JP2565346B2 - 分極反転領域を有するLiNbO▲下3▼/LiTaO▲下3▼単結晶圧電基板及びその製造方法 - Google Patents

分極反転領域を有するLiNbO▲下3▼/LiTaO▲下3▼単結晶圧電基板及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は圧電結晶たるLiNbO3或はLiTaO3基板,殊にそ
の結晶表面に分極反転層を形成した単結晶基板及びその
製造方法に関する。
(従来技術) 従来LiTaO3単結晶表面に交叉指(IDT)電極を付しこ
れに直流電圧を印加しつつ当該結晶のキュリー点以上か
ら温度を低下することによって結晶表面にその自発分極
の極性が反転した領域が交互に形成されることが知られ
ている。
又,Tiを熱拡散したLiNbO3単結晶を光導波路として製
造する際Ti熱拡散処理に伴いやはり分極反転領域が発生
することがありこれが光導波路の性能を劣化させるので
問題となっていることも周知である。
上述の如き事実に鑑み本願発明者は種々の実験を行っ
た結果,LiNbO3をAr等の不活性ガス中でキュリー点より
若干低温にて熱処理することにより圧電基板の自発分極
に関するプラス(+)面に分極反転層が形成されること
を見出し,これが各種圧電デバイスに応用可能であるこ
とを示した(昭和61年8月22日出願の“分極反転領域を
有するLiNbO3単結晶圧電基板及びその製造方法”及び昭
和61年9月2日出願の“分極反転領域を有するLiNbO3
板を利用したデバイス”参照)。
しかしながら,上述した分極反転領域形成方法はLiNb
O3にのみ適用可能であって,これと同種の強誘電体圧電
結晶たるLiTaO3には適用が困難で材料選択の自由度が小
さいという問題があった。
(発明の目的) 本発明は上述した如き従来のLiNbO3或はLiTaO3単結晶
基板に対する分極反転領域形成の問題点を解決すべくな
されたものであって分極反転領域を形成せしめたLiNbO3
或はLiTaO3単結晶基板及びその製造方法を提供せんとす
るものである。
(発明の概要) 上述の目的を達成するため、本発明に於ては、LiTaO3
基板又はLiNbO3基板を酸中に浸漬し、プロトン交換法で
H+とLi+とを交換することにより、前記基板からLi+を減
少せしめ、その後、前記基板のキュリー点付近もしくは
キュリー点以下の温度で熱処理を行うことにより、前記
基板の自発電極に関するマイナス(−)面、又はプラス
(+)面に分極反転領域を形成するものである。
(実施例) 以下,本発明をなすに至った知見,製造方法及び分極
反転領域の形成された基板の特性等を中心に詳細に説明
する。
実施例の説明に先立って本願発明者の従前からの見知
について少しく説明する。
前述した如くLiNbO3基板表面にそのキュリー点付近で
Tiを熱拡散せしめると該部には分極反転領域が形成され
るが,斯る現象はLiTaO3に於いては生じなかった。この
理由はLiTaO3はLiNbO3に比してそのキュリー点が低くTi
熱拡散或はLi2Oの外拡散が生じにくい為であると考えら
れる。
然りとすればLiTaO3のキュリー点以下でLiの欠乏を生
ぜしめることによってLiTaO3にも分極反転領域の形成が
可能であろう。
一方,光導波路の形成法としてLiNbO3或はLiTaO3にプ
ロトン交換法を適用すれば屈折率の変化する領域の生ず
ることが知られている。
プロトン交換法とはH+とLi+との交換によりLiNbO3
はLiTaO3基板からLi+を減少せしめるものであるからLiN
bO3或はLiTaO3基板からLi+を欠乏せしめ然る後に熱処理
を行えば分極反転領域が形成される可能性大と考えられ
る。
以上の考察に基づき厚さ0.5mmのLiTaO3のZ板を約220
℃の安息香酸(C6H5COOH)中に3時間浸漬してプロトン
交換処理を行った後590℃の大気中で5時間熱処理を行
った。
上述の如き処理を行ったLiTaO3基板表面表裏に直径2m
mの小電極を付着し厚み振動のアドミタンス特性を測定
したところ第1図に示す如き結果を得た。
即ち6,8及び10次の偶数次厚み縦振動のレスポンスが
強く現われているところから基板に分極反転層が形成さ
れているものと推定された。
分極反転層の形成を確認する為更に前記試料をX軸に
沿って切断し,当該断面をエッチングしこれを顕微鏡下
で観察したところ基板−C面側に深さ約60μmのエッチ
ングの殆んど進行しない層の存在することが判明した。
斯くして基板+Y面側と−Y面側のエッチング・レイト
の差からLiTaO3基板の−C面、即ち、自発分極に関する
面のマイナス(−)面に深さ約60μmの分極反転層が形
成されたことが確認された。
以上の説明からも明らかな如くプロトン交換法を用い
ればLiTaO3Z板の−C面に分極反転領域が形成されるこ
とが確認されたが,同様の結果はLiNbO3基板の自発分極
に関する面のプラス(+)面(+C面)側についても発
生する。又,安息香酸の代りに硝酸マグネシウム水和塩
によってプロトン交換を行っても上記実施例とほゞ同様
