專利名稱：磁性光學(xué)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在光敏感元件方面作為法拉第旋轉(zhuǎn)器使用的，透過光的波長范圍實(shí)質(zhì)上是0.98μm、1.017μm、1.047μm、1.064μm波段的磁性光學(xué)元件，特別是涉及在光放大器中用的激發(fā)光源(例如激光二極管)附近使用的光隔離器及適合于在相同波長范圍作為光磁場(chǎng)敏感元件使用的磁性光學(xué)元件，本發(fā)明還涉及上述磁性光學(xué)元件的制造方法。
在光通信系統(tǒng)中，近年來正在研究不需將光信號(hào)變換成電信號(hào)而是直接地將光信號(hào)放大的光纖放大器的使用。在此情況下，在上述放大器內(nèi)使用添加Er(鉺)的光纖，在這種添加Er的光纖中，可以透過放大的信號(hào)光和激勵(lì)光，從而獲得放大光。在光通信系統(tǒng)中，已經(jīng)確認(rèn)，在采用一般波長為1.55μm的信號(hào)光的情況下，上述激勵(lì)光的波長為1.48μm或0.98μm的場(chǎng)合可以獲得特別良好的效果。
其中，在1.48μm波段激勵(lì)的光纖放大器，與0.98μm波段激勵(lì)的光纖放大器的情況相比，在光學(xué)性能方面未必能占優(yōu)勢(shì)，但是，在1.48μm波段已可以獲得具有高可靠性的激勵(lì)用激光光源，而且對(duì)應(yīng)于1.48μm波段的光隔離器同樣已完成了開發(fā)，已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化。
另一方面，已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，與1.48μm波段激勵(lì)的光纖放大的情況相比，0.98μm波段激勵(lì)的光纖放大器具有高效率和低雜音的特性，但是至今尚未獲得在0.98μm波段具有大功率的適用于激勵(lì)的激光光源及光隔離器，這就成為開發(fā)的障礙。
可是，對(duì)于1.48μm波段中用的光纖放大器來說，在光隔離器中用的法拉第旋轉(zhuǎn)器方面一般是使用磁性石榴石薄膜的元件，但是同樣的元件在0.98μm波段的插入損耗很大，因此沒有實(shí)用性。另一方面，對(duì)于0.98μm波段來說，最近正在開發(fā)作為激勵(lì)用激光光源的半導(dǎo)體激光器，因此利用0.98μm波段的光纖放大器正在受到重視。因此，對(duì)于小型、低損耗的0.98μm波段用光隔離器的需求正日益增長，要求開發(fā)適合在該波段使用的法拉第旋轉(zhuǎn)器。另外，對(duì)于那些對(duì)應(yīng)于將來有較大實(shí)用可能性的1.3μm信號(hào)光的添加Pr的光纖放大器的激勵(lì)光源(1.017μm和1.047μm)、作為光CATV輸送中用的光源使用的激光二極管激勵(lì)NdYAG激光光源(1.064μm)，也在要求小型、低損耗的光隔離器。
作為在0.98μm、1.017μm、1.047μm、1.064μm各波段范圍附近具有低損耗和高法拉第旋轉(zhuǎn)系數(shù)的材料，適合的有MnTe-HgTe-CdTe的三元體系半磁性半導(dǎo)體材料，這從特開昭61-123814號(hào)(即123814/1986號(hào))公報(bào)可以得知。而且，在同樣的三元體系材料中法拉第旋轉(zhuǎn)系數(shù)顯示高數(shù)值的組成范圍已由上述的特開昭61—123814號(hào)公報(bào)、特開平3—229217號(hào)(即229217/1991號(hào))公報(bào)和平成5年(1993年1月25日申請(qǐng)的特愿平5—9984號(hào)說明書(平成6年(1994)8月12日公開的特開平6—222309號(hào)(即222309/1994號(hào))公報(bào))等提出。
