JPH0823645B2 - 非線形光学薄膜及びその製造方法 - Google Patents
非線形光学薄膜及びその製造方法Info
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- JPH0823645B2 JPH0823645B2 JP1305441A JP30544189A JPH0823645B2 JP H0823645 B2 JPH0823645 B2 JP H0823645B2 JP 1305441 A JP1305441 A JP 1305441A JP 30544189 A JP30544189 A JP 30544189A JP H0823645 B2 JPH0823645 B2 JP H0823645B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は非線形光学効果を利用した光スイッチ、光高
調波発生素子などの光デバイスに用いられる、非線形光
学薄膜及びその製造方法に関するものである。
調波発生素子などの光デバイスに用いられる、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は、例えばジャ
ーナル オブ オプティカルソサエティ オブ アメリ
カ第73巻第647頁（J.Opt.Soc.Am.,Vol.73（1983））に
記載されているように、CdSxSe1-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る。
ーナル オブ オプティカルソサエティ オブ アメリ
カ第73巻第647頁（J.Opt.Soc.Am.,Vol.73（1983））に
記載されているように、CdSxSe1-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る。
このカットオフフィルタガラスは、CdSxSe1-xとホウ
ケイ酸ガラス材料とを白金ルツボに入れ、1600℃程度の
高温で溶融し作製している。
ケイ酸ガラス材料とを白金ルツボに入れ、1600℃程度の
高温で溶融し作製している。
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は、次のような問題点があ
る。
バルクにおける製造方法では、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め、ドープす
る半導体にきびしい制限がある。（融点の低い材料では
通常、揮発、分解または酸化される） ロ）ドープ量が制限される。例えばCdSxSe1-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
困難である。
る半導体にきびしい制限がある。（融点の低い材料では
通常、揮発、分解または酸化される） ロ）ドープ量が制限される。例えばCdSxSe1-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
困難である。
ハ）微粒子を得るために急冷後、熱処理を行なっている
が、粒子はランダムに成長するため粒径の制御が難し
い。
が、粒子はランダムに成長するため粒径の制御が難し
い。
ニ）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い。
することが要求されるが薄膜化が難しい。
本発明は、係る従来の課題に鑑みてなされたもので、
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る。
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る。
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に、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
せた構造の非線形光学薄膜としたものである。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
うものである。
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る。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
うものである。
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
質中に、粒径の揃った半導体微粒子を、高濃度に均一に
ドープする薄膜を製造することが可能となる。
質中に、粒径の揃った半導体微粒子を、高濃度に均一に
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
す。
す。
すなわち、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る。
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る。
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
い。
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
い。
半導体微粒子12の大きさは、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
ある。
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
ある。
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。
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は、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。
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は、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る。
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る。
本発明において粒径が揃った半導体微粒子12が、均一
にドープされる理由を述べる。
にドープされる理由を述べる。
基板11上に結晶薄膜を成長させる場合の薄膜形成の初
期過程は、次の３段階に分けることができる。
期過程は、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上に飛来した粒子は、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
る。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
らず、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る。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、それが結晶核となる。
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
る。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
らず、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る。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、それが結晶核となる。
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
続膜が形成される。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12を分散させる。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
能となる。
の島が焼結と類似の過程で結合し、より大きく成長し連
続膜が形成される。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12を分散させる。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
能となる。
この島状構造は、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た。
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た。
また、基板面11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。
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12は、CuCl等のＩ−VII
族化合物半導体、CdS,CdSe,CdO,CdTe,ZnSe,ZnO,ZnTe,Hg
Te等のII−VI族化合物半導体、CdSSe,HgCdTe等の混晶II
−VI族化合物半導体、GaAs,GaN,GaP,GaSb,InAs,InP,InS
b,GaAlAs,InAlAs等のIII−Ｖ族化合物半導体、あるいは
Si、Ge等のIV族半導体が好ましい。
族化合物半導体、CdS,CdSe,CdO,CdTe,ZnSe,ZnO,ZnTe,Hg
Te等のII−VI族化合物半導体、CdSSe,HgCdTe等の混晶II
−VI族化合物半導体、GaAs,GaN,GaP,GaSb,InAs,InP,InS
b,GaAlAs,InAlAs等のIII−Ｖ族化合物半導体、あるいは
Si、Ge等のIV族半導体が好ましい。
光学的透明物質13としては、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ば、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い。
に必要な波長範囲で光学的に透明であれば、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い。
第１図に示す構造を製造するための具体的な実施例に
ついて述べる。
ついて述べる。
実施例１ 第２図に示す多元スパッタリング装置を用い、スパッ
タ源の石英ガラスターゲット23a、CdSターゲット23bで
構成した。基板21とターゲット23aもしくは23bとの間
に、１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は、コンピューターで制御されて
いる。基板21には石英ガラスを用いた。
タ源の石英ガラスターゲット23a、CdSターゲット23bで
構成した。基板21とターゲット23aもしくは23bとの間
に、１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は、コンピューターで制御されて
いる。基板21には石英ガラスを用いた。
作製条件はアルゴン雰囲気中でガス圧1Pa、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100W、CdSターゲット23bへの入力電力は10
Wとした。