の結果を得たが煩雑を避ける為説明を省略する。
尚,LiTaO3,LiNbO3の回転Y板でもやはり自発分極に関
しマイナス(−)面及びプラス(+)面に夫々分極反転
領域の形成が認められ,これはC軸が板面に平行に近い
164゜回転Y板でも発生することを確認している。
以上説明した分極反転領域形成のメカニズム,殊にプ
ロトン交換法を用いると何故にLiTaO3基板の自発分極に
関しマイナス(−)面側に,又LiNbO3基板の自発分極に
関しプラス(+)面側に分極反転層が形成されるかにつ
いては目下のところ不明であるが,斯る分極反転領域を
有する圧電基板を製造することが可能であることは明ら
かとなったのでこのような基板を利用する各種圧電デバ
イスを列挙し夫々につき簡単に説明する。
(1) 屈曲振動子/アクチュエータ(第2図参照) C軸方向に厚さtなるLiTaO3或はLiNbO3基板の夫々自
発分極に関しマイナス(−)面側或はプラス(+)面
側、即ち、−C面側或は+C面側にt/2の深さに分極反
転層を設けその両主面に電極を付し交流電界を印加すれ
ば屈曲振動を励起することができる。
因みに従来の屈曲振動子は2枚の圧電基板をその分極
方向を相互に逆にして貼着したもの或は単一圧電基板に
分割電極を設け相隣り合う電極間に交流電界を印加して
板面内の屈曲振動を励振するもの等が存在するが前者は
接着層の介在が共振子のQを低下させるのみならず共振
周波数のバラツキが多く,後者は共振周波数が分割電極
を付着する面の基板幅にほゞ比例することから低周波用
振動子を得んとしても電極の分割が困難である等の欠点
があった。
これに対し本発明に係る分極反転基板を用いた屈曲振
動子は基板の接着や電極の分割を必要としないので上述
の欠陥を全て回避し得るのみならず振動子の小型化と低
い共振周波数とを実現し得るものである。
尚,上記の振動子の電極はこれを適当な部分電極とす
れば容量比を小さくすることができよう。
上述した如き屈曲振動子は印加電圧を直流とすれば微
小変位を与えるアクチュエータとして使用することが可
能なことはいうまでもない。このようなアクチュエータ
は従来の屈曲型圧電アクチュエータの如く極性を逆にし
て貼着する如き構造を用いる必要がなく,又圧電材料と
してセラミックでなく単結晶を用いるので動作にヒステ
リシスの生ずることがなく更に高温下で使用しても接着
層が剥離したりする虞れもない。
(2) SAWデバイス LiTaO3基板の自発分極に関しマイナス(−)面に所望
のパターン,例えばグレーティング状の保護層を付着し
た上でプロトン交換を行い然る後に熱処理すれば第3図
に示す如きグレーティング状分極反転領域を形成するこ
とができる。
グレーティング状の分極反転領域は弾性表面波(SA
W)を反射することは明らかであるから第4図に示す如
くSAW共振子等の反射器として利用しうる。殊に分域列
が基板表面近傍で連続している基板を用いればSAWの反
射が連続的な変化となるから従来の導体グレーティング
を用いる反射器にみられる如く反射波が他のバルク波に
変換されロスとなることが少ない故Qの高いSAWデバイ
スを得ることが可能である。
尚,部分的分極反転領域形成部の表面上にIDT電極を
付すことも可能であり,例えば概ね第5図(a)又は
(b)に示す如くすれば内部反射型一方向性SAWトラン
スジューサが得られる。
この場合SAWの反射は専ら分極反転領域によって支配
されるとはいうもののIDT電極の影響をもうけるので分
極反転領域とIDT電極との相互位置関係は従来のIDT電極
の段差による一方向性トランスジューサの電極構造の如
く単純ではなく実験によって決定する必要がある。
従来のSAWデバイスはIDT励振電極のピッチによって周
波数が決定するものであるから昨今の電子機器の高周波
化に対処する為にはIDT電極ピッチを小さくする必要が
あり製造上極めて困難であるのみならず電極指間隙が狭
くなるに従い微細な金属片の存在によっても短絡の発生
することが少なくなかった。
このような問題は本発明に係る部分的分極反転領域を
有するLiTaO3基板を用い,例えば第6図(a)に示す如
く基板中央の表裏に部分一様電極を設けこれに交番電界
を印加し,前記一様電極の両側の分極反転列を反射器と
して利用すれば完全に解決する。
以上1ポートのSAWデバイス(共振子)について説明
したがこれは同図(b)に示す如く完全々面電極を有す
るものに,或は同図(c)又は(d)に示す如く2ポー
トデバイスとすることも可能である。
(3) 表面励振超音波トランスジューサ 第7図(a)及び(b)は本発明に係るLiTaO3基板を
超音波トランスジューサとして利用する場合の実施例を
示す断面図である。
即ち,同図(a)に示す如く所定の間隔を設けて形成
したグレーティング状部分的分極反転領域を有するLiTa
O3Z板表面上の分域境界をまたぐ形にAl等でIDT電極を付
しこれにSAW共振子と同様に交番電界を印加すれば横波
のバルク波が発生する。
又,同図(b)に示す如くLiTaO3回転Y板の分極反転