然而，這些公報(bào)所記載的CdMnHgTe結(jié)晶的任何一種皆是用MBE(分子束外延)法或以往的布里奇曼(Bridgeman)法制備的，這些方法均很難說是在工業(yè)上可以按批量生產(chǎn)獲得均一單晶材料的方法。
MBE法是一種將原料的構(gòu)成元素蒸鍍到基底材料上的制備方法，這樣制得的結(jié)晶通常是只有數(shù)μm至數(shù)十μm左右的極薄的結(jié)晶，這種結(jié)晶雖然可獲得對(duì)光隔離器所必需的45°法拉第旋轉(zhuǎn)角，但是卻很難制得具有足夠尺寸形狀，至少厚度為300μm左右的元件。而且，通常用該方法制得的結(jié)晶在多數(shù)情況下都是成為其他結(jié)晶體膜，難以制得作為法拉第元件用的光學(xué)均一性優(yōu)良的單晶的元件材料。
另一方面，按照以往的布里奇曼法雖然可以制得足夠大的元件，但是在制造過程中或是產(chǎn)生雙晶，或是在結(jié)晶生長過程中其組成中產(chǎn)生被稱為結(jié)晶偏析的變化，因此，通常只能獲得組成不均一而且光學(xué)質(zhì)量較差的元件材料，這就成為合格率低以及光學(xué)質(zhì)量和性能差的原因，因此還不能說是實(shí)用的方法。以下詳細(xì)說明使用這種以往的布里奇曼法制備CdMnHgTe結(jié)晶(單晶)的情況。
在使用這種以前的布里奇曼法制備CdMnHgTe結(jié)晶(單晶)的場(chǎng)合，如下面所述那樣，把起始原料在相變點(diǎn)以上熔融，再將熔融的原料慢慢冷卻，而這種由于慢慢冷卻導(dǎo)致的結(jié)晶化過程必定要通過相變點(diǎn)，這時(shí)就產(chǎn)生了雙晶。而且在此情況下，由于非同質(zhì)熔融，隨著結(jié)晶的生長而導(dǎo)致晶體和熔融液相的組成都發(fā)生變化，在所獲得的結(jié)晶中產(chǎn)生局部組成上的差異，因此不能獲得具有均一組成的結(jié)晶。
在存在雙晶的場(chǎng)合，其晶界附近的光學(xué)性能差，為了滿足作為法拉第旋轉(zhuǎn)器的實(shí)用光學(xué)特性，必須按照相對(duì)于雙晶界面的特定方向(通常是垂直于雙晶面的方向)把生成的結(jié)晶切出，而且在這樣制得的元件中由于入射光透過雙晶面，故光學(xué)質(zhì)量差，光學(xué)特性的偏差大。并且用這種方法制得的結(jié)晶其組成偏析(結(jié)晶組成的變化)大，在結(jié)晶生長方向的維爾德常數(shù)和插入損耗的數(shù)值發(fā)生大的變化，因此適合于作為法拉第旋轉(zhuǎn)器使用的組成范圍的區(qū)域在制得的結(jié)晶中只是占很有限的部分。這些缺點(diǎn)在按以前的布里奇曼法制得的結(jié)晶中是不可避免的，因此人們尋求不會(huì)產(chǎn)生雙晶，而且組成偏析小的CdMnHgTe結(jié)晶。
下面將對(duì)上述的公報(bào)中公開的MnTe-HgTe-CdTe的三元體系半磁性半導(dǎo)體材料的光學(xué)特性加以說明。為了獲得優(yōu)良的光學(xué)特性，作為MnTe-HgTe-CdTe的三元體系半磁性半導(dǎo)體材料的組成，上述各公報(bào)所示的組成范圍未必能說是適當(dāng)?shù)姆秶?。通常?duì)法拉第元件所要求的光學(xué)特性對(duì)于透過光的波長來說具有如下兩點(diǎn)(1)維爾德常數(shù)(每單位長度·單位外加磁場(chǎng)的法拉第旋轉(zhuǎn)角)大；(2)透過光的插入損耗小。可是，關(guān)于插入損失，在0.7～0.9μm的區(qū)域，存在被稱為截止(カツトオン)波長的插入損耗急劇增加的區(qū)域，并且在其附近以及比其更短波長一側(cè)的區(qū)域，插入損耗過大，因此不能作為法拉第旋轉(zhuǎn)器使用。在CdMnHgTe半磁性半導(dǎo)體的場(chǎng)合，截止波長的數(shù)值對(duì)應(yīng)于其組成而變化，因此，把目的波長區(qū)域以外的光學(xué)特性數(shù)據(jù)單純地進(jìn)行外插，由此來判斷在使用元件的波長區(qū)域內(nèi)是否具有作為法拉第旋轉(zhuǎn)器來說是充分的光學(xué)特性是不可能的。
