JP5621184B2 - 透明電極 - Google Patents

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Description

本発明は、赤外波長領域における透過率が良好であり、おもに赤外線を利用する光通信用デバイスに使用される透明電極に関する。
近年、赤外線、特に1.55μm近傍の赤外線を利用した光通信用デバイスの一つとして、液晶と組み合わせた可変フィルターや可変レーザーが開発されつつある。これらのデバイスでは、ITO薄膜などを有する透明電極が用いられており、この透明電極に電圧を印加して液晶の屈折率を変化させ、フィルターのパスバンド波長やレーザー波長を変化させることを可能としている(例えば、特許文献1参照)。
図1は可変フィルターの一例を示す概略図である。可変フィルターは、図1に示すように、シリコンウェハーなどの赤外線透過率の高い基板1上に対向電極2、SiO等からなる被覆層3、同じくSiO等からなる回折格子4、Si等からなる導波路5、液晶層6、透明導電膜7、ガラス基板等の透光性基板8、さらに必要に応じて反射防止膜9が順に形成されてなる。可変フィルターの上方から入射した入射光Iは、各層を透過し、特定波長の光Iのみ回折格子4面にて反射され、導波路5内で共振した後、入射光側にフィルタリングされる。その他の波長の光Iは、回折格子4面で反射することなく透明基板1側に透過する。ここで、透明導電膜7と対向電極2の間に電圧を印加すると液晶層6の屈折率が変化し、それによりフィルタリングされる反射光Iの波長を調節することが可能となる。
特表2000−514566号公報
ところで、このような透明導電膜、特にITO薄膜からなる透明導電膜を有する透明電極は導電性が高く、例えばFPDなどの液晶表示装置に好適に使用されるが、該透明電極を赤外波長領域で使用した場合には、その導電性に起因して光の吸収が大きくなる。すなわち、赤外波長領域では透明電極の消衰係数が大きく、光のロスが大きいことが問題となっている。
なお、消衰係数は次のように定義される。すなわち、物質が光を吸収する場合に透過光Iは、入射光強度I、光の侵入深さZを用いて、
I=I−αz
の関係式にしたがって減衰する。このとき、単位長さあたりの減衰を示すαを吸収係数と呼ぶ。一方、光と物質の相互作用を理論的に扱う場合には、光の電磁場の振動1回あたりの吸収量が基準となる。このため、物質による光の吸収を定義する量として消衰係数kが定義されている。消衰係数kと吸収係数α、波長λの間には、
k=α×λ/4π
という関係がある。
本発明は、赤外線、特に1.55μm近傍の赤外線を利用した光通信用デバイスに用いられる透明電極であって、赤外線に関して消衰係数が小さく、かつ赤外線透過率の高い透明電極を提供することを目的とする。
本発明者等は、鋭意検討した結果、透明電極に用いられる透明導電膜として、赤外波長領域における光の透過率が高い膜を用いることで前記課題を解決することを見出し、本発明として提案するものである。
すなわち、本発明の透明電極は、透明導電膜を有し、透明導電膜の波長1.55μmにおける消衰係数が0.5以下であることを特徴とする。前述したように、赤外線を利用する光通信用デバイスにおいては波長1.55μmの透過率が重要であり、本発明では、該波長にて消衰係数が0.5以下であることにより、透過光のロスを抑制し、赤外光透過率の高い透明電極を提供することが可能となる。
透明導電膜の波長1.55μmにおける消衰係数が0.01以下であることが好ましい。
透明導電膜としては、インジウムスズ酸化物(Indium Tin Oxide:ITO)からなるものが挙げられる。ITOは導電性が高く、前述した可変フィルターや可変レーザーなどの赤外線を利用した光通信用デバイスに好適な透明電極を提供することができる。
また、透明導電膜としては、インジウムチタン酸化物(Indium Titanium Oxide:ITiO)からなるものも挙げられる。
透明導電膜は、(Oガス流量)/(希ガス流量)≧3.0×10−3の条件を満たす雰囲気中でスパッタリング法により成膜されたものであることが好ましい。
透明導電膜は、(Oガス流量)/(希ガス流量)≧5.0×10−3の条件を満たす雰囲気中でスパッタリング法により成膜されたものであることが好ましい。
なお、透明導電膜が、インジウムスズ酸化物からなるものである場合、(Oガス流量)/(希ガス流量)≧4.0×10−3の条件を満たす雰囲気中でスパッタリング法により成膜されたものであることがより好ましい。
