JPH0727824B2

JPH0727824B2 - 磁気光学結晶膜成膜用ガーネット基板単結晶及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0727824B2
Application number: JP2033169A
Authority: JP
Inventors: 靖人宮沢; 博昭戸嶋; 真伸河田
Original assignee: 科学技術庁無機材質研究所長
Priority date: 1990-02-14
Filing date: 1990-02-14
Publication date: 1995-03-29
Anticipated expiration: 2010-03-29
Also published as: JPH03236203A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、光アイソレーター、光スイッチ、光偏光器
等、光デバイスとして利用される磁気光学結晶膜の成膜
用基板として適するガーネツト基板単結晶及びその製造
方法に関するものである。

（従来の技術及び解決しようとする課題）従来より、光アイソレーター、光スイッチ、光偏光器
等、光デバイスとして利用される磁気光学結晶膜として
は、一般式｛Bi_{１−ｘ−ｙ}Ｒ_ｘＲ′_ｙ｝₃Fe₅O₁₂ （但し、０≦ｘ≦1.0、０≦ｙ≦0.7で、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等の希土類元素を表わ
す）又は｛Ce_{１−ｘ−ｙ}Ｒ_ｘＲ′_ｙ｝₃Fe₅O₁₂ （但し、０≦ｘ≦1.0、０≦ｙ≦0.7で、Ｒ及びＲ′はそ
れぞれＹ、Sc、La、Bi、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、
Er、Tm、Yb、Lu等の希土類元素を表わす）で表わされるビスマス又はセリウム置換希土類鉄ガーネ
ットが知られている。

これ等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
リウムガーネツト、ガドリニウムスカンジウムガリウム
ガーネツト基板結晶等が用いられている。しかし、格子
定数がそれぞれ1.238nm、1.251nm及び1.256nmであり、
前述のビスマス及びセリウムの完全置換体の格子定数に
対して小さく、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が完
全置換体用基板結晶として知られているが、基板結晶製
造時において原料費が非常に高価になることが問題視さ
れている。

具体的には、以下のような諸問題があった。

まず、上記ビスマス又は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の気相から成長
させる気相成長法、或いは液相エピタキシャル法等の液
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
を少なくする必要がある。また、基板と磁気光学結晶の
密着力を大きくさせる場合には、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若しくは同じ
くする必要がある。

ビスマス又はセリウム置換希土類鉄ガーネットのファラ
ディー回転能及び格子定数は、ビスマス又はセリウムの
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ィー回
転能を大きくする必要があり、デバイス全体の大きさを
小さくしたい場合に必要となる。最もファラディー回転
能が大きいビスマス完全置換希土類鉄ガーネット、すな
わち、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、前述のとおり、ガドリウムガリニウムガーネ
ット、ネオジウムガリウムガーネット或いはガドリニウ
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、これ等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
切れなくなってしまう。また、置換量を増やすと、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或いはクラックが生じるという
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2
000nm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。

一方、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2000nm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
ット単結晶基板に関しては、単結晶育成時に必要な酸化
ルテチウムが非常に高価であるため、基板として非常に
高価なものとなることが問題とされている。

本発明は、上記従来の磁気光学結晶用ガーネット基板の
欠点を解消し、ビスマス又は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できる格子定数を有し、
かつ、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を提供し、またそれを安価な
原料費で製造できる方法を提供することを目的とするも
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を重ねた
結果、従来のガドリニウムガリウムガーネットにおける
ガリウムの一部をインジウムで置換し、或いはガドリニ
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をインジウムで一部若しくは完
全に置換できることを見い出した。

また、格子定数は置換量において制御可能であることを
見い出した。

更に、完全置換体であるガドリニウムインジウムガリウ
ムガーネツト（Gd₃In₂Ga₃O₁₂）の格子定数は1.265nmで
あり、可視光領域から近赤外光領域において光吸収のな
いことを見い出した。

これ等の知見より、ガドリニウムインジウムガリウムガ
ーネット単結晶が磁気光学結晶膜、すなわち、ビスマス
又はセリウム置換希土類鉄ガーネット結晶の格子定数に
整合するとの知見を得、ここに本発明をなしたものであ
る。