根據(jù)這種情況，回顧上述特開昭61-123814公報(bào)和上述特開平3-229217公報(bào)，前者在其實(shí)施例中記載的實(shí)測(cè)波長只有0.8μm、1.3μm和1.5μm3個(gè)波長，而后者只限定于0.50～0.78μm的區(qū)域。
因此，對(duì)于在使用0.98μm波段的光隔離器中應(yīng)用為前提的法后第旋轉(zhuǎn)器來說，沒有理由認(rèn)為上述2份公報(bào)所示的組成范圍可以直接地作為能夠獲得優(yōu)良光學(xué)特性的范圍，為了確定適合的組成范圍，必須重新制備各種組成的CdMnHgTe半磁性半導(dǎo)體，并在必須的波長范圍內(nèi)重新測(cè)定作為其光學(xué)特性的維爾德常數(shù)和截止波長。
另外，在上述特愿平5—9984號(hào)說明書中雖然在其對(duì)應(yīng)的波長范圍內(nèi)包含0.98μm波段，但作為使用對(duì)象的波長范圍取在0.8～1.1μm相當(dāng)寬的范圍內(nèi)，與使用波長限定為0.98μm附近的情況相比較，請(qǐng)求保護(hù)的組成范圍反而明顯地狹小，因此不能說僅僅在此組成范圍內(nèi)才適合于作為可以獲得良好光學(xué)特性的0.98μm波段附近波長中用的法拉第旋轉(zhuǎn)元件的組成范圍。
如上所述，對(duì)于用在0.98μm波段附近波長的光隔離器上的CdMnHgTe半磁性半導(dǎo)體的法拉第旋轉(zhuǎn)器來說，要求達(dá)到下述2點(diǎn)(1)能在工業(yè)上以穩(wěn)定產(chǎn)量制造的手段；(2)在相同波長范圍內(nèi)提示透過光的插入損耗小，而且維爾德常數(shù)充分大的半磁性導(dǎo)體的組成范圍。但是上述的先有技術(shù)對(duì)上述的任一點(diǎn)都沒有作明確的表示。另外，根據(jù)上述說明，把利用CdMnHgTe半磁性半導(dǎo)體制成的法拉第旋轉(zhuǎn)器在0.98μm波段附近波長的光隔離器中使用為前提，然而，即使是在作為利用相同波長的透過光的光磁場(chǎng)敏感元件中用的法拉第旋轉(zhuǎn)器而使用的情況來說，也是完全相同的。
因此，本發(fā)明的課題是提供一種可作為法拉第元件使用的，組成均一并且光學(xué)質(zhì)量高的磁性光學(xué)元件。
本發(fā)明的另一個(gè)課題是提供一種制造可作為法拉第元件使用的，組成均一并且光學(xué)質(zhì)量高的磁性光學(xué)元件的方法。
根據(jù)本發(fā)明，可以獲得如下的一種磁性光學(xué)元件，其特征在于，在以(Cd1-X-YMnXHgY)1Te1(0＜x＜1、0＜y＜1)表示的磁性光學(xué)元件中，在MnTe-HgTe-CdTe的擬3元體系相圖中，具有包含在由Mn0.5Hg0.5Te、Mn0.6Hg0.4Te、Cd0.83Mn0.13Hg0.04Te、Cd0.83Mn0.05Hg0.12Te4點(diǎn)所包圍的范圍內(nèi)的組成，而且具有300μm以上的厚度，并且是由實(shí)際上不含雙晶及組成偏析的單晶組成。
