JP3277515B2 - 分極反転制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば光第２高調波発
生素子（以下ＳＨＧ素子という）等の光デバイス装置の
形成に適用して好適な分極反転制御方法に係わる。

【０００２】

【従来の技術】近年特にＳＨＧ素子等の光デバイス装置
において、その表面に周期的な分極反転構造いわゆるド
メイン反転構造を形成して光出力等の特性の向上をはか
ることが提案されている。

【０００３】例えばＳＨＧ素子は、周波数ωの光を導入
すると、２ωの周波数の第２高調波の光を発生するもの
で、このＳＨＧ素子によって単一波長光の波長範囲の拡
大化がはかられ、これに伴いレーザの利用範囲の拡大化
と各技術分野でのレーザ光利用の最適化をはかることが
できる。例えばレーザ光の短波長化によってレーザ光を
用いた光記録再生、光磁気記録再生等において、その記
録密度の向上をはかることができる。

【０００４】このようなＳＨＧ素子としては、例えばＫ
ＴＰを用いたいわゆるバルク型のＳＨＧ素子や、より大
なる非線形光学定数を利用して位相整合を行う導波路型
のＳＨＧ素子、例えばＬｉＮｂＯ₃ （ＬＮ）等の強誘電
体結晶の非線形光学材料より成る単結晶基板の上に線形
導波路を形成して、これに近赤外光の基本波を入力して
第２高調波の例えば緑、青色光を放射モードとして基板
側からとりだすチェレンコフ放射型のＳＨＧ素子等があ
る。

【０００５】しかしながらバルク型ＳＨＧ素子はその特
性上ＳＨＧ変換効率が比較的低く、また廉価で高品質が
得られるＬＮを用いることができない。またチェレンコ
フ放射型ＳＨＧ素子は、ＳＨＧビームの放射方向が基板
内方向であり、ビームスポット形状も例えば三日月状ス
ポットという特異な形状をなし、実際の使用においての
問題点が存在する。

【０００６】変換効率の高いデバイス実現のためには、
基本波と第２高調波の位相伝搬速度を等しくしなくては
ならない。これを擬似的に行う方法として非線形光学定
数の＋−を周期的に配列する方法が提案されている(J.
A.Armstrong,N.Bloembergen,他,Phys.Rev.,127,1918(19
62))。これを実現する方法として結晶（例えば結晶軸）
の方向を周期的に反転させる方法がある。具体的な方法
としては、例えば結晶を薄く切断して貼り合わせる方法
（岡田、滝沢、家入、ＮＨＫ技術研究、29(1)、24(197
7)) や、また結晶引き上げ時に例えば印加する電流の極
性を制御して周期的な分域（ドメイン）を形成して周期
分極反転構造を形成する方法(D.Feng,N.B.Ming,J.F.Hon
g,他、Appl.Phys.Lett.37,607(1980),K.Nassau,H.J.Lev
instein,G.H.Loiacano Appl.Phys.Lett.6,228(1965),A.
Feisst,P.Koidl Appl.Phys.Lett.47,1125(1985))があ
る。これらの方法は結晶材料の全体に渡って周期構造を
形成することを目的としている。しかしながら上述した
方法による場合は大規模な装置が必要となるのみなら
ず、分極反転形成の制御が難しいという問題点がある。

【０００７】これに対して結晶材料の表面近傍に上述の
周期分極反転構造を形成する方法として、例えばＴｉを
結晶表面から拡散させる方法 (伊藤弘昌、張英海、稲場
文男、第４９回応用物理学会講演会予稿集919(1988))
や、ＬｉＯ₂ を外拡散する方法(Jonas Webjoern,et al,
IEEE PHOTONICS TECHNOL. LETT.1,1989,PP316-318)が提
案されている。

【０００８】このＴｉ拡散法により分極反転を形成する
場合は、例えば図１６にその一製造工程の略線的拡大断
面図を示すように、全面的にｃ軸方向に即ち図１６にお
いて矢印ｄで示す分極方向に単分域化された例えばＬＮ
より成る強誘電体材料１０の、＋ｃ面上にＴｉ２１を所
要の例えば平行帯状パターンに例えばピッチＰを５μ
ｍ、電極幅Ｗを２．５μｍとして被着形成する。

【０００９】そしてこのような状態で例えば１１００℃
程度の加熱を行ってＴｉを強誘電体材料１０内に拡散さ
せ、図１７に示すように分極反転領域３を周期的に形成
することができる。しかしながらこの場合、分極反転領
域３の屈折率が変化したり、また分極反転領域３のピッ
チに対してその深さＤが小であり、かつその分極反転領
域は断面三角形状となって形状の制御性に劣る（F.Laur
ell et al,IntegratedPhotonics Research,Tu12,1989)
等の恐れがある。