また、透明導電膜がインジウムチタン酸化物からなるものである場合、(Oガス流量)/(希ガス流量)≧10.0×10−3の条件を満たす雰囲気中でスパッタリング法により成膜されたものであることがより好ましい。
透明導電膜の幾何学的厚みは5〜200nmであることが好ましい。
透明導電膜のシート抵抗は、500Ω/sq.以上であることが好ましい。シート抵抗がこの範囲を満たすことにより、波長1.55μmにおける透過率が高いものとすることができる。
透明導電膜は基板上に形成され得る。
本発明の透明電極は、反射防止膜を有するものであってもよい。透明電極が、透明導電膜とともに反射防止膜を有する場合、入射光の反射を抑制することができるため、透明電極の赤外光透過率を向上させることが可能となる。
反射防止膜は、基板の表面及び裏面の両方に形成されていることが好ましい。
透明導電膜は、基板の表面に形成された反射防止膜の上に形成されていることが好ましい。
反射防止膜は、低屈折率層と高屈折率層との積層膜であることが好ましい。反射防止膜をこのような膜構成にすることにより、透明電極に良好な反射防止特性を付与することができ、透明電極の赤外光透過率のさらなる向上を図ることが可能となる。
本発明の透明電極は、可変フィルターや可変レーザーなどの赤外線を利用した光通信用デバイスに用いることができる。
本発明の透明導電膜の製造方法は、スパッタリング法を用いて、(Oガス流量)/(希ガス流量)≧3.0×10−3の条件を満たすスパッタリング雰囲気中で透明導電膜を成膜することを特徴とする。スパッタリング法により透明導電膜を成膜する際の希ガスとOガスの流量を特定の比率に調整することにより、消衰係数が小さく赤外線透過率の高い透明導電膜を得ることが可能となる。
スパッタリング雰囲気は、(Oガス流量)/(希ガス流量)≧5.0×10−3の条件を満たすことが好ましい。
本発明の透明電極では、該透明電極を構成する透明導電膜の消衰係数が低いため、透過光のロスを抑制し、赤外光透過率の高い透明電極を提供することが可能となる。したがって、本発明の透明電極は、可変フィルターや可変レーザーなどの赤外線を利用した光通信用デバイスに好適である。
図2は、実施形態に係る透明電極10の断面図である。図2に示すように、透明電極10は、基板11と、基板11の上に形成された反射防止膜12と、反射防止膜12の上に形成された透明導電膜13とを備えている。
透明導電膜13の波長1.55μmにおける消衰係数は、0.5以下であり、0.3以下であることが好ましく、0.1以下であることがより好ましく、0.05以下であることがさらに好ましく、0.01以下であることが一層好ましく、0.005以下であることがより一層好ましい。透明導電膜13の消衰係数が0.5を超えると、赤外透過光のロスが大きく、透明電極10が赤外線デバイス用途に適さなくなる傾向がある。透明導電膜13の消衰係数の下限は特に限定されないが、現実的には0.0001以上である。なお透明導電膜13の消衰係数は、波長1.5〜1.6μmの全範囲でこれらの範囲を満たすことが望ましく、その場合、透明電極10は赤外線用光通信デバイスとしてより好適に使用される。
透明導電膜13の比抵抗率は特に限定されないが、透明導電膜13の比抵抗率が小さすぎる場合は波長1.55μmにおける透明導電膜13の消衰係数が大きくなる傾向がある。このため、透明導電膜13の比抵抗率は、10μΩ・cm以上であることが好ましく、10μΩ・cm以上であることがより好ましい。一方、透明導電膜13の比抵抗率が大きすぎる場合は、透明導電膜13の導電性が低くなる傾向にあり、透明電極10が特に光通信用デバイス用途に適さなくなる傾向にあるため、透明導電膜13の比抵抗率は10μΩ・cm以下であることが好ましい。
透明導電膜13の消衰係数および比抵抗率は、例えば、スパッタリング法により透明導電膜13を成膜する際の各ガスの流量の比率を適宜変更することにより調整することができる。具体的には、後述するように、Oガスと希ガスの流量比を適宜変更することにより透明導電膜13の消衰係数および比抵抗率を調整することが可能である。
透明導電膜13の幾何学的厚みは、5〜200nmであることが好ましく、10〜100nmであることがより好ましく、10〜50nmであることがさらに好ましく、10〜30nmであることが最も好ましい。透明導電膜13の幾何学的厚みが5nmより薄いと、透明導電膜13のシート抵抗が高くなるため、透明電極10が光通信用デバイスに適さなくなる傾向にあり、また透明導電膜13の成膜が困難となる傾向がある。一方、透明導電膜13の幾何学的厚みが200nmより厚いと、波長1.55μmにおける透明導電膜13の透過率が低くなる傾向がある。