另外，根據(jù)本發(fā)明，可以獲得如下的一種磁性光學(xué)元件的制造方法，所說的磁性光學(xué)元件由(Cd1-X-YMnxHgy)1Te1(0＜x＜1，0＜y＜1)表示，它具有在MnTe-HgTe-CdTe的擬三元體系相圖中包含在由Mn0.5Hg0.5Te、Mn0.6Hg0.4Te、Cd0.83Mn0.13Hg0.04Te、Cd0.83Mn0.05Hg0.12Te4點(diǎn)所包圍的范圍內(nèi)的組成，而且具有300μm以上的厚度，并且是由實(shí)際上不含雙晶及組成偏析的單晶組成，該制造方法的特征在于，它包含原料準(zhǔn)備工序、原料熔融工序、制成多晶體的工序和再結(jié)晶生長的工序，其中原料準(zhǔn)備工序是以金屬Cd、金屬M(fèi)n、金屬Te和金屬HgTe組成的原料，或者以金屬Cd、金屬M(fèi)n、金屬Te和金屬Hg組成的原料作為起始原料，其中，對(duì)于在上述擬三元體系相圖中在上述范圍內(nèi)包含的目標(biāo)組成，Te以外的元素的比例直接按規(guī)定的比例，而Te則以0.001以上至0.1以下的過剩的比例進(jìn)行配合；原料熔融工序是將上述的起始原料放置在維持對(duì)應(yīng)于Hg的蒸氣壓的壓力以及維持能夠?qū)⑸鲜銎鹗荚先廴诘臏囟鹊臍夥罩校瑢⑸鲜銎鹗荚先劢庥谝讶廴诘脑现?；制成多晶體的工序是將上述已熔融的原料通過快速冷卻進(jìn)行凝固而制成多晶體；再結(jié)晶生長工序是將上述的多晶體放置在維持對(duì)應(yīng)于Hg的蒸氣壓的壓力以及維持上述多晶體的相變溫度要低的溫度的氣氛中，通過固相反應(yīng)使上述的多晶體再結(jié)晶生長。


圖1把按照本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例制得的磁性光學(xué)元件的組成范圍表示于MnTe—HgTe—CdTe的擬3元體系相圖中。
圖2(a)和(b)用于說明實(shí)施以前的布里奇曼法的結(jié)晶制造裝置的工作情況。
圖3是具有以用上述以往的布里奇曼法制造的CdMnHgTe所示組成的半磁性半導(dǎo)體結(jié)晶的結(jié)構(gòu)的紅外偏光顯微照片。
圖4(a)和(b)用于說明實(shí)施本發(fā)明的制造方法的結(jié)晶制造裝置的工作情況。
圖5是具有以用上述本發(fā)明的制造方法制造的CdMnHgTe所示組成的半磁性半導(dǎo)體結(jié)晶的結(jié)構(gòu)的紅外偏光顯微照片。
圖6用于表示用上述以前的布里奇曼法和用上述本發(fā)明的制造方法制得的結(jié)晶的組成偏析的分布進(jìn)行比較的情況。
圖7用于表示在MnTe-HgTe-CdTe的擬三元體系相圖中相應(yīng)于半磁性半導(dǎo)體單晶的各種組成的維爾德常數(shù)的值。
下面詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例。
參照?qǐng)D1，按本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例制得的磁性光學(xué)元件是一種由(Cd1-X-YMnXHgY)1Te1(0＜x＜1，0＜y＜1)表示的磁性光學(xué)元件，在MnTe-HgTe-CdTe的擬三元體系相圖中，具有包含在由Mn0.5Hg0.5Te、Mn0.6Hg0.4Te、Cd0.83Mn0.13Hg0.04Te、Cd0.83Mn0.05Hg0.12Te的a、b、c、d4點(diǎn)所包圍的范圍內(nèi)的組成，以便可以在波長區(qū)域0.98μm、1.017μm、1.047μm、1.064μm波段的各波長附近使用，而且具有300μm以上的厚度，并且是由實(shí)際上不含雙晶及組成偏析的單晶組成。
下面要進(jìn)行詳細(xì)的敘述，但是簡(jiǎn)單地來說，由上述單晶組成的磁性光學(xué)元件是以下述的方式進(jìn)行制造的。即以金屬Cd、金屬M(fèi)n、金屬Te和金屬HgTe組成的原料(或以金屬Cd、金屬M(fèi)n、金屬Te和金屬Hg組成的原料)作為起始原料，其中，相對(duì)于上述擬三元體系相圖中在上述范圍內(nèi)含有的目標(biāo)組成來說，Te以外的元素的比例直接按上述比例，而Te則按0.001～0.1過剩的比例配合，將這些起始原料裝入石英坩堝中。將該裝有起始原料的石英坩堝的壓力維持于對(duì)應(yīng)于Hg的蒸氣壓的壓力，把充填了起始原料的石英坩堝放置于加熱爐內(nèi)均勻加熱的區(qū)域，從而使起始原料熔融。然后將此熔融的原料通過快速冷卻進(jìn)行凝固而制成多晶體。然后將此裝有多晶體的石英坩堝移入加熱爐內(nèi)保持特定溫度梯度(如下所述)的區(qū)域，將此裝有多晶體的石英坩堝在維持于比多晶體的相變溫度低的溫度，并且在維持于對(duì)應(yīng)于Hg的蒸氣壓的壓力的氣氛中放置數(shù)日，通過固體反應(yīng)而使上述的多晶體再結(jié)晶生長。