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100W、CdSターゲット23bへの入力電力は10
Wとした。
まず、基板21表面の荒れをSiO2膜で覆って平坦にする
ために、アパーチャー25を石英ガラスターゲット23aの
上で止めて、基板21上にSiO2膜を50nm堆積させた。
ために、アパーチャー25を石英ガラスターゲット23aの
上で止めて、基板21上にSiO2膜を50nm堆積させた。
次にアパーチャー25をCdSターゲット23bの上で止め
て、CdS微粒子を堆積させた。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る。
て、CdS微粒子を堆積させた。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る。
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
ゲット23aの上で止め、SiO2膜を約6nm堆積させた。
たところで、再びシャッター24を回転させて、石英ター
ゲット23aの上で止め、SiO2膜を約6nm堆積させた。
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。
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
薄膜を製造した。
薄膜を製造した。
この薄膜中のCdSのドープ量は10重量％であった。
この非線形光学薄膜の吸収スペクトルから得られたバ
ンドギャップは、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ら、半導体が量子ドットとなってい
ることがわかった。
ンドギャップは、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ら、半導体が量子ドットとなってい
ることがわかった。
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い、
蒸発源A33aにSiOx（１＜＝ｘ＜＝２）、蒸発源B33bにCd
Sを封入した。基板１とそれぞれの蒸発源33aもしくは33
b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る。シャッ
ター34の開閉はコンピューターで制御されている。
蒸発源A33aにSiOx（１＜＝ｘ＜＝２）、蒸発源B33bにCd
Sを封入した。基板１とそれぞれの蒸発源33aもしくは33
b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る。シャッ
ター34の開閉はコンピューターで制御されている。
基板31には石英ガラスを用いた。蒸発源からの輻射熱
による基板温度の上昇を防ぐため、基板31は水冷した銅
板に取り付けられている。基板温度はヒーター33で200
℃に調温した。
による基板温度の上昇を防ぐため、基板31は水冷した銅
板に取り付けられている。基板温度はヒーター33で200
℃に調温した。
まず酸素ガスを導入して10-1Paの酸素雰囲気にし、基
板31に蒸発源A33aからSiOxを蒸発させてSiO2膜を50nm堆
積させた。次に酸素ガスの導入を止めて10-4Pa以下の高
真空にして、蒸発源B33bからCdSを基板31に照射し、CdS
島状微粒子を堆積させた。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。その後、酸素ガスを導
入して蒸発源A33aからSiOxを蒸発させてSiO2膜を約6nm
堆積させた。
板31に蒸発源A33aからSiOxを蒸発させてSiO2膜を50nm堆
積させた。次に酸素ガスの導入を止めて10-4Pa以下の高
真空にして、蒸発源B33bからCdSを基板31に照射し、CdS
島状微粒子を堆積させた。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。その後、酸素ガスを導
入して蒸発源A33aからSiOxを蒸発させてSiO2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、SiO2膜中にCdS微粒子がドープされた構造を
作製した。
り返して、SiO2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
薄膜を製造した。
薄膜を製造した。
この薄膜中のCdSのドープ量は10重量％であった。
この非線形光学薄膜の吸収スペクトルから得られたバ
ンドギャップは、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ら、半導体が量子ドットとなってい
ることがわかった。
ンドギャップは、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ら、半導体が量子ドットとなってい
ることがわかった。
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
を用い、光双安定素子を作製した。
を用い、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ら、波長430nmのレー
ザ光（N2光励起色素レーザ光）を入射させた。
ザ光（N2光励起色素レーザ光）を入射させた。
次に入射光の強度と出射光の強度との関係を、室温
（25℃）にて測定したところ、第４図に示したような双
安定特性を示した。
（25℃）にて測定したところ、第４図に示したような双
安定特性を示した。
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め、
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。
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め、
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。
る。
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
断面概念図、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図、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、2
3b……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Ｂ、34……シャッター。
断面概念図、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図、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、2
3b……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Ｂ、34……シャッター。
Claims (4)
- 【請求項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。 - 【請求項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。 - 【請求項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。 - 【請求項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。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1305441A JPH0823645B2 (ja) | 1989-11-24 | 1989-11-24 | 非線形光学薄膜及びその製造方法 |
| US07/752,988 US5113473A (en) | 1989-11-24 | 1991-09-03 | Nonlinear, optical thin-films and manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1305441A JPH0823645B2 (ja) | 1989-11-24 | 1989-11-24 | 非線形光学薄膜及びその製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03164723A JPH03164723A (ja) | 1991-07-16 |
| JPH0823645B2 true JPH0823645B2 (ja) | 1996-03-06 |
Family
ID=17945178
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1305441A Expired - Fee Related JPH0823645B2 (ja) | 1989-11-24 | 1989-11-24 | 非線形光学薄膜及びその製造方法 |
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| JP (1) | JPH0823645B2 (ja) |
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| US4206251A (en) * | 1978-06-01 | 1980-06-03 | Hughes Aircraft Company | Method for diffusing metals into substrates |
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| US4861129A (en) * | 1987-04-17 | 1989-08-29 | Hoechst Celanese Corp. | Inorganic-organic composite compositions exhibiting nonlinear optical response |
| US4886339A (en) * | 1987-09-28 | 1989-12-12 | Eastman Kodak Company | Optical article containing a transmission medium exhibiting a high level of second order polarization susceptibility |
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-
1989
- 1989-11-24 JP JP1305441A patent/JPH0823645B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1991
- 1991-09-03 US US07/752,988 patent/US5113473A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03164723A (ja) | 1991-07-16 |
| US5113473A (en) | 1992-05-12 |
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