JP3190038B2 - 磁気光学結晶膜用ガーネット結晶及びその製造方法 - Google Patents

磁気光学結晶膜用ガーネット結晶及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光アイソレータ,光スイッチ,光偏向器等光
デバイスとして利用される磁気光学結晶膜用のガーネッ
ト基板単結晶及びその製造方法に関するものである。
〔従来の技術〕
磁気光学結晶膜としては一般式、 (Bi1-x-yRxR′3Fe5O12及び(Ce1-x-yRxR′3Fe
5O12(但しx,yはそれぞれ0<x<1,0<y≦0.7の範囲
にあり、R及びR′はそれぞれY,Sc,La,Ce,Nd,Sm,Eu,G
d,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu等の希土類元素である)で表さ
れるビスマス及びセリウム置換希土類鉄ガーネットが知
られており、これらの磁気光学結晶膜を成膜する場合の
基板結晶としては、ガドリニウム・ガリウムガーネッ
ト,ネオジウム・ガリウムガーネット、ガドリニウム・
スカンジウム・ガリウムガーネット基板結晶等が用いら
れているが、格子定数がそれぞれ1.238nm,1.251nm及び
1.256nmであり、ビスマス及びセリウムの完全置換体の
格子定数に対して小く、成膜時において基板とのマッチ
ングが問題視されている。またガドリニウム・ルテチウ
ム・ガリウムガーネット及びガドリウム・インジウム・
ガリウムガーネットが完全置換体用結晶として知られて
いるが、前者は高品質単結晶育成が困難であること、及
び後者は大口径単結晶の育成が困難であることが欠点で
あった。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記ビスマス及びセリウム置換希土類鉄ガーネット磁
気光学結晶膜をスパッタリング法等気相から生長させる
気相生長法あるいは液相エピタキシャル法等液相から成
長させる液相成長方法等により、基板結晶上に成長させ
る場合、成長する磁気光学膜結晶に欠陥,転位を少なく
するため、また基板と磁気光学結晶の密着力を大きくす
る場合には、成膜磁気光学結晶と基板結晶の格子定数を
なるべく一致させるかもしくは同じくする必要がある。
ビスマス及びセリウム置換希土類鉄ガーネットのファラ
デー回転能及び格子定数はビスマス及びセリウムの置換
量に比例して大きくなる。磁気光学結晶を用いて光デバ
イスを作成する場合は、できるだけファラデー回転能を
大きくすることが、デバイス全体を小さくしたい場合に
必要となる。最もファラデー回転能が大きいビスマス完
全置換希土類鉄ガーネット、即ちBi3Fe5O12(ビスマス
鉄ガーネット)の格子定数は1.262nmである。しかしな
がら、従来磁気光学結晶膜用ガーネット基板としては、
ガドリニウム・ガリウムガーネット、ネオジム・ガリウ
ムガーネットあるいはガドリニウム・スカンジウム・ガ
リウムガーネット等が知られているが、格子定数はそれ
ぞれ1.238nm,1.251nm及び1.256nmである。したがってこ
れらの基板結晶を用いた場合、ビスマスの置換量と格子
定数が比例関係にあることより、ビスマスの置換量が限
られてしまい、特性を生かしきれなくなってしまう。ま
た置換量を増やすことにより、磁気光学結晶膜と基板結
晶との間で格子不整合を起こし、成膜磁気光学結晶膜に
転位あるいはクラックが生じると言う問題がある。また
ネオジウム・ガリウムガーネット等は、300nmから2000n
mの範囲(可視光領域から近赤外光領域)において、光
吸収が認められるので磁気光学結晶の特性を広い範囲に
おいて使用不可能となる。またビスマス完全置換希土類
鉄ガーネット用基板としては、ガドリニウム・ルテチウ
ム・ガリウムガーネットが知られており、300nmから200
0nmの範囲(可視光領域から近赤外光領域)において光
吸収がないこと、及び格子定数が1.26nmであり、ビスマ
ス完全置換希土類鉄ガーネット用基板として用いられて
いる。しかしながらガドリニウム・ルテチウム・ガリウ
ムガーネット単結晶基板については、高品質単結晶育成
が困難であることが問題視されている。またガドリニウ
ム・インジウム・ガリウムガーネットについては、大口
径単結晶の育成が困難であることが問題視されている。
本研究の目的は、従来のガーネット基板の欠点とされ
る、ビスマス及びセリウム置換希土類鉄ガーネット結晶
膜の格子定数と整合する磁気光学結晶用基板結晶、可視