該制造方法是把通過淬火法(高壓熔融冷卻法)制得的，具有幾乎與目標(biāo)組成相對(duì)應(yīng)組成的多晶原料棒在真空下封裝入安瓿瓶狀的坩堝中，用加熱裝置將該坩堝在低于該多晶原料相變點(diǎn)的溫度下保持?jǐn)?shù)日，使該多晶原料進(jìn)行再結(jié)晶生長，從而制造單晶體。按照這種制造方法，可以克服以前的布里奇曼法所存在的上述缺點(diǎn)，可以大量地生產(chǎn)不產(chǎn)生雙晶的，而且組成偏析極小的質(zhì)量單晶。
把由上述單晶組成的磁性光學(xué)元件作為法拉第旋轉(zhuǎn)器來制備時(shí)，可以獲得一種具有下述性能的光隔離器它具有隔離度為30dB以上，插入損耗為0.5dB以下的實(shí)質(zhì)性高性能，而且呈小型狀可以安裝于LD模子內(nèi)，可以在0.98μm、1.017μm、1.047μm、1.064μm各波長附近的波段使用。同樣，把由上述單晶組成的磁性光學(xué)元件作為法拉第旋轉(zhuǎn)器來制備時(shí)，也可以獲得使用上述波段內(nèi)透過光的高性能的光磁場(chǎng)敏感元件。
把具有ZnS型結(jié)構(gòu)的CdTe中的一部分Cd置換成Mn而制得的Cd1-xMnxTe(0＜X＜1)是一種具有大的維爾德常數(shù)的元件，這一點(diǎn)是已知的，而且這種元件在0.63～0.85μm的透過光區(qū)域可作為用于光隔離器的法拉第旋轉(zhuǎn)器使用也是大家熟知的。但是，該種元件在作為本發(fā)明的對(duì)象范圍的0.98μm、1.017μm、1.047μm、1.064μm各波段的附近波長處，其維爾德常數(shù)很少，因此，直接將其作為法拉第旋轉(zhuǎn)器就不能獲得足夠好的光學(xué)特性。這是因?yàn)?，通常?duì)于CdMnTe元件來說，它具有的特征是在靠近其截止波長處維爾德常數(shù)變大，而對(duì)該種元件來說其截止波長是0.6～0.7μm的緣故。在使用這種元件時(shí)，為了在上述各波段的附近獲得足夠大的維爾德常數(shù)，可以改變Mn的組成值來增大維爾德常數(shù)的絕對(duì)值，同時(shí)用Hg來置換Cd的一部分來使上述截止波長向0.9μm波段移動(dòng)。但是，在截止波長本身的領(lǐng)域內(nèi)，元件的插入損耗增大，因此不能作為法拉第旋轉(zhuǎn)器使用。從插入損耗方面考慮，為了在上述各波段附近使用CdMnHgTe元件，截止波長希望在0.94μm以下。這時(shí)，在波長0.98μm處的插入損耗為0.5dB以下(透過率在90％以上)，該數(shù)值是為了作為用于光隔離器的法拉第旋轉(zhuǎn)器使用所必需的小的數(shù)值。另外，對(duì)于最終的元件的光學(xué)特性來說，控制作為體元件的光學(xué)質(zhì)量的結(jié)晶性也會(huì)起到很大的影響。