すなわち、本発明の磁気光学結晶膜成膜用ガドリニウム
インジウムガリウムガーネット基板単結晶は、一般式｛Gd_１−ｘIn_ｘ｝_３〔Gd_ｙIn_ｚGa_{１−ｙ−ｚ}〕_２（Ga）
₃O₁₂ （但し、０≦ｘ≦1.0、０≦ｙ≦0.5、０≦ｚ≦1.0）で表わされることを特徴とする基板単結晶である。

また、その製造方法は、ガドリニウム、インジウム、ガ
リウムの酸化物を、原子比で、Gd:In:Ga＝｛３（１−
ｘ）＋2y｝：〔3x＋2z〕：（２（１−ｙ−ｚ）＋３）の
量比で十分混合し、得られた混合物若しくは化合物を不
活性ガス、還元性ガス若しくは酸化性ガス雰囲気で溶融
し、固化させて単結晶を得ることを特徴とするものであ
る。

本発明で得られるガドリニウムインジウムガリウムガー
ネット単結晶は、磁気光学結晶膜として知られるビスマ
ス又はセリウム置換希土類鉄ガーネット膜の成膜用とし
て適している。

例えば、ビスマス置換希土類鉄ガーネットは、一般式｛Bi_{１−ｘ−ｙ}Ｒ_ｘＲ′_ｙ｝₃Fe₅O₁₂ （但し、０≦ｘ≦1.0、０≦ｙ≦0.7で、Ｒ及びＲ′はそ
れぞれＹ、Sc、La、Ce、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、
Er、Tm、Yb、Lu等の希土類元素を表わす）で表わされる。

また、セリウム置換希土類鉄ガーネットは、一般式｛Ce_{１−ｘ−ｙ}Ｒ_ｘＲ′_ｙ｝₃Fe₅O₁₂ （但し、０≦ｘ≦1.0、０≦ｙ≦0.7で、Ｒ及びＲ′はそ
れぞれＹ、Sc、La、Bi、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、
Er、Tm、Yb、Lu等の希土類元素を表わす）で表わされる。

本発明で得られるガドリニウムインジウムガリウムガー
ネット基板単結晶の場合、前記一般式のｘ、ｙ、ｚをそ
れぞれ０≦ｘ≦1.0、０≦ｙ≦0.5、０≦ｚ≦1.0の範囲
とするのは、この範囲内においては、ガーネット単一相
が得られるためである。しかし、この範囲外において
は、、ペロブスカイト相等の第二相が生成し、ガーネッ
ト単一相の単結晶が得られない。

本発明のガーネツト基板単結晶を製造するには、結晶が
目的の組成になるように、酸化ガドリニウム（Gd
₂O₃）、酸化インジウム（In₂O₃）及び酸化ガリウム（Ga
₂O₃）の量比を調整し、これらの混合物若しくは化合物
を不活性ガス、還元性ガス若しくは酸化性ガス雰囲気中
下で、ベルヌーイ法、フローティングゾーン法、チョク
ラルスキー法又はブリッジマン法等の単結晶育成法によ
り、溶融固化することによって得ることができる。ガド
リニウム、インジウム、ガリウムの酸化物の混合量比が
前記範囲外ではガーネツト単一相の単結晶が得られな
い。

（実施例）次に本発明の実施例を示す。

実施例１ガドリニウム、インジウム、ガリウムの酸化物を原子比
で、Gd:In:Ga＝3.00:2.00:3.00になるように調整した混
合物を、イリジウム坩堝に入れて、1.5vol％の酸素を含
む窒素雰囲気下で、種結晶の回転数を20rpm、種結晶引
き上げ速度を4.0mm/hrとしてチョクラルスキー法により
単結晶を育成した。

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、その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。更に、結晶を切断し結磨した後、光吸収スペ
クトル分析を行った結果、波長領域300nmから2000nmの
範囲内において、光吸収は認められなかった。

なお、上記混合物を大気中1300℃、24時間固相反応させ
て得られた化合物を用いて、チョクラルスキー法により
単結晶を育成した結果、得られた単結晶の物性は、混合
物を用いた場合と同じであった。