【００１０】即ち、上述した位相整合を確実に行うため
には、分極反転領域３の深さＤを大とすることが望まし
く、かつその断面形状は強誘電体材料１０の深さ方向に
延長するストライプ状に、分極反転領域３と分極反転が
生じない領域とが交互に形成されることが望ましいが、
上述のＴｉ拡散法によってＳＨＧ素子を形成した場合、
その分極反転領域３の形状の制御性に劣るため、入力光
の漏波や第２高調波光の漏波、更に入力光と第２高調波
光との結合効率の低下を招来する等して、いわゆる光変
換効率の低下を招く恐れがある（Inst.Phys.Conf.Ser.N
o103:Part I,Paper presented at Int.Conf.Materials
for Non-linear and Electro-optics.Cambridge,1989)
。

【００１１】これに対して本出願人は、先に特開平２−
１８７７３５号において、強誘電体材料に対する分極反
転制御方法を提案した。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】更に本出願人は、特願
平１−３４４２７０号出願及び特願平２−１２４７８６
号出願において、強誘電体材料の非線形光学材料に対す
る分極反転制御方法を提案した。これらの方法は、単分
域化された強誘電体材料を挟んでその相対向する両主面
に対向電極を配置または絶縁体を介して対向配置し、両
電極間に直流電圧またはパルス電圧を印加することによ
って、局部的に分極反転部を形成して周期分極反転構造
を得るものである。

【００１３】このような分極反転制御方法の一例を図１
８の略線的拡大断面図を参照して説明する。この場合強
誘電体材料１０として厚さ１ｍｍ程度のＬＮ単結晶を用
い、そのｃ軸方向に同様に単分域化されて成り、＋ｃ面
上に１０００Å程度の膜厚のアルミナ層２２を被着した
後、これの上にＰｔ電極２３を、目的とする分極反転領
域を形成すべきパターン、例えばピッチＰが４０μｍ、
幅Ｗが２０μｍの平行帯状にパターニングして形成し、
一方この裏の−ｃ面上には厚さ０．５ｍｍのアルミナ板
２４を介してＰｔ電極板２５を接触させる。

【００１４】このような構成において、電源５によって
１０００Ｖの直流電圧を印加し、昇温レートを８．５℃
／分として１０３５℃まで昇温し、この温度において５
分間保持する。この場合、Ｐｔ電極２３のパターンに対
応するパターンの分極反転領域を形成することができ
る。

【００１５】しかしながら、この場合においてもその分
極反転領域はＴｉ拡散法による場合と同様に、図１９に
その顕微鏡写真に基づくパターン図を示すように、分極
反転領域３のピッチＰに比して深さＤが小となり、また
分極反転領域３の幅ＷがピッチＰに対して大となって、
確実な位相整合を行い難くなり、光変換効率の低下を招
く場合がある。

【００１６】またこれらの電圧印加による分極反転制御
方法では、非線型光学材料の抗電界を低下させるため
に、１５０℃〜１２００℃程度に加熱して直流電圧また
はパルス電圧を印加する方法を採っているため、強誘電
体材料の表面に絶縁体或いは電極材料等の物質を被着し
てパターニングするか或いは接触させ、この状態で高温
の熱処理及び高温中での電圧印加を行うこととなり、強
誘電体材料の表面が汚れる恐れがあり、また強誘電体材
料としてＬＮを用いる場合は、この加熱によってＬＮか
ら酸素分子が外拡散する恐れがあり、組成の変化による
屈折率の変動をもたらして、特性の変動を生ずる恐れが
ある。

【００１７】本発明が解決しようとする課題は、上述し
たような強誘電体材料の表面汚染、屈折率変化等を回避
して、制御性よく分極反転構造を得ることができるよう
にするものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明による分極反転制
御方法は、単分域化されたＬｉＮｂＯ₃ 強誘電体材料
に、その分極方向に第１及び第２の電極を配置し、少な
くとも第１の電極の先端部は、最終的に得る分極反転構
造の、ピッチが１μｍ以上３０μｍ以下、幅が０．５μ
ｍ以上１５μｍのパターンに対応するパターンに形成さ
れ、１５０℃未満の温度下において、第１及び第２の電
極間に、強誘電体材料の自発分極の負側を負電位、正側
を正電位となるように１０ｋＶ／ｍｍ〜１００ｋＶ／ｍ
ｍの電圧を印加して、分極反転構造を形成する。また本
発明は、上述の分極反転制御方法において、単分域化さ
れたＬｉＮｂＯ₃ 強誘電体材料に、凸状のリッジを、そ
の長手方向が強誘電体材料の自発分極方向に直交するよ
うに選定して形成する工程と、このリッジの長手方向の
側壁面を、強誘電体材料の自発分極の正側より成る第１
の側面と、自発分極の負側より成る第２の側面として、
少なくとも上記第１及び第２の側面に、長手方向に沿っ
てピッチが１μｍ以上３０μｍ以下、幅が０．５μｍ以
上１５μｍ以下のパターンの第１及び第２の電極をそれ
ぞれ形成する工程と、１５０℃未満の温度下において、
これら第１及び第２の電極間に、強誘電体材料の自発分
極の負側を負電位、正側を正電位となるように１０ｋＶ
／ｍｍ以上１００ｋＶ／ｍｍ以下の電圧を印加して、分
極反転構造を形成する。更に本発明においては、上述の
各分極反転制御方法において、強誘電体材料を絶縁液に
浸漬した状態で、第１及び第２の電極に対する電圧印加
を行う。