光領域から近赤外光領域において光吸収のない磁気光学
結晶用基板結晶及び高品質単結晶製造可能な磁気光学結
晶用基板結晶及びその製造方法を提供しようとするもの
である。
〔課題を解決するための手段〕
本発明者等は、前記目的を達成すべく鋭意研究の結
果、従来のガドリニウム・ガリウムガーネットにおける
ガリウムの一部を置換、あるいは、ガドリニウム・スカ
ンジウム・ガリウムガーネットにおけるスカンジウムの
一部を、またガドリニウム・ルテチウム・ガリウムガー
ネットにおけるルテチウムの一部を、スカンジウム及び
ルテチウムで置換でき、また格子定数は置換量において
制御可能であることを見出だした。すなわち一般式で、 (Gd1-xLux(LuySczGa1-y-z2Ga3O12で示されるガ
ーネットが存在し、格子定数はx,y及びz値に依存する
ことが判明した。ガドリニウム・ルテチウム・スカンジ
ウム・ガリウムガーネット単結晶は、可視光領域から近
赤外光領域において光吸収がない。これらの結果よりガ
ドリニウム・ルテチウム・スカンジウム・ガリウムガー
ネット単結晶が磁気光学結晶膜、即ちビスマス及びセリ
ウム置換希土類鉄ガーネット結晶の格子定数に整合する
知見を得、本発明を完成させたものである。本発明の要
旨は一般式(Gd1-xLux(LuySc2Ga1-y-zzGa3O
12(但しx,y,zはそれぞれ0<x≦0.5,0.01<y≦1,0.0
1<z≦0.5の範囲である)で表されることを特徴とする
磁気光学結晶膜用ガドリニウム・ルテチウム・スカンジ
ウム・ガリウムガーネット単結晶及び単結晶基板であ
り、ガドリニウム,ルテチウム,スカンジウム及びガリ
ウムの酸化物を原子比で、Gd:Lu:Sc:Ga=3(1−
x):(3x+2y):2z:{2(1−y−z)+3}(但し
x,y,zはそれぞれ0<x≦0.5,0.01<y≦1,0.01<z≦
0.5の範囲である)の量比で十分混合し、得られた混合
物もしくは化合物を不活性ガス,還元性ガスもしくは酸
化性ガス雰囲気で溶融し、固化させて結晶を得ることを
特徴とする磁気光学結晶膜用ガドリニウム・ルテチウム
・スカンジウム・ガリウムガーネット単結晶の製造方法
にある。前記一般式のx,y,zはそれぞれ0<x≦0.5,0.0
1<y≦1及び0.01<z≦0.5の範囲である。この範囲内
であれば、ガドリニウム・ルテチウム・スカンジウム・
ガリウムガーネット単一相であるが、範囲外であるとガ
ドリニウム・ルテチウム・ガリウムガーネット相、ガド
リニウム・スカンジウム・ガリウムガーネット相もしく
はペロブストカイト相等の第二相が生成し、ガーネット
単結晶が得られない。本発明のガーネット基板結晶は、
結晶が目的の組成及び格子定数になるように、酸化ガド
リニウム(Gd2O3),酸化ルテチウム(Lu2O3),酸化ス
カンジウム(Sc2O3)及び酸化ガリウム(Ga2O3)の量比
を調整し、これらの混合物もしくは化合物を不活性ガ
ス,還元性ガスもしくは酸化性ガス雰囲気中でベルヌー
イ法,フローティングゾーン法,チョクラルスキー法ま
たはブリッジマン法等により溶融固化することによって
得ることが出来る。
〔実施例1〕 ガドリニウム,ルテチウム,スカンジウム,ガリウム
の酸化物を原子比でGd:Lu:Sc:Ga=3.0:1.0:1.0:3.0にな
るように調整した混合物をイリジウム坩堝に入れ、1.5v
ol%の酸素を含む窒素雰囲気下、種結晶の回転数を30rp
m、種結晶引き上げ速度を2.0mm/hrでチョクラルスキー
法により単結晶を育成した。得られた単結晶を粉末x線
回折法により同定した結果、ガーネット単一相であるこ
とが認められた。また得られたx線回折スペクトルか
ら、結晶の格子定数は結晶上部においては、a=1.259n
mであり、結晶下部においてはa=1.265nmであった。結
晶を切断し研磨後光吸収スペクトルの分析結果した。波
長領域300nmから2000nmの範囲以内には光吸収は認めら
れなかった。
〔実施例2〕 ガドリニウム,ルテチウム,スカンジウム,ガリウム
の酸化物を原子比でGd:Lu:Sc:Ga=3.0:1.0:1.0:3.0にな
るように調整した混合物を、酸素−水素混合ガスを用い
融解して結晶を得た。得られた結晶を大気中において17
00℃、24時間でアニール処理後、結晶を粉末にして粉末
x線回折法により同定した結果、ガーネット単一相であ
ることが認められた。また得られたx線回折スペクトル
から、結晶の格子定数はa=1.265nmであった。結晶を
切断し研磨後、光吸収スペクトルの分析結果とした、波