透明導電膜13のシート抵抗は、500Ω/sq.以上であることが好ましく、1kΩ/sq.以上であることがより好ましく、2kΩ/sq.以上であることがさらに好ましく、5kΩ/sq.以上であることが最も好ましい。透明導電膜13のシート抵抗が500Ω/sq.より低いと、波長1.55μmにおける透明導電膜13の透過率が低くなる傾向がある。透明導電膜13のシート抵抗の上限は特に限定されないが、透明導電膜13のシート抵抗が高すぎる場合は、液晶等に十分に電界が加えられなくなりデバイスが機能しなくなる傾向があるため、透明導電膜13のシート抵抗は50kΩ/sq.以下であることが好ましい。なお、(シート抵抗)=(比抵抗率)/(膜厚)の関係がある。
透明導電膜13としては、ITO膜、インジウムチタン酸化物(ITiO)膜、アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)膜、ゲルマニウムドープ酸化亜鉛(GZO)膜、インジウム亜鉛酸化物(IZO膜)、アンチモンドープ酸化すず(ATO)膜などが用いられる。なかでも、導電率が高く、赤外線用光通信デバイスに好適であることからITO膜、ITiO膜、を用いることが好ましく、ITiO膜を用いることが特に好ましい。
基板11は、赤外波長領域における透過率が高いものであれば特に限定されず、例えば、ガラス基板、プラスチック基板、シリコン基板等の透光性基板が使用できる。耐環境性、耐熱性、耐光性等の観点から基板11はガラス基板であることが好ましい。
透明電極10では、透明導電膜13とともに反射防止膜12が形成されているため、赤外光の反射が抑制され、それにより透明電極10の赤外光透過率が高められている。
反射防止膜12は、高屈折率層14と低屈折率層15との積層膜であることが好ましい。低屈折率層15の構成材料としては、波長1.55μmにおける屈折率が1.6以下のSiO、MgF等のフッ化物などが好適である。高屈折率層14の構成材料としては、屈折率が1.6以上のNb、TiO、Ta、HfO、ZrO、Siなどが好適である。
反射防止膜12の幾何学的厚みは特に限定されないが、一般的には、反射防止膜12の幾何学的厚みは、5〜500nmの範囲で適宜調整される。反射防止膜12の幾何学的厚みが5nm未満であると、透明電極10に十分な反射防止機能を付与しにくく、反射防止膜12の成膜が困難となる傾向がある。反射防止膜12の幾何学的厚みが500nmを超えると、反射防止膜12の表面の表面粗さが大きくなり光が散乱しやすくなったり、反射防止膜12の剥離や反りの問題が発生しやすくなる。
基板11上に透明導電膜13を形成するとともに、さらに基板11の裏面に反射防止膜を形成した場合、赤外線透過率をなお一層向上させることが可能となる。
透明電極10は、前述のように波長1.55μmにおける消衰係数が小さいため、高い透過率を有する。そのため、透明電極10は、赤外線用デバイスに好適に用いられる。透明電極10の波長1.55μmにおける透過率は、92%以上であることが好ましく、95%以上であることがより好ましく、98%以上であることがさらに好ましい。波長1.55μmにおける透明電極10の透過率が、92%未満であると、赤外線デバイス用途に適さなくなる傾向がある。なお、透明電極10の透過率は、波長1.5〜1.6μmの全範囲でこれらの範囲を満たすことが望ましく、その場合、赤外線用光通信デバイスとしてより好適である。なお、ここで透過率とは、積層体全体としての透過率をいう。
赤外線用デバイスにおいて、透明導電膜13が液晶に接するようにして透明電極10を用いる場合は、液晶と透明導電膜13の間に、例えばポリイミド膜などの配向膜を形成することが好ましい。配向膜の厚さは特に限定されないが、一般的には10〜50nmの範囲で調整される。
透明導電膜13の成膜方法は特に限定されず、公知の成膜方法を適用することが可能である。なかでも、透明導電膜13の密着性、強度および平滑性が良好である点からスパッタリングによる成膜が好ましい。
スパッタリングターゲットを用いたスパッタリング法による透明導電膜13の成膜は、通常、希ガスとOガスの混合ガス雰囲気下において行われる。ここで、希ガス流量とOガス流量は、(Oガス流量)/(希ガス流量)≧3.0×10−3の条件を満たすように設定され、(Oガス流量)/(希ガス流量)≧5.0×10−3の条件を満たすように設定されることが好ましく、(Oガス流量)/(希ガス流量)≧10.0×10−3の条件を満たすように設定することがさらに好ましい。(Oガス流量)/(希ガス流量)が3.0×10−3未満であると、透明導電膜13の比抵抗が小さくなる傾向にあり、その結果、波長1.55μmにおける透明導電膜13の消衰係数が大きくなりやすい。