【００１９】

【作用】上述の、本発明分極反転制御方法によれば、分
極反転領域の形状を制御性よくまた結晶劣化を生じるこ
となく形成することができた。

【００２０】これは次に述べる理由に因るものと思われ
る。即ち一般的にはＬＮ単結晶のような、高電圧を印加
すると結晶が破壊される強誘電体材料（frozen ferroel
ectorics）においては、結晶破壊が生じない程度の電圧
を印加しても分極反転が生じないとされており、従来は
結晶破壊を生じさせない程度の比較的低い電圧の印加に
よって分極反転を生じさせるために、即ち抗電界を下げ
るために、１５０℃〜１２００℃程度の高温下において
比較的低い電圧、即ち例えば数Ｖ／ｍｍ〜数百Ｖ／ｍｍ
程度の電圧を印加して分極反転を形成していた。

【００２１】しかしながら、上述したような結晶破壊
は、電圧印加を行う電極の形状、その電極幅等に依存す
ることが本発明者等の鋭意考察研究の結果究明された。
即ち、このような結晶破壊は圧電効果によるもので、対
象とする強誘電体材料に応じて電極幅等を適切に選定す
ることによって、電極付近に発生する応力を分散させる
ことができ、試料の力学的破壊即ち結晶破壊を生じさせ
ることなく強誘電体材料の分極反転を行うことができる
ものと思われる。

【００２２】また本発明方法では単分域化された強誘電
体材料１０に、その分極方向に第１及び第２の電極１及
び２を配置し、第１及び第２の電極１及び２間に電圧を
印加するものであるが、このとき、強誘電体材料１０の
自発分極の向きに対して垂直な方向に生じる電界成分を
小として、圧電効果によって生じる応力の発生を小とす
ることによって、結晶歪みや結晶破壊を抑制することが
できる。

【００２３】即ちこのような電極形状の選定及びその配
置位置の選定によって結晶破壊を抑制し得るため、本発
明制御方法によれば１５０℃未満の温度下という低い温
度状態において、１ｋＶ／ｍｍ〜１００ｋＶ／ｍｍとい
う大なる電圧を印加することができ、これによって形状
の制御性よく、また強誘電体材料表面の汚染や、熱によ
るイオン電流の発生を回避して、これによる結晶性の劣
化を生じることなく分極反転を形成することができる。

【００２４】

【実施例】以下本発明分極反転制御方法の各例を詳細に
説明する。各例共に、強誘電体材料としてＬＮ単結晶を
用いた場合で、このＬＮ単結晶上に周期的な分極反転構
造を形成すると共に、この部分において光導波路を形成
して、高効率のＳＨＧ素子を得る場合を示す。また各例
共に、強誘電体材料１０の単結晶分域化は、例えばキュ
リー温度直下の例えば１２００℃程度まで昇温して一定
の方向に外部直流電圧を全面的に印加することによっ
て、全面的にｃ軸方向に揃えて行った。各例共に１５０
℃以下の例えば室温において電圧印加を行った。

【００２５】尚、以下の各実施例において、自発分極の
方向を矢印ｄで示し、分極反転領域の分極方向を矢印ｈ
で示す。

【００２６】実施例１ 図１の略線的拡大斜視図を参照して説明する。この例で
は、矢印ｄで示す面内方向に単分域化された強誘電体材
料１０を用いた場合で、その一主面１Ｓ上の分極方向に
第１及び第２の電極１及び２を配置する。この場合Ａｌ
等より成る第１及び第２の電極１及び２は共に例えば蒸
着、スパッタリング等により被着した後例えば櫛歯状に
パターニングされて形成され、、その櫛歯先端部の幅Ｗ
が例えば５μｍ、ピッチＰが例えば１０μｍ程度とさ
れ、かつ各電極１及び２の櫛歯先端部が対向するように
配置されて成る。５は電源である。

【００２７】このような構成において、１５０℃未満の
例えば室温において、第１及び第２の電極１及び２間
に、強誘電体材料１０の自発分極の負側の第１の電極１
が負電位、正側の第２の電極２が正電位となるように１
ｋＶ／ｍｍ〜１００ｋＶ／ｍｍの例えば２０ｋＶ／ｍｍ
の電圧を印加して、第１の電極１の櫛歯先端部から延長
する分極反転領域３を形成し、第１の電極１の櫛歯先端
部のパターンに対応するパターンの周期的な分極反転構
造３０を、結晶破壊を殆ど生じることなく形成すること
ができた。このように、本発明制御方法によれば、面内
方向に単分域化された強誘電体材料に対しても、その表
面上に分極反転領域を形成することができる。