長領域300nmから2000nmの範囲以内には光吸収は認めら
れなかった。
〔実施例3〕 ガドリニウム,ルテチウム,スカンジウム,ガリウム
の酸化物を原子比でGd:Lu:Sc:Ga=3.0:1.0:1.0:3.0にな
るように調整した混合物をラバーに詰め、4000kg/cm2で
成形1300℃で6時間固相反応させて化合物を得、それを
原料棒として赤外線集光型フローティングゾーン法によ
り酸素雰囲気中で、原料棒及び種結晶を30rpm,移動速度
4.0mm/hrで結晶を育成した。得られた結晶を粉末x線回
折法により同定した結果、ガーネット単一相であること
が認められた。また得られたx線回折スペクトルから、
結晶の格子定数は、a=1.265nmであった。結晶を切断
し研磨後、光吸収スペクトルの分析結果し、波長領域30
0nmから2000nmの範囲以内には光吸収は認められなかっ
た。
〔発明の効果〕
本発明は、光応アイソレータ,光スイッチ,光偏向器
等光デバイスとして利用される大きなファラデー回転能
を有するビスマス置換希土類鉄ガーネット磁気光学結晶
膜及びセリウム置換希土類鉄ガーネット磁気光学結晶膜
用基板として、格子定数の整合性の点から有用な新規磁
気光学結晶膜用ガーネット単結晶及び基板単結晶であ
り、従来のビスマス置換希土類鉄ガーネット磁気光学結
晶膜用基板としては、ガドリニウム・ルテチウム・ガリ
ウムガーネットが知られているが、高品質な基板が得ら
れにくいという欠点があったが、本発明により高品質な
基板を育成できるガドリニウム・ルテチウム・スカンジ
ウム・ガリウムガーネット単結晶の製造方法及び磁気光
学結晶膜用基板を提供することができた。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−149896(JP,A) 特開 平2−125223(JP,A) 特開 平2−129096(JP,A) 特開 昭62−246005(JP,A) 特開 昭62−143893(JP,A) Y.MIYAZAWA et a l.,”GROWTH OF GADO LINIUM LUTETIUM GA LLIUM GARNET(GLGG) SINGLE CRYSTALS BY CZOCHRALSKI METHO D”,Journal of Crys tal Growth,Vol.99,N os.1−4,part 2,Jan. 1990,p.854−858 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C30B 1/00 - 35/00 CA(STN)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくともガドリニウム,ルテチウム,ス
    カンジウム,ガリウム及び酸素の5元素を含む一般式、 (Gd1-xLux(LuySczGa1-y-z2Ga3O12(但しx,y,z
    はそれぞれ0<x≦0.5,0.01<y≦1,0.01<z≦0.5の
    範囲である)で表されることを特徴とする磁気光学結晶
    膜用ガドリニウム・ルテチウム・スカンジウム・ガリウ
    ムガーネット単結晶。
  2. 【請求項2】ガドリニウム,ルテチウム,スカンジウ
    ム,ガリウムの酸化物を原子比でGd:Lu:Sc:Ga=3(1
    −x):(3x+2y):2z:{2(1−y−z)+3}(但
    しx,y,zはそれぞれ0<x≦0.5,0.01<y≦1,0.01<z
    ≦0.5の範囲である)の量比で十分混合し、得られた混
    合物もしくは化合物を不活性ガス、還元性ガスもしくは
    酸化性ガス雰囲気で溶融し、固化させて結晶を得ること
    を特徴とする磁気光学結晶膜用ガドリニウム・ルテチウ
    ム・スカンジウム・ガリウムガーネット単結晶の製造方
    法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Y.MIYAZAWA et al.,"GROWTH OF GADOLINIUM LUTETIUM GALLIUM GARNET(GLGG)SINGLE CRYSTALS BY CZOCHRALSKI METHOD",Journal of Crystal Growth,Vol.99,Nos.1−4,part 2,Jan.1990,p.854−858

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