透明導電膜13がインジウムスズ酸化物からなるものである場合は、(Oガス流量)/(希ガス流量)≧4.0×10−3の条件を満たす雰囲気中でスパッタリング法により成膜されたものであることがより好ましい。
透明導電膜13がインジウムチタン酸化物からなるものである場合は、(Oガス流量)/(希ガス流量)≧10.0×10−3の条件を満たす雰囲気中でスパッタリング法により成膜されたものであることがより好ましい。
なお、(Oガス流量)/(希ガス流量)の上限は特に限定されないが、(Oガス流量)/(希ガス流量)が高すぎると透明導電膜13の比抵抗値が大きくなり、透明電極10が赤外線用光通信デバイス用として適さなくなるため、(Oガス流量)/(希ガス流量)≦20×10−3であることが好ましい。
なお、希ガスとしては安価である点からアルゴンを用いることが好ましい。
スパッタリング法により成膜する際の基板11の温度は特に限定されないが、基板11の温度が高すぎる場合は、透明導電膜13の波長1.55μmにおける消衰係数が大きくなる傾向があるため、基板11の温度は400℃以下であるが好ましく、300℃以下であることがより好ましい。
(他の実施形態)
図3は、他の実施形態に係る透明電極20の断面図である。図3に示すように、基板11の表面に反射防止膜12を形成すると共に、基板11の裏面にも反射防止膜16を形成することが好ましい。これによれば、赤外光の反射がさらに抑制され、透明電極20の赤外光透過率をさらに高くすることができる。
反射防止膜16は、高屈折率層17と低屈折率層18との積層膜であることが好ましい。低屈折率層18の構成材料としては、波長1.55μmにおける屈折率が1.6以下のSiO、MgF等のフッ化物などが好適である。高屈折率層17の構成材料としては、屈折率が1.6以上のNb、TiO、Ta、HfO、ZrO、Siなどが好適である。
以下に、本発明を実施例を用いて詳細に説明するが、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。
表1に示すように、ガラス基板(日本電気硝子株式会社製OA−10:屈折率1.47、肉厚1.1mm)の上に、ITO膜からなる透明導電膜をスパッタリングにより形成した。
ここで、実施例1〜5および比較例1におけるITO膜の成膜は、DCスパッタリング成膜装置を用いて行った。成膜条件としては、まず5×10−4Paまで高真空にした状態で表1に記載のガス流量でスパッタガスを導入し、その後、圧力0.1Pa、電力1800W、基板温度250℃にてスパッタリングを行った。
実施例1〜5および比較例1で形成されたITO膜の消衰係数をジェー・エー・ウーラム社製分光エリプソメータにより測定した。また、ITO膜のシート抵抗を三菱化学製ロレスタにより測定した。比抵抗率については、シート抵抗と膜厚との関係から算出した。また透過率は、前記ガラス基板上に、ITO膜、ポリイミド配向膜、並びに反射防止膜としてのSiO膜(1.55μmにおける屈折率(以下、同様)=1.46)とNb膜(屈折率=2.26)との積層体が表1に記載の順序および膜厚で形成されている透明電極に対して、配向膜側から波長1.55μmの光を入射した場合の透過率をシミュレーションにより求めた。これらの結果を表1に示す。
表1から明らかなように、実施例1〜5の透明電極は、該透明電極を構成する透明導電膜の波長1.55μmにおける消衰係数が小さいため、透明電極の透過率が高いことがわかる。一方、比較例の透明電極は、透明導電膜の波長1.55μmにおける消衰係数が著しく大きいため、該透明電極の透過率が低いことがわかる。
また、下記表2に示すように、ITO膜の成膜時の酸素流量を変化させた実施例6及び7を作成した。
さらに、透明導電膜としてITiO膜をガラス基板(日本電気硝子株式会社製OA−10:屈折率1.47、肉厚1.1mm)の上に形成し、下記表3に示す積層構造の透明電極を実施例8〜17として作成した。ITiO膜の成膜は、DCスパッタリング成膜装置を用いて行った。成膜条件としては、まず5×10−4Paまで高真空にした状態で表1に記載のガス流量でスパッタガスを導入し、その後、圧力0.1Pa、電力1800W、基板温度250℃にてスパッタリングを行った。
また、実施例8〜17についても実施例1〜5と同様の手順でITiO膜の消衰係数、シート抵抗を測定し、比抵抗率を算出した。また、透過率をシミュレーションした。
実施例6〜17の結果を、実施例1〜5及び比較例1の結果と共に下記表2及び表3並びに図4及び図5に示す。