実施例２ガドリニウム、インジウム、ガリウムの酸化物を原子比
でGd:In:Ga＝3.00:2.00:3.00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。

得られた結晶を粉末Ｘ線回折法により同定した結果、ガ
ーネット単一相の単結晶であることが認められた。ま
た、その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。更に、結晶を切断し研磨した後、
光吸収スペクトルにより分析した結果、波長領域300nm
から2000nmの範囲内において、光吸収は認められなかっ
た。

実施例３ガドリニウム、インジウム、ガリウムの酸化物を原子比
でGd:In:Ga＝3.00:2.00:3.00になるように調整した混合
物を、ラバーに詰め、1000kg/cm²で成形し、1300℃で６
時間固相反応させて化合物を得た。次いで、それを原料
棒とし、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4.0
mm/hrで単結晶を育成した。

得られた結晶を粉末Ｘ線回折法により同定した結果、ガ
ーネット単一相の単結晶であることが認められた。ま
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。更に、結晶を切断し研磨した後、光
吸収スペクトルによる分析を行った結果、波長領域300n
mから2000nmの範囲内において、光吸収は認められなか
った。

（発明の効果）以上詳述したように、本発明によれば、光アイソレータ
ー、光スイッチ、、光偏光器等光デバイスとして利用さ
れる、大きなファラディー回転能を有するビスマス又は
セリウム置換希土類鉄ガーネット磁気光学結晶膜の成膜
用基板として、格子定数の整合性の点から有用な新規磁
気光学結晶膜成膜用ガーネット基板単結晶を提供するこ
とができる。また、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成膜用基板として知られているガド
リニウムルテチウムガリウムガーネットに比べ、安価な
原料から育成可能であるので、安価な磁気光学結晶膜用
基板単結晶を提供できる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも、ガドリニウム、インジウム、
ガリウム及び酸素の４元素を含み、一般式｛Gd_１−ｘ In_ｘ｝_３〔Gd_ｙ In_ｚ Ga_{１−ｙ−ｚ}〕_２（G
a）₃O₁₂ （但し、０≦ｘ≦1.0、０≦ｙ≦0.5、０≦ｚ≦1.0）で表わされるものであることを特徴とする磁気光学結晶
膜成膜用ガドリニウムインジウムガリウムガーネット基
板単結晶。
【請求項２】前記磁気光学結晶膜が、一般式｛Bi_{１−ｘ−ｙ} R_ｘＲ′_ｙ｝₃Fe₅O₁₂ （但し、０≦ｘ≦1.0、０≦ｙ≦0.7で、Ｒ及びＲ′はそ
れぞれＹ、Sc、La、Ce、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、
Er、Tm、Yb、Lu等の希土類元素を表わす）で表わされるビスマス置換希土類鉄ガーネットである請
求項１に記載の磁気光学結晶膜成膜用ガドリニウムイン
ジウムガリウムガーネット基板単結晶。
【請求項３】前記磁気光学結晶膜が、一般式｛Ce_{１−ｘ−ｙ} R_ｘＲ′_ｙ｝₃Fe₅O₁₂ （但し、０≦ｘ≦1.0、０≦ｙ≦0.7で、Ｒ及びＲ′はそ
れぞれＹ、Sc、La、Ce、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、
Er、Tm、Yb、Lu等の希土類元素を表わす）で表わされるセリウム置換希土類鉄ガーネットである請
求項１に記載の磁気光学結晶膜成膜用ガドリニウムイン
ジウムガリウムガーネット基板単結晶。
【請求項４】ガドリニウム、インジウム、ガリウムの酸
化物を原子比でGd:In:Ga＝｛３（１−ｘ）＋2y｝：〔3x
＋2z〕：（２（１−ｙ−ｚ）＋３）の量比で十分混合
し、得られた混合物若しくは化合物を不活性ガス、還元
性ガス若しくは酸化性ガス雰囲気で溶融し、固化させて
単結晶を得ることを特徴とする磁気光学結晶膜成膜用ガ
ドリニウムインジウムガリウムガーネット基板単結晶の
製造方法。