【００２８】図１に示した例においては、第１及び第２
の電極１及び２の櫛歯先端部の形状を図２Ａにその上面
図を示すように方形状としたが、その他図２Ｂ及びＣの
上面図に示すように、山型、半円型等でもよい。また図
２Ｄに示すように、この先端部に更に微細な幅Ｗ_S をも
って櫛歯部が形成された形状としても良い。このよう
に、電極の先端部を微細化することにより結晶破壊を防
ぐことができる。即ち、電極近傍で圧電効果により蓄積
された応力や歪みを、電極の被着されていない部分で解
放することができ、圧電効果による結晶破壊いわゆるピ
エゾ破壊を防ぐことができる。つまり電極のない部分の
試料が緩衝材として働き電極近傍でたまった歪みをとる
ので、ピエゾ破壊に至る応力が試料中に広範囲にわたっ
てかかることを防ぐことができ、結晶破壊を生じること
なく分極反転領域３を形成することができる。

【００２９】また、電極の微細化によって分極反転に要
する印加電圧を減少させることができる。これは、電極
即ち導電体中の電荷が電極の端部に集まる性質があるた
め、電極の微細化による電極近傍における局所的な電界
強度が増大するためと思われる。

【００３０】実施例２ 図３を参照して説明する。図３において、図１に対応す
る部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この
例では、強誘電体材料１０に凸部即ちリッジ６が形成さ
れて成る。このリッジ６の長手方向は強誘電体材料１０
の矢印ｄで示す自発分極方向に直交するように選定さ
れ、その長手方向の側壁面が、分極の正側より成る側面
１Ａと、負側より成る側面１Ｂとにより構成される。こ
の側面１Ａ及び１Ｂ上と、これらに隣接する上側面１Ｅ
上にわたって後述する製造工程によってＡｌ等より成る
第１の電極１及び第２の電極２が例えばその幅及びピッ
チを実施例１と同様に選定され、櫛歯状パターンとして
形成される。このとき、櫛歯部は両上側面１Ｅ上から両
側面１Ａ及び１Ｂにわたって形成されるようになし、更
に両側面１Ａ及び１Ｂ上の櫛歯先端部が主面１Ｓの両端
に対向して配置されるようになす。

【００３１】このような構成において、第１の電極１側
が正電位、第２の電極２側が負電位となるように、例え
ば２０ｋＶ／ｍｍの電圧を印加して、リッジ６に分極反
転領域３を形成し、各櫛歯先端部のパターンに対応する
パターンの分極反転構造３０を得ることができた。

【００３２】上述したように強誘電体材料１０にリッジ
６を形成し、更にその長手方向の側面１Ａ及び１Ｂに所
要のパターンの電極１及び２を作成する方法の一例を図
４Ａ〜Ｄに示す。図４Ａに示すように、強誘電体材料１
０の分極反転を形成すべき主面１Ｓ上にレジスト１１を
全面的に塗布、ベークした後、Ｎｉ，Ｃｒ等より成るマ
スク層１２を蒸着、スパッタリング等によって被着し、
更にこの上にレジスト１３を塗布、ベークした後リッジ
６を形成すべき所要の部分にレジスト１３が残るよう
に、即ちこの場合矢印ｄで示す分極方向に所要の幅を有
し、図４の紙面に対して直交する方向を長手方向とする
パターンにフォトリソグラフィ等の適用によって露光現
像してパターニングする。

【００３３】そして図４Ｂに示すように、ＲＩＥ（反応
性イオンエッチング）等の異方性エッチングによりレジ
スト１３をマスクとして、マスク層１２とレジスト１１
をパターニングする。

【００３４】続いて図４Ｃに示すように、ＲＩＥ等の異
方性エッチングによってマスク層１２をマスクとして強
誘電体材料１０を主面１Ｓ上からエッチングして、側面
１Ａ及び１Ｂと、これに隣接する上側面１Ｅとを露出さ
せ、リッジ７を構成する。このときこの強誘電体材料１
０に対するエッチングの深さを制御してリッジ６の高さ
を２μｍ程度となす。

【００３５】そして更に図４Ｄに示すように、Ａｌ，Ａ
ｕ，Ｐｔ，Ｋ，Ｌｉ等の例えばＡｌより成る金属層１４
をリッジ６上を覆って全面的に蒸着、スパッタリング等
によって被着形成する。

【００３６】次にＲＩＥ等の異方性エッチングによって
図３に示す櫛歯状パターンにこの金属層１４をパターニ
ングした後、アセトン等の溶剤に浸してレジスト１１を
除去することにより、図４Ｅに示すように、リッジ６上
の金属層１４のみをリフトオフして、側面１Ａ及び１Ｂ
からそれぞれ上側面１Ｅに隣接する櫛歯状の第１の電極
１及び第２の電極２を形成することができる。