另一方面，在CdMnHgTe單晶的制造方法中，按照本發(fā)明提出的制造方法也能期望獲得顯著的改善。即，把通過淬火法(高壓熔融冷卻法)制得的，具有與目標(biāo)組成相對(duì)應(yīng)組成的多晶原料棒在真空下封裝入安瓿瓶狀的坩堝中，用加熱裝置將該坩堝保持在低于目的組成結(jié)晶的相變點(diǎn)的溫度下，使該多晶原料再結(jié)晶生長，從而制造單晶。這時(shí)，為了防止結(jié)晶生長方面產(chǎn)生問題(向石英坩堝施加的壓力發(fā)生偏移、Hg的析出等)，必須經(jīng)常地將壓力、溫度及溫度梯度適當(dāng)?shù)乇３衷陬A(yù)定值，這樣就可以用同一裝置返復(fù)多次地制造具有穩(wěn)定組成的元件用結(jié)晶。按照以上的方法，就可以把按照以前的布里奇曼法生產(chǎn)時(shí)，對(duì)于光學(xué)質(zhì)量來說成為大問題的雙晶的產(chǎn)生的可能性從原理上降低為零，同時(shí)可把能夠造成結(jié)晶的光學(xué)特性發(fā)生很大變化的組成偏析控制在實(shí)用上不產(chǎn)生問題的的范圍內(nèi)，因此可以高的合格率制造具有良好光學(xué)特性的法拉第旋轉(zhuǎn)元件結(jié)晶，因此，使用該方法就使工業(yè)上的批量生產(chǎn)開始成為可能。
下面說明本發(fā)明的具體例。
這里，對(duì)于在制造相當(dāng)于圖1C點(diǎn)組成的Cd0.83Mn0.13Hg0.04Te的單晶的場(chǎng)合，下面對(duì)以前的布里奇曼法和本發(fā)明的制造方法二者進(jìn)行說明。
圖2示出用于實(shí)施以前的布里奇曼法的制造裝置的概略構(gòu)成。按照目標(biāo)比例稱量出金屬Cd、金屬M(fèi)n、金屬HgTe及金屬Te(摩爾數(shù)比，Cd∶Mn∶HgTe∶Te＝0.83∶0.13∶0.04∶0.96)作為起始原料，然后將此起始原料裝填入石英坩堝3中，在加壓容器8內(nèi)有氬氣9的存在下進(jìn)行真空密封，在高壓布里奇曼爐的電爐1中的熔融區(qū)域H處熔融(條件熔點(diǎn)約1050℃，壓力約20dtm)，制成熔體4，然后使石曲坩堝3按照3～7mm/h的速度下降并在其下部側(cè)進(jìn)行冷卻，從石英坩堝3的下端側(cè)開始按順序進(jìn)行結(jié)晶生長，從而形成單晶5。按照該方法獲得的結(jié)晶，首先在從熔點(diǎn)(1050℃)至相變點(diǎn)(950℃)之間成為纖鋅礦型結(jié)構(gòu)，然后在相變點(diǎn)以下的溫度變?yōu)殚W鋅礦型結(jié)構(gòu)。由于以上情況，如采用這種制造方法，則所獲的結(jié)晶產(chǎn)生雙晶，而且由于組成的變動(dòng)而在結(jié)晶生長方向上發(fā)生光學(xué)特性的變化。因此，要把獲得的結(jié)晶作為光學(xué)元件的材料使用時(shí)，只有在其特定面的方位，并且是特定區(qū)域內(nèi)的部分才可以使用，因此合格率很低。因此，這種結(jié)晶可以作為法拉第旋轉(zhuǎn)器利用的區(qū)域只是全體結(jié)晶的特定部分，而且質(zhì)量也不夠好。
圖3是按以前的布里奇曼法制造的半磁性半導(dǎo)體結(jié)晶的結(jié)構(gòu)的紅外偏光顯微照片。在圖3中，照片的里面?zhèn)仁墙Y(jié)晶生長的開始部分，結(jié)晶從此處向照片的表面?zhèn)壬L。從該照片的斜向一面可以明顯地觀察到線狀的結(jié)構(gòu)，這就是已產(chǎn)生的雙晶的晶體界面。晶體界面相互之間的間隔，也就是均一單晶區(qū)域的厚度，在此情況下約為30μm。
圖4示出用于實(shí)施本發(fā)明制造方法的制造裝置的概略構(gòu)成。在制造相當(dāng)于圖1C點(diǎn)組成的Cd0.83Mn0.13Hg0.04Te的單晶的場(chǎng)合，按照目標(biāo)比例并且使Te稍稍過剩地稱量高純度的金屬Cd、金屬M(fèi)n、金屬HgTe和金屬Te(Te過剩量為0.001(即0.1％)以上，0.1(即10％)以下，在本例中為0.01(即1.0％)過剩。摩爾數(shù)比，Cd∶Mn∶HgTe∶Te＝0.83∶0.13∶0.04∶1.01)作為起始原料。然后將起始原料裝填入石英坩堝3中，在加壓容器8內(nèi)，在氬氣9的存在下進(jìn)行真空密封，在電爐1的熔融區(qū)域H進(jìn)行熔融(條件熔點(diǎn)約1050℃，壓力約20atm)，變成熔體后，通過急冷制成多晶的燒結(jié)棒6。