JPH03164723A - 非線形光学薄膜及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は非線形光学効果を利用した光スィッチ、光高調
波発生素子などの光デバイスに用いられゑ非線形光学薄
膜及びその製造方法に関するものである。

従来の技術 バルクにおける非線形光学材料として（よ　例えばシ゛
ヤーナルオ７゛オフ°ティカルソサエティオア゛アメリ
カ第７３巻第６４７頁　（Ｊ、Ｏｐｔ、　Ｓｏｃ、　Ａ
ｍ、　、　Ｖｏｌ、７３（１９８３））に記載されてい
るようｌ’ｙ　　ＣｄＳｘ　Ｓｅ＋　−Ｘをホウケイ酸
ガラスにドープしたカットオフフィルタガラスがあム このカットオフフィルタガラスＩｇ　　ＣｄＳｘＳｅ＋
−ｘとホウケイ酸ガラス材料とを白金ルツボに人ｋ１６
００℃程度の高温で溶除し作製していも発明が解決しよ
うとする課題 カットオフフィルタガラスを製造する場合のように　バ
ルクにおける製造方法でＣヨ　　次のような問題点があ
る。

イ）高温で溶融しなければ作製できないた八　ドープす
る半導体にきびしい制限があも　（融点の低い材料では
通魚　揮免　分解または酸化される）口）ドープ量が制
限されも　例えばＣｄＳ＋＋Ｓｅ＋−ｘをホウケイ酸ガ
ラスに２〜４重量％以上均一に分散させることは困難で
あム ハ）微粒子を得るために急冷喪　熱処理を行なっている
力（粒子はランダムに成長するため粒径の制御が難しｔ
〜 二）非線形光学デバイスを作製する場合、薄膜状に加工
することが要求されるが薄膜化が難しｔ〜本発明（よ　
係る従来の課題に鑑みてなされたちのて　高濃度の半導
体を容易にドープした非線形光学材料を提供することを
目的とすも 課題を解決するための手段 本発明は上述の課題を解決するためく　基板面上番ζ　
島状に成長させた少なくとも１種類の半導体微粒子と連
続膜として成長させた光学的透明物質とを交互に堆積さ
せた構造の非線形光学薄膜としたものであも　さらにこ
の非線形光学薄膜を別々の蒸発源を用いて製造するとい
うものであム作用 本発明は上述の構造とすることにより、光学的透明物質
中低　粒径の揃った半導体微粒子を、高濃度で均一にド
ープする薄膜を製造することが可能となる。

実施例 本発明における非線形光学薄膜の構造を第１図に示も すなわ板　本発明の非線形光学薄膜は島状に成長させた
半導体微粒子１２と、連続膜として成長させた光学的透
明物質１３とが交互に堆積した構造より成も ここで島状に成長させた半導体微粒子１２の基板１１面
に対して垂直方向の長さａと、連続膜として成長させた
光学的透明物質１３の基板１１面に対して垂直方向の長
さｂはａ≦ｂの関係を満たすと、より効果が著しくなり
好ましくも半導体微粒子１２の大きさ（瓜　励起子のボ
ーア半径以上の大きさでかつ量子サイズが顕著に現れる
程度に小さいことが必要であり、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度
の大きさが適当であも ここで言う光学的透明物質１３とは非線形光学効果を得
るのに必要な波長範囲では光学的に透明である物質を言
う。

本発明における非線形光学薄膜（よ　半導体薄膜作製時
のごく初期過程に形成される島状成長物質が微粒子であ
ることを用いて、この島状成長物質を半導体微粒子１２
として、光学的透明物質１３中へのドーピングに積極的
に利用するというものである。

本発明における非線形光学薄膜の製造方法で（よ半導体
微粒子１２を光学的透明物質１３中へ　粒径を揃えた状
態で均一にドープできることが特徴であも 本発明において粒径が揃った半導体微粒子１２力（均一
にドープされる理由を述べも 基板ｌｌ上に結晶薄膜を成長させる場合の薄膜形成の初
期過程ＧＡ　　次の３段階に分けることができる。