【００３７】この場合、上述した分極反転形成のための
電圧印加工程の前或いは後に、プロトン交換法等によっ
てリッジ６に導波路を形成し、第１の電極１及び第２の
電極２を除去してＳＨＧ素子を得ることができる。

【００３８】このように、強誘電体材料１０にリッジ６
を形成して、その側面１Ａ及び１Ｂに電極を被着して電
圧印加を施す場合は、自発分極に対して平行ではない電
界成分、即ち分極反転に直接影響のない電界成分を大幅
に減少させることができる。ＬＮ結晶等の強誘電体材料
１０では、このような自発分極の生じる方向に平行でな
い電界成分が材料に与える応力が大であるため、このよ
うな電界成分を減少させることによって、強誘電体材料
１０の結晶破壊を防ぐことができる。

【００３９】またこのような構成によって分極反転を形
成する場合、各分極反転領域３をリッジ６の全厚さにわ
たって形成することができる。従ってこれに形成する導
波路の深さを適切に選定することによって、この導波路
の全厚さ或いはそれ以上の深さにわたって、かつ結晶破
壊を殆ど生じることなく分極反転構造３０を形成するこ
とができて、これをＳＨＧ素子として用いる場合、ＳＨ
Ｇ効率等の光変換効率を高めることができる。

【００４０】実施例３ 図５の略線的拡大斜視図を参照して説明する。この場合
も主面１Ｓの面内方向の、矢印ｄで示す方向に単分域化
された強誘電体材料１０を用いた例で、主面１Ｓ上の分
極の正側にフォトリソグラフィ等の適用によってＡｌ等
より成る第１の電極１が被着形成され、一方分極の負側
の側面１Ｂ上には全面的にＡｌ等より成る第２の電極２
が蒸着、スパッタリング等により被着形成されて成る。
５は電源である。このような構成において、第１の電極
１側が正電位、第２の電極２側が負電位となるように電
圧を印加して、第１の電極１の櫛歯パターンに対応する
パターンの分極反転構造３０を形成する。この場合、櫛
歯先端部の幅及びピッチ、電圧の大きさを実施例１と同
様に選定して、結晶破壊等をほとんど生じることなく分
極反転構造を得ることができる。

【００４１】実施例４ 図６の略線的拡大斜視図を参照して説明する。図６にお
いて、図５に対応する部分には同一符号を付して重複説
明を省略する。この場合は強誘電体材料１０の分極の正
側の側面１Ａ上に、櫛歯状パターンの第１の電極１を、
更に分極の負側の主面１Ｓ上に櫛歯状パターンの第２の
電極２をそれぞれ蒸着、スパッタリング等により被着し
た後フォトリソグラフィ等の適用によって形成した例
で、これら各電極１及び２の櫛歯先端部が、主面１Ｓ上
と側面１Ａ上とにわたって相対向するようにパターニン
グされるようになす。このような構成において、上述の
実施例３と同様に、第１の電極１側に正電位、第２の電
極２側が負電位となるように電圧を印加して、第１の電
極１及び第２の電極２の櫛歯パターンに対応するパター
ンの分極反転構造３０を形成した。この場合において
も、櫛歯先端部の幅及びピッチ、電圧の大きさを実施例
１と同様に選定して、結晶破壊等をほとんど生じること
なく分極反転構造３０を得ることができた。

【００４２】実施例５ 図７の略線的拡大斜視図を参照して説明する。この場合
強誘電体材料１０が厚さ方向に全面的に単分域化されて
成る場合で、その分極の正側の主面１Ｓ上にＡｌ等より
成る第１の電極１が例えば櫛歯状パターンにパターニン
グされ、分極の負側の裏面１Ｒ上にも同様にＡｌ等より
成る櫛歯状パターンの第２の電極２が、その櫛歯部が主
面１Ｓ上と裏面１上とで相対向して強誘電体材料１０を
挟み込むように被着形成されて成る。そして上述の各実
施例と同様に、分極の正側即ち第１の電極１側を正電
位、分極の負側即ち第２の電極２側を負電位として電圧
を印加し、第１の電極１の櫛歯パターンに対応するパタ
ーンの分極反転構造を形成した。この場合においても、
櫛歯先端部の幅及びピッチ、電圧の大きさを実施例１と
同様に選定して、結晶破壊を殆ど生じることなく分極反
転構造を得ることができた。更にこの場合、各電極１及
び２の櫛歯部にわたって即ち強誘電体材料１０の全厚さ
にわたって分極反転領域が形成され、そのピッチに対し
て深さを比較的大とすることができた。