然后使用坩堝移動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝置把石英坩堝移動(dòng)到將加熱區(qū)域設(shè)定成適當(dāng)溫度梯度(按上下方向存在～10℃/cm的溫度梯度，而且是向下方移動(dòng)時(shí)溫度變低)的位置，將溫度保持在低于相變點(diǎn)的溫度(～880℃)，將壓力保持約15atm，以此進(jìn)行再結(jié)晶，進(jìn)行單晶5的生長。由于單晶5生長時(shí)時(shí)的溫度(約900℃)在相變點(diǎn)(約950℃)以下，因此單晶5從一開始就成為閃鋅礦型的結(jié)構(gòu)。因此在該情況下，由于在結(jié)晶冷卻過程不通過相變點(diǎn)，所以不會(huì)產(chǎn)生雙晶。另外，由于在熔點(diǎn)以下進(jìn)行結(jié)晶生長，因此結(jié)晶的組成偏析十分小，按照上述組成進(jìn)行的結(jié)晶，可以按90％以上的合格率獲得具有單晶化區(qū)域的生長晶體。
圖5是按本發(fā)明方法制造的半磁性半導(dǎo)體結(jié)晶結(jié)構(gòu)的紅外偏光顯微照片。在圖5中，照片的里面?zhèn)仁巧L的開始部分，結(jié)晶從此處向照片的表面?zhèn)壬L。與圖3所示的按以前的布里奇曼法制造的場(chǎng)合不同，完全看不到由于雙晶的產(chǎn)生而導(dǎo)致的縱向的線狀結(jié)構(gòu)，這表明它是光學(xué)質(zhì)量均一的產(chǎn)品。
參照?qǐng)D6，其中示出按上述本發(fā)明制造方法培養(yǎng)的結(jié)晶在長度方向上Hg的濃度分布a和按上述從前的布里奇曼法培養(yǎng)的結(jié)晶在長度方向上Hg的濃度分布b。另外，C表示結(jié)晶的目標(biāo)組成。另外，在該圖中，縱軸的Hg濃度對(duì)應(yīng)于由結(jié)晶的組成式Cd1-x-yMnxHgyTe(0＜X＜1，0＜Y＜1)中示出的Y的值。
使用以上說明的本發(fā)明的制造方法，制備在MnTe-HgTe-CdTe的擬三元體系相圖中各種不同組成的CdMnHgTe的單晶，測(cè)定其維爾德常數(shù)及插入損耗，研究作為法拉第旋轉(zhuǎn)器的適用組成范圍。圖7中示出，通過實(shí)際制造結(jié)晶后測(cè)定光學(xué)特性的組成位置及在該組成時(shí)的維爾德常數(shù)值。在圖中示出的測(cè)定位置合計(jì)30個(gè)點(diǎn)。
通常，在CdMnHgTe單晶的場(chǎng)合，從使用上的條件考慮，法拉第旋轉(zhuǎn)器的維爾德常數(shù)的值在使用波長處必須在0.03度/cm·Oe以上。這是因?yàn)椋绻褂么艌?chǎng)強(qiáng)度為3000 Oe的永久磁鐵，則為了使透過光的偏振面旋轉(zhuǎn)45°的法拉第旋轉(zhuǎn)器的全長應(yīng)為5mm，然而從工業(yè)上大量生產(chǎn)光隔離器、光磁場(chǎng)敏感元件來考慮，使用磁場(chǎng)強(qiáng)度超過3000 Oe的永久磁鐵并使CdMnHgTe單晶的全長超過5mm的設(shè)計(jì)是不現(xiàn)實(shí)的。因此在圖7中示出了維爾德常數(shù)的值在0.03度/cm·Oe以上的區(qū)域，在該圖中用虛線表示的通過連結(jié)a、b、c、d4點(diǎn)而構(gòu)成的四邊形的周邊及其內(nèi)部共同形成了該區(qū)域，該區(qū)域相當(dāng)于圖1中由a、b、c、d4點(diǎn)包圍而成的組成范圍。應(yīng)予指出，對(duì)于法拉第旋轉(zhuǎn)器的光學(xué)特性來說，很重要的一點(diǎn)是維爾德常數(shù)要大，同時(shí)插入損耗要小。已經(jīng)確認(rèn)，在圖中四邊形內(nèi)的點(diǎn)，每一點(diǎn)的截止波長皆在940nm以下，并且在作為隔離器使用的情況下的插入損耗皆在0.5dB以下。