（イ）核形成 （ロ）核の凝集と島状構造の発生 （ハ）島状構造の成長と連続膜の形成 蒸発源から基板１１上に飛来した粒子（上　それ自体の
持つエネルギーがそれほど大きくない場合、基板１１と
垂直方向のエネルギーを短時間に失って基板１１上に滞
在すも　しかし　蒸着粒子が基板１１に到達したとき、
気相−固相間の遷移過程であるため一般には熱平衡に達
しておら哄　基板１１表面を動き回った後に　基板１１
表面の欠陥などの吸着点にとらえられて基板１１上に付
着する。もし吸着点がなければ蒸着粒子は再蒸発すａ次
々に飛来してくる蒸着粒子によって、近傍の付着粒子が
いくつか集まり、それが結晶核となん核が形成された後
、島状構造に成長し　さらに複数個の島が焼結と類似の
過程で結合し　より大きく成長し連続膜が形成されも　
この薄膜形成の初期段階の島ができたところで成長を止
めて、基板１１上に島状の半導体微粒子Ｉ２を分散させ
もその上に光学的透明物質１３の薄膜を形成して、島状
の半導体微粒子１２の全面を光学的透明物質１３で覆う
ことによって、光学的透明物質１３の中に粒径の揃った
半導体微粒子１２を均一にドープさせることが可能とな
も この島状構造法　形成条件によって任意の大きさに調節
することができ、大きさを比較的均一にすることができ
ることを本研究者らは発見しｔうまた　基板面ｌｌ上で
島状成長させる部分の密度を高めることも可能であり、
基板１１面の１０％以上にする事も容易であることを本
研究者らは発見した 島状成長させる半導体微粒子１２ζ＆　　ＣｕＣ１等の
Ｉ−ＶＩＩ族化合物半導に、　　ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、Ｃ
ｄＯ，ＣｄＴｅ、Ｚｎ５ｅ、　ＺｎＯ，ＺｎＴｅ、　Ｈ
ｇＴｅ等のＩＩ−Ｖｌ族化合物半導＆　　Ｃｄ５Ｓｅ、
　ＨｇＣｄＴｅ等の混晶ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体　Ｇ
ａＡｓ。

ＧａＮ、　ＧａＰ、　ＧａＳｂ、　ＩｎＡｓ、　ＩｎＰ
、　ＩｎＳｂ、　ＧａＡｌＡｓ、　ＩｎＡｌＡｓ等のｌ
１１−Ｖ族化合物半導化　あるいはＳｉ、　Ｇｅ等のＩ
Ｖ族半導体が好ましし℃ 光学的透明物質１３として（よ　非線形光学特性を得る
のに必要な波長範囲で光学的に透明であれ（よ　無機ガ
ラス物質であっても有機高分子化合物であってもよｔ〜 第１図に示す構造を製造するための具体的な実施例につ
いて述べも 実施例１ 第２図に示す多元スパッタリング装置を用（＼スパッタ
源の石英ガラスターゲット２３ａ、ＣｄＳターゲッ）２
３ｂで構成し九　基板２１とターゲット２３ａもしくは
２３ｂとの開く　ｌカ所のアパーチャー（孔）２５が開
いたシャッター２４を配置しており、シャッター２４を
回転させることによってアパーチャー２５の位置を変化
させ、いずれかのターゲットの頭上にもってくることが
できる。アパーチャー２５の位置と停止時間と（よコン
ピューターで制御されていも　基板２１には石英ガラス
を用い九 作製条件はアルゴン雰囲気中でガス圧ＩＰａ、基板温度
はヒーター２２で２００℃とし　石英ガラスターゲット
２３ａへの入力電力はｌ　００ＲＣｄＳターゲツト２３
ｂへの入力電力は　ＩＯＷとしへ まず、基板２１表面の荒れを５ｉＯａ膜で覆って平坦に
するため鳳　アパーチャー２５を石英ガラスターゲラ）
２３ａの上で止めて、基板２１に５ｉ０２膜を５０ｎｍ
堆積させ九 次にアパーチャー２５をＣｄＳターゲット２３ｂの上で
止めて、ＣｄＳ微粒子を堆積させ丸　核密度は時間が経
つにつれて急激に増加し　結晶核の大きさが大きくなっ
て島状構造が形成されてそれが成長すも 島状成長した半導体微粒子の大きさが４〜６ｎｍになっ
たところで、再びシャッター２４を回転させて、石英タ
ーゲラ）２３ａの上で止＆５ｉ０２膜を約６ｎｍ堆積さ
せ九 ＳｉＯ２とＣｄＳを基板２１に交互に照射する操作を繰
り返して、島状成長したＣｄＳ微粒子とＳｉＯ２膜とが
交互に堆積した構造を形成したこの操作を２００回繰り
返して約１．２５μｍの非線形光学薄膜を製造し九 この薄膜中のＣｄＳのドープ量は１０重量％であっへ この非線形光学薄膜の吸収スペクトルから得られたバン
ドギャップＣヨ　　バルクの半導体に比べ０゜３ｅＶブ
ルーシフトしていることか収　半導体が量子ドツトとな
っていることがわかっ丸実施例２ 第３図に示す複数の蒸発源を備えた蒸着装置を用ｕＸ、
蒸発源Ａ３３ａにＳ　ｉ　０ｘ（１＜＝ｘ＜−２）、蒸
発源Ｂ５３ｂにＣｄＳを封入し九　基板３１とそれぞれ
の蒸発源３３ａもしくは３３ｂの間にはシャッター３４
を配置しており、シャッター３４の開閉によって基板に
照射する粒子を制御すム　シャッター３４の開閉はコン
ピューターで制御されていも 基板３１には石英ガラスを用い九　蒸発源からの輻射熱
による基板温度の上昇を防ぐた取　基板３１は水冷した
銅板に取り付けられていも　基板温度はヒーター３３で
２００℃に調温し九まず酸素ガスを導入してｌｏ−’ｐ
ａの酸素雰囲気にし　基板３１に蒸発源Ａ３３ａからＳ
ｉＯｘを蒸発させて５ｉ０２膜を５０ｎｍ堆積させ九　
次に酸素ガスの導入を止めて１０−’Ｐａ以下の高真空
にして、蒸発源Ｂ５３ｂからＣｄＳを基板３１に照射り
、、ＣｄＳ島状微粒子を堆積させｆ、ＣｄＳ微粒子の大
きさが４〜６ｎｍになったところで成長をとめた　その
微　酸素ガスを導入して蒸発源Ａ３３ａからＳｉＯｘを
蒸発させて５ｉｆｔ膜を約６ｎｍ堆積させた このＣｄＳ微粒子とＳｉＯ２膜を交互に堆積させる操作
を繰り返して、５ｉ０２膜中にＣｄＳ微粒子がドープさ
れた構造を作製した この操作を２００回繰り返して約１．２５μｍの非線形
光学薄膜を製造し九 この薄膜中のＣｄＳのドープ量は１０重量％で゛あっｔ
も この非線形光学薄膜の吸収スペクトルから得られたバン
ドギャップ（友　バルクの半導体に比べ０゜３ｅＶブル
ーシフトしていることか収　半導体が量子ドツトとなっ
ていることがわかつ九実施例３ 実施例１に示した方法により作製した非線形光学薄膜を
用１．Ｘ、光双安定素子を作製したこの素子の石英ガラ
ス基板側か収　波長４３０ｎｍのレーザ光（Ｎ２光励起
色素レーザ光）を入射させ九 次に入射光の強度と出射光の強度との関係を、室温（２
５℃）にて測定したとこへ　第４図に示したような双安
定特性を示し島 発明の効果 本発明における島状成長させた半導体微粒子と、光学的
透明物質とが交互に堆積した構造を持つ非線形光学薄膜
は　光学的透明物質中に半導体微粒子の粒径を揃えて均
一にしかも高濃度にドープさせることができるた八　大
きな非線形光学効果を有する非線形光学薄膜を得ること
が可能である。