【００４３】実施例６ 図８の略線的拡大斜視図を参照して説明する。図８にお
いて、図７に対応する部分には同一符号を付して重複説
明を省略する。この場合は強誘電体材料１０の裏面１Ｒ
上に全面的に第２の電極２を被着形成した例で、この例
においても、上述の実施例５と同様に、第１の電極１の
パターンに対応するパターンの分極反転構造を得ること
ができ、更にそのピッチに対して深さを大とすることが
できた。

【００４４】実施例７ 図９の略線的拡大斜視図を参照して説明する。図９にお
いて、図３に対応する部分には同一符号を付して重複説
明を省略する。この例では、図３において説明した実施
例２におけるリッジ６を有する強誘電体材料１０全体
を、容器８中のフロリナート（住友３Ｍ社製、商品名）
等のフロン系耐高電圧液などの絶縁液９に浸漬した状態
で電圧印加を行うものである。このように絶縁液９中に
おいて電圧を印加することによって、電極１及び２間の
放電を確実に回避することができて、結晶破壊を生じる
ことなく制御性よく分極反転構造を得ることができた。

【００４５】実施例８ 図１０の略線的拡大断面図を参照して説明する。図１０
において、図８に対応する部分には同一符号を付して重
複説明を省略する。この例では、図８において説明した
実施例６における強誘電体材料１０全体を、実施例７と
同様に容器８中のフロン系耐高電圧液等の絶縁液９に浸
漬した状態で電圧印加を行うものである。このとき、第
１の電極１のパターンは紙面に直交する平行帯状パター
ンとし、ピッチＰを２μｍ、幅Ｗを１μｍ、厚さＴ₁ を
５００Å、強誘電体材料１０の厚さＴを５０μｍ、また
裏面１Ｒ上の第２の電極２の厚さＴ₂ を５００Åとし、
このような構成において、電圧値１．５ｋＶ、パルス幅
１２０ｍ秒のパルス電圧を１回印加した。この場合図１
０において矢印ｈで示すように、第１の電極１直下の領
域において、強誘電体材料１０の全厚さにわたって分極
反転が生じ、この第１の電極１のパターンに対応するパ
ターンの分極反転構造３０が形成された。このように、
絶縁液９中において電圧を印加することによって実施例
８と同様に、電極１及び２間の放電を確実に回避するこ
とができた。

【００４６】また、印加電圧をパルス電圧としても良好
な形状でかつ結晶破壊を生じることなく分極反転構造３
０を得ることができる。特にこのパルス電圧の電圧値及
びパルス幅を適切に選定することによって、分極反転領
域３の幅及び深さを制御することができる。

【００４７】実施例９図１１の略線的拡大斜視図を参照
して説明する。図１１において、図１に対応する部分に
は同一符号を付して重複説明を省略する。この場合にお
いても、図１において説明した実施例１における強誘電
体材料１０全体を、容器８中の絶縁液９に浸漬した状態
で電圧印加を行うものである。このとき、第１の電極１
のピッチＰは２μｍ、幅Ｗは１μｍ、主面１Ｓ上の各電
極１及び２の櫛歯先端部間の距離Ｌは３．５μｍ、強誘
電体材料１０の厚さＴは１ｍｍであり、このような構成
において、９３Ｖの直流電圧を４０秒間印加した。この
場合、主面１Ｓ上の第１の電極１及び第２の電極２の櫛
歯先端部間に、この櫛歯パターンに対応するパターンの
分極反転構造３０が形成された。また、電極１及び２間
の放電を確実に回避することができた。

【００４８】参考例 図１２の略線的拡大斜視図を参照して説明する。この例
においては、厚さ方向に全面的に単分域化され、かつそ
の厚さが一方の端面においては小なる厚さｔ₁ 、他方の
端面においては大なる厚さｔ₂ を有するように、例えば
その分極の正側となる上面１Ｕが傾斜して成るテーパ状
の強誘電体材料１０を用いた場合で、分極の負側となる
裏面１Ｒ上には、Ａｌ等より成る例えば平行帯状パター
ンの第１の電極１が被着形成され、テーパ面である上面
１Ｕ上にはＡｌ等より成る第２の電極２が全面的に被着
形成されて成る。

【００４９】このような構成において、分極の正側即ち
第２の電極２が正電位、負側即ち第１の電極１が負電位
となるように、５ｋＶの直流電圧を１分間印加して分極
反転領域を形成した。この分極反転領域の顕微鏡写真に
基づくパターン図を図１３に示す。図１３からわかるよ
うに、強誘電体材料１０の厚さがある程度以上の領域に
おいては分極反転領域３が形成されない。このように分
極反転領域３が形成されない最小の厚さＴ_C はこの場合
３７２μｍであり、この部分においての単位厚さ当たり
の印加電圧は１３．４ｋＶ／ｍｍであった。

