
９・・・原料融液
１０・・・高周波コイル
ＣＯＮＴ・・・制御部
Ｓ・・・ＧＳＧＧ単結晶基板
Ｃ・・・ＧＳＧＧ単結晶
ＳＣ・・・種結晶
ＳＨ・・・肩部
ＳＢ・・・直胴部
ＳＢａ・・・下端部
ＥＰ・・・有効部

Claims (11)

1. 下記化学式（１）で表される非磁性ガーネット単結晶。
   Ｇｄ_３Ｓｃ_ｘ1Ｇａ_５−ｘ1Ｏ_１２ ・・・（１）
   （化学式（１）中、ｘ１は２．００≦ｘ１≦２．１５である。）
2. 前記化学式（１）のｘ１と格子定数との関係は、正の一次相関の関係である、請求項１に記載の非磁性ガーネット単結晶。
3. 格子定数をａ［ｎｍ］としたときに、前記化学式（１）のｘ１と格子定数ａとの関係は、下記数式（１）の関係を満たす、請求項１または請求項２に記載の非磁性ガーネット単結晶。
   ０．０１０３１ｘ１＋１．２３６４５≦ａ≦０．０１０３１ｘ１＋１．２３６８５・・・（１）
4. 格子定数が１．２５７３７ｎｍ以上、１．２５８７７ｎｍ以下である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の非磁性ガーネット単結晶。
5. 前記化学式（１）中、ｘ１は２．０６５≦ｘ１≦２．１１７である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の非磁性ガーネット単結晶。
6. 格子定数が１．２５８００ｎｍ以上、１．２５８５０ｎｍ以下である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の非磁性ガーネット単結晶。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の非磁性ガーネット単結晶を用いてなる非磁性ガーネット単結晶基板。
8. 回転引上げ法により非磁性ガーネット単結晶を製造する方法であって、
   Ｇｄ、Ｓｃ及びＧａを含む原料を融解させた原料融液に、種結晶を接触させて回転させながら引き上げることにより、下記化学式（１）で表される非磁性ガーネット単結晶を製造する非磁性ガーネット単結晶の製造方法。
   Ｇｄ_３Ｓｃ_ｘ１Ｇａ_５−ｘ１Ｏ_１２ ・・・（１）
   （式（１）中、ｘ１は２．００≦ｘ１≦２．１５である。）
9. 前記原料中のＧｄの原子数に対するＳｃの原子数及びＧａの原子数を調整して、格子定数を所定の範囲に制御することを含む、請求項８に記載の非磁性ガーネット単結晶の製造方法。
10. 前記所定の範囲は、１．２５７３７ｎｍ以上、１．２５８７７ｎｍ以下である、請求項９に記載の非磁性ガーネット単結晶の製造方法。
11. 請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載の製造方法により製造した非磁性ガーネット単結晶から製造する、非磁性ガーネット単結晶基板の製造方法。
    

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