その応用として光双安定素子等を作製することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で製造した非線形光学薄膜の構造を示す
断面概念は　第２図及び第３図は本発明の実施例で用い
た非線形光学薄膜製造装置の構成を示す概念医　第４図
は本発明の非線形光学薄膜を用いた双安定素子の光双安
定特性を示す図である。 １１・・・半導体微粒子、　１２・・・光学的透明物質
、２１・・・基板　２２・・・ヒーター、　２３ａ・・
・石英ガラスターゲット、　２３ｂ・・・ＣｄＳターゲ
ット、　２４・・・シャッター　２５・・・アパーチャ
ー、　３１・・・基板　３２・・・ヒーター、　３３ａ
・・・蒸発源Ａ、　　３３ｂ・・・蒸発源１３４・・・
シャッター。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板面上に、島状に成長させた少なくとも１種類
   の半導体微粒子と、連続膜として成長させた光学的透明
   物質とを、交互に堆積させた構造を持つことを特徴とす
   る非線形光学薄膜。
2. （２）島状に成長させた半導体微粒子の基板面に対して
   垂直な方向の長さａと、連続膜として成長させた光学的
   透明物質の基板面に対して垂直な方向の長さｂとが、 ａ≦ｂ の関係を満たすことを特徴とする、請求項１記載の非線
   形光学薄膜。
3. （３）基板面上に、半導体微粒子と光学的透明物質とを
   交互に堆積させた構造を、別々の蒸発源を用いて形成す
   ることを特徴とする、非線形光学薄膜の製造方法。
4. （４）蒸発源がスパッタ源であることを特徴とする、請
   求項３記載の非線形光学薄膜の製造方法。