【００５０】即ち、ＬＮ単結晶に対して分極反転領域を
形成し得る印加電圧はほぼ１０ｋＶ／ｍｍ程度以上であ
ることがわかる。しかしながら、ＬＮ単結晶以外の例え
ばＫＴＰ，ＬｉＴａＯ₃ 等の電気伝導度が比較的大なる
強誘電体材料を用いる場合は分極反転が比較的生じ易い
ため、１ｋＶ／ｍｍ以上程度の電圧印加によって良好な
分極反転構造を得ることができる。

【００５１】尚、１ｋＶ／ｍｍ未満の電圧印加によって
分極反転領域が形成される場合はその後の安定度が低
く、温度等の外部環境の変化に伴ってこの分極反転が元
に戻ってしまう恐れがある。例えば分極反転構造によっ
て位相整合をなし、かつ基板に電圧を印加して電気光学
効果によって導波路の屈折率を部分的に変化させる電気
光学装置等に本発明を適用する場合は、動作時の電圧印
加によって分極反転領域が消滅する恐れがある。従って
安定な分極反転構造を形成するために、印加電圧は１ｋ
Ｖ／ｍｍ以上とする。

【００５２】また１００ｋＶ／ｍｍを越える電圧を印加
すると、強誘電体材料の結晶性が破壊されてしまう恐れ
があるため、印加電圧は１００ｋＶ／ｍｍ以下とする。
特にＬＮ単結晶の場合は確実に結晶破壊を防ぐために、
２５ｋＶ／ｍｍ程度以下とすることが望ましい。

【００５３】次に、比較例として、強誘電体材料として
同様にＬＮ単結晶を用いて、電圧印加を行うパターン電
極の幅が１００μｍを越える場合の一例を説明する。

【００５４】比較例 図１４の略線的拡大上面図を参照して説明する。図１４
において、図１に対応する部分には同一符号を付して重
複説明を省略する。この場合、櫛歯状の第１及び第２の
電極１及び２が１００μｍを越える幅Ｗを有する場合
で、各電極の櫛歯先端部の間隔Ｌを２００μｍとした。
このような構成において、４ｋＶの直流電圧を４０秒間
印加した。

【００５５】このようにして分極反転を形成し、更に第
１及び第２の電極１及び２を除去した後の強誘電体材料
１０の表面の顕微鏡写真に基づくパターン図を図１５に
示す。この場合、第１の電極１の櫛歯先端部から延長す
るように分極反転領域３が形成されるが、第１の電極１
の直下の電極被着領域１３において結晶破壊が生じてい
ることがわかる。即ち、ＬＮ単結晶の場合はこのように
１００μｍを越える幅の電極によって電圧を印加する場
合、結晶破壊を生じる恐れがあることがわかる。

【００５６】尚、ＬＮ単結晶を用いて周期的な分極反転
構造を形成してＳＨＧ素子を構成するに、その周期は、
１μｍ〜３０μｍ程度とし、分極反転領域の幅は、０．
５〜１５μｍとすることにより、電極幅を充分小とする
ことから、結晶破壊をほとんど生じることなく分極反転
構造を形成することができる。

【００５７】

【００５８】尚、上述した各実施例においては、強誘電
体材料１０上に直接的に電極を被着形成した場合である
が、この電極と強誘電体材料１０との間に絶縁層を設け
て電圧印加を行ってもよい。

【００５９】また、電圧印加に先立って、強誘電体材料
に対してプロトン交換、電子線等の荷電粒子照射を行う
場合は、強誘電体材料内の分極が反転し易くなり、分極
反転に必要な電圧値を低減化することができる。

【００６０】更に、直流電圧と共に、例えば徐々にその
振幅が減衰する波形パターンの交流成分を加えてこれを
試料に印加することによって、強誘電体材料内の分極に
擾乱を与え、分極を反転し易くすることもできる。

【００６１】

【発明の効果】上述したように、本発明分極反転制御方
法によれば、屈折率変化や結晶破壊を生じることなく、
分極反転構造を得ることができる。

【００６２】また、厚さ方向に単分域化された強誘電体
材料に対して本発明を適用する場合は、その深さ方向に
良好な形状制御性をもって分極反転構造を形成すること
ができる。一方面内方向に単分域化された強誘電体材料
に対しても分極反転を形成することができ、特に強誘電
体材料上にリッジ等の凸部を形成して、これを挟むよう
に電極を被着して電圧を印加する場合は、その凸部の厚
さに応じた深さの分極反転構造を得ることができて、分
極反転構造の形状制御性を向上することができ、ＳＨＧ
素子を構成する場合は位相整合を確実に行うことができ
て、光変換効率の向上をはかることができる。

【００６３】更に、印加電圧をパルス電圧とする場合
は、その電圧値及びパルス幅を適切に選定することによ
って、形成される分極反転領域の幅及び深さを制御する
ことができる。

【００６４】また、電圧印加に先立ってプロトン交換や
荷電粒子の照射を行ったり、または印加電圧に交流成分
を加える等して強誘電体材料の分極を反転し易くするこ
とによって、分極反転領域を形成し得る電圧値を低減化
することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明分極反転制御方法の一例を示す略線的拡
大斜視図である。