領域及び非反転領域に交互にIDT電極を設けて励振すれ
ば縦波が発生しこれらはいずれも超音波として放射され
る。
(4) 光偏向或は光変調デバイス 従来の光偏向或は光変調デバイスは例えばLiTaO3結晶
に超音波トランスジューサを貼着し前記LiTaO3結晶中を
伝搬する超音波と光との相互作用に基づくブラック回折
を利用するものがあるが,このようなデバイスは超音波
トランスジューサとLiTaO3結晶との接着が困難であるこ
と,高周波化が困難であること等の欠陥があった。
この種の光デバイスを本発明に係る部分的分極反転領
域を有するLiTaO3基板を用いれば第8図に示す如く部分
的分極反転領域形成面にIDT電極を,又その対向面に吸
音材を付着するのみで簡単に光偏向或は光変調デバイス
が得られること多言を要しないであろう。
以上,分極反転層を有するLiTaO3基板を利用した各種
デバイスについて説明したが,これらは全てLiNbO3基板
を用いても可能であることはいうまでもない。その場合
には第2図乃至第8図の分極PSの方向が逆になるだけで
あることに注目されたい。
(発明の効果) 本発明は以上説明した如き部分的分極反転領域を有す
る基板を比較的簡単な方法によって製造するものである
から,この基板を応用して各種の特色あるデバイスを構
成することができる。
殊にこの基板を超音波トランスジューサに適用すれば
派生的に光デバイスを一体構造で安価に提供することが
できるから光による情報伝送システムに好適であり又SA
Wデバイスを構成する場合には必ずしもIDT電極を必要と
しない等,その高周波化上の困難を回避する上で著しい
効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る分極反転層を有するLiTaO3基板の
アドミタンス特性を示す実験結果図,第2図は本発明に
係る分極反転層を有する圧電基板を屈曲振動子或はアク
チュエータとして利用する際の基本構成を示す断面図,
第3図は本発明に係る部分的分極反転領域を形成した圧
電基板の構成断面,第4図はこれを反射器に利用したSA
Wデバイスの構成断面図,第5図(a)及び(b)並び
に第6図(a)乃至(d)は夫々部分的分極反転領域を
有する圧電基板を利用する異ったSAWデバイスの構成を
示す断面図、第7図(a)及び(b)は夫々異った超音
波トランスジューサの構成を示す断面図,第8図は超音
波トランスジューサを利用した光デバイスの構成を示す
断面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安藤 晴康 宮城県仙台市荒巻字青葉(番地なし) 東北大学工学部通信工学科内 (72)発明者 清水 賢一 宮城県仙台市荒巻字青葉(番地なし) 東北大学工学部通信工学科内

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】自発電極に関するマイナス(−)面に分極
    反転領域を形成したことを特徴とするLiTaO3単結晶圧電
    基板。
  2. 【請求項2】LiTaO3基板を酸中に浸漬し、プロトン交換
    法でH+とLi+とを交換することにより前記LiTaO3基板か
    らLi+を減少せしめ、その後、前記LiTaO3基板のキュリ
    ー点付近で熱処理を行うことにより、前記LiTaO3基板の
    自発電極に関するマイナス(−)面に分極反転領域を形
    成したことを特徴とする分極反転領域を有するLiTaO3
    結晶圧電基板の製造方法。
  3. 【請求項3】前記熱処理を、前記LiTaO3のキュリー点以
    下で行ったことを特徴とする特許請求の範囲(2)記載
    の分極反転領域を有するLiTaO3単結晶圧電基板の製造方
    法。
  4. 【請求項4】LiNbO3基板を酸中に浸漬し、プロトン交換
    法でH+とLi+とを交換することにより前記LiNbO3基板か
    らLi+を減少せしめ、その後、前記LiNbO3基板のキュリ
    ー点付近で熱処理を行うことにより、前記LiNbO3基板の
    自発電極に関するプラス(+)面に分極反転領域を形成
    したことを特徴とする分極反転領域を有するLiNbO3単結
    晶圧電基板の製造方法。
  5. 【請求項5】前記熱処理を、前記LiNbO3のキュリー点以
    下で行ったことを特徴とする特許請求の範囲(4)記載
    の分極反転領域を有するLiNbO3単結晶圧電基板の製造方
    法。
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FR3078822B1 (fr) * 2018-03-12 2020-02-28 Soitec Procede de preparation d’une couche mince de materiau ferroelectrique a base d’alcalin

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