表2及び表3並びに図4及び図5に示す結果から、透明導電膜の種類にかかわらず、(Oガス流量)/(希ガス流量)を3×10−3以上とすることによって、透明導電膜の消衰係数を小さくすることができることがわかる。
表2及び図4に示す結果から、透明導電膜がITO膜である場合は、(Oガス流量)/(希ガス流量)を4×10−3以上とすることによって、透明導電膜の消衰係数をより小さくすることができることがわかる。
また、表2及び表3並びに図4及び図5に示す結果から、透明導電膜の種類にかかわらず、(Oガス流量)/(希ガス流量)を5×10−3以上とすることによって、透明導電膜の消衰係数をさらに小さくすることができることがわかる。
表3及び図5に示す結果から、透明導電膜がITiO膜である場合は、(Oガス流量)/(希ガス流量)を10×10−3以上とすることによって、透明導電膜の消衰係数を特に小さくすることができることがわかる。
また、表2及び表3に示す結果から、透明導電膜をITiO膜にすることにより、透明導電膜がITO膜であるときよりさらに消衰係数を小さくできることがわかる。
本発明の透明電極は、可変フィルターや可変レーザーなどの赤外線を利用した光通信用デバイスに好適である。
可変フィルターの一例を示す概略断面図である。 実施形態に係る透明電極の断面図である。 他の実施形態に係る透明電極の断面図である。 透明導電膜がITO膜である場合の消衰係数の測定結果を表すグラフである。 透明導電膜がITiO膜である場合の消衰係数の測定結果を表すグラフである。
符号の説明
1 基板
2 対向電極
3 被覆層
4 回折格子
5 導波路
6 液晶層
7 透明導電膜
8 透光性基板
9 反射防止膜
10 透明電極
11 基板
12 反射防止膜
13 透明導電膜
14 低屈折率層
15 高屈折率層
16 反射防止膜
17 低屈折率層
18 高屈折率層

Claims (13)

  1. 透明導電膜を有する透明電極であって、前記透明導電膜の波長1.55μmにおける消衰係数が0.01以下であり、前記透明導電膜がインジウムチタン酸化物からなることを特徴とする透明電極。
  2. 前記透明導電膜は、(Oガス流量)/(希ガス流量)≧3.0×10−3の条件を満たす雰囲気中でスパッタリング法により成膜されたものであることを特徴とする請求項1に記載の透明電極。
  3. 前記透明導電膜は、(Oガス流量)/(希ガス流量)≧5.0×10−3の条件を満たす雰囲気中でスパッタリング法により成膜されたものであることを特徴とする請求項1または2に記載の透明電極。
  4. 前記透明電極は、(Oガス流量)/(希ガス流量)≧10.0×10−3の条件を満たす雰囲気中でスパッタリング法により成膜されたものであることを特徴とする、請求項1または2に記載の透明電極。
  5. 前記透明導電膜の幾何学的厚みが5〜200nmであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の透明電極。
  6. 前記透明導電膜のシート抵抗が500Ω/sq.以上であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の透明電極。
  7. 前記透明導電膜は基板上に形成されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の透明電極。
  8. 反射防止膜を有することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の透明電極。
  9. 前記反射防止膜が、低屈折率層と高屈折率層との積層膜であることを特徴とする請求項8に記載の透明電極。
  10. 赤外線を利用した光通信用デバイスに用いられることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の透明電極。
  11. 赤外線を利用した光通信用デバイスが、可変フィルターまたは可変レーザーであることを特徴とする請求項10に記載の透明電極。
  12. 請求項1〜11のいずれか1項に記載の透明電極を製造する方法であって、スパッタリング法を用いて、(Oガス流量)/(希ガス流量)≧3.0×10−3の条件を満たすスパッタリング雰囲気中でインジウムチタン酸化物からなる透明導電膜を成膜することを特徴とする透明導電膜の製造方法。
  13. 前記スパッタリング雰囲気は、(Oガス流量)/(希ガス流量)≧5.0×10−3の条件を満たすことを特徴とする、請求項12に記載の透明導電膜の製造方法。
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