【図２】電極先端形状の各例を示す略線的拡大上面図で
ある。

【図３】本発明分極反転制御方法の他の例を示す略線的
拡大斜視図である。

【図４】本発明分極反転制御方法の他の例を示す製造工
程図である。

【図５】本発明分極反転制御方法の他の例を示す略線的
拡大斜視図である。

【図６】本発明分極反転制御方法の他の例を示す略線的
拡大斜視図である。

【図７】本発明分極反転制御方法の他の例を示す略線的
拡大斜視図である。

【図８】本発明分極反転制御方法の他の例を示す略線的
拡大斜視図である。

【図９】本発明分極反転制御方法の他の例を示す略線的
拡大斜視図である。

【図１０】本発明分極反転制御方法の他の例を示す略線
的拡大断面図である。

【図１１】本発明分極反転制御方法の他の例を示す略線
的拡大斜視図である。

【図１２】分極反転制御方法の参考例を示す略線的拡大
斜視図である。

【図１３】強誘電体材料の分極反転を示す顕微鏡写真に
基づくパターン図である。

【図１４】分極反転制御方法の比較例を示す略線的拡大
上面図である。

【図１５】強誘電体材料の分極反転を示す顕微鏡写真に
基づくパターン図である。

【図１６】Ｔｉ拡散分極反転制御方法の一製造工程図で
ある。

【図１７】Ｔｉ拡散分極反転制御方法による強誘電体材
料の分極反転領域を示す模式的断面図である。

【図１８】従前の分極反転制御方法の一例を示す略線的
拡大断面図である。

【図１９】強誘電体材料の分極反転を示す顕微鏡写真に
基づくパターン図である。

【符号の説明】

１ 第１の電極 ２ 第２の電極 ３ 分極反転領域 １Ｓ 主面 １Ａ 側面 １Ｂ 側面 ５ 電源 ６ リッジ １０ 強誘電体材料 ３０ 分極反転構造

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木島 公一朗 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソ ニー株式会社内 (56)参考文献 特開 昭53−119066（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−187735（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−19719（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−280234（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−121428（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−48831（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−3128（ＪＰ，Ａ) 国際公開90／9094（ＷＯ，Ａ１) Ｅ．Ｊ．Ｌｉｍ ｅｔ．ａｌ．，，Ｅ ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ ｓ，1989年２月２日，Ｖｏｌ．25 Ｎ ｏ．３，ｐｐ．174−175 Ｒ．Ｗ．Ｋｅｙｓ ｅｔ．ａｌ．，Ｅ ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ ｓ，1990年２月１日，Ｖｏｌ．26 Ｎ ｏ．３，ｐｐ．188−190 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/35 - 1/39 H01S 3/108 - 3/109

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単分域化されたＬｉＮｂＯ₃ 強誘電体材
   料に、その分極方向に第１及び第２の電極を配置し、 少なくとも第１の電極の先端部は、最終的に得る分極反
   転構造の、ピッチが１μｍ以上３０μｍ以下、幅が０．
   ５μｍ以上１５μｍのパターンに対応するパターンに形
   成され、 １５０℃未満の温度下において、上記第１及び第２の電
   極間に、上記強誘電体材料の自発分極の負側を負電位、
   正側を正電位となるように１０ｋＶ／ｍｍ以上１００ｋ
   Ｖ／ｍｍ以下の電圧を印加して、分極反転構造を形成す
   るようにしたことを特徴とする分極反転制御方法。
2. 【請求項２】 上記単分域化されたＬｉＮｂＯ₃ 強誘電
   体材料に、凸状のリッジを、その長手方向が上記強誘電
   体材料の自発分極方向に直交するように選定して形成す
   る工程と、 上記リッジの上記長手方向の側壁面を、上記強誘電体材
   料の自発分極の正側より成る第１の側面と、自発分極の
   負側より成る第２の側面として、少なくとも上記第１及
   び第２の側面に、上記長手方向に沿ってピッチが１μｍ
   以上３０μｍ以下、幅が０．５μｍ以上１５μｍ以下の
   パターンの第１及び第２の電極をそれぞれ形成する工程
   と、 １５０℃未満の温度下において、上記第１及び第２の電
   極間に、上記強誘電体材料の自発分極の負側を負電位、
   正側を正電位となるように１０ｋＶ／ｍｍ以上１００ｋ
   Ｖ／ｍｍ以下の電圧を印加して、分極反転構造を形成す
   るようにしたことを特徴とする上記請求項１に記載の分
   極反転制御方法。
3. 【請求項３】 上記強誘電体材料を、絶縁液に浸漬した
   状態で、上記第１及び第２の電極に対する電圧印加を行
   うことを特徴とする上記請求項１又は２に記載の分極反
   転制御方法。