下面示出使用由圖1中a、b、c、d4點(diǎn)包圍而成的組成范圍內(nèi)的CdMnHgTe單晶來制造0.98μm波段用光隔離器的例子。按照上述本發(fā)明的制造方法來制備相當(dāng)于圖1及圖7中C點(diǎn)組成的Cd0.83Mn0.13Hg0.04Te單晶，再將其制成法拉第旋轉(zhuǎn)器，通過將其插入一個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度為3000 Oe的Nd-Fe-B圓筒形永久磁鐵的內(nèi)部而制成具有外加磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的光隔離器。法拉第旋轉(zhuǎn)器的形狀為1.7mm×1.7mm×5mm，在光透過區(qū)域的兩個(gè)表面上涂敷0.98μm用的無反射涂層。另外，作為偏振元件，使用2片同樣地涂敷有無反射涂層的玻璃偏振元件。光隔離器的尺寸為Ф8mm×8Lmm的小型物。另外，其光學(xué)特性為，隔離度30dB，插入損耗0.5dB，其中的每一個(gè)數(shù)值都是在作為用于光纖放大器的、在0.98μm波段應(yīng)用的光隔離器使用時(shí)，能夠達(dá)到滿意地使用的數(shù)值。
與此相反，在使用按照以前的布里奇曼方法制造的結(jié)晶的情況下，即使利用最好的結(jié)晶部分，具有同樣結(jié)構(gòu)的用于0.98μm波段的光隔離器的特性為，隔離度25dB，插入損耗1.0dB，在實(shí)用上是非常不夠的。
如上所述，按照本發(fā)明，可以提供適合作為用于放大器的激勵(lì)光源等(0.98μm～1.064μm)的光隔離器中用的磁性光學(xué)元件的，其組成為由Cd1-X-YMnXHgYTe(0＜X＜1，0＜Y＜1)表示的半磁性半導(dǎo)體結(jié)晶所構(gòu)成的磁性光學(xué)元件。
另外，根據(jù)本發(fā)明可以獲得能夠?qū)⑸鲜霭氪判园雽?dǎo)體作為沒有雙晶的，組成偏析十分小的高質(zhì)量單晶，高效率地進(jìn)行制造的方法。
另外，根據(jù)本發(fā)明，通過將上述磁性光學(xué)元件作為法拉第旋轉(zhuǎn)體使用，可以獲得適用于放大器中用的激光光源(0.98μm波段、1.017μm波段、1.047μm波段及1.064μm波段)的小型、高性能的光隔離器。
另外，根據(jù)本發(fā)明，將上述磁性光學(xué)元件作為法拉第旋轉(zhuǎn)器使用，可以獲得使用波長為0.98μm波段、1.017μm波段、1.047μm波段及1.064μm波段的高性能光磁場(chǎng)敏感元件。
權(quán)利要求
1.一種由(Cd1-X-YMnXHgY)1Te1(0＜x＜1、0＜y＜1)表示的磁性光學(xué)元件，其特征是在MnTe-HgTe-CdTe的擬三元體系相圖中，具有包含在由Mn0.5Hg0.5Te、Mn0.6Hg0.4Te、Cd0.83Mn0.13Hg0.04Te、Cd0.83Mn0.05Hg0.12Te4點(diǎn)所包圍的范圍內(nèi)的組成，而且具有300μm以上的厚度，并且是由實(shí)際上不含雙晶及組成偏析的單晶組成。
2.權(quán)利要求1所述的一種磁性光學(xué)元件，其特征還包括，實(shí)質(zhì)上在0.98μm波段的波長范圍內(nèi)使用。
3.權(quán)利要求1所述的一種磁性光學(xué)元件，其特征還包括，實(shí)質(zhì)上在1.017μm波段的波長范圍內(nèi)使用。
4.權(quán)利要求1所述的一種磁性光學(xué)元件，其特征還包括，實(shí)質(zhì)上在1.047μm波段的波長范圍內(nèi)使用。
5.權(quán)利要求1所述的一種磁性光學(xué)元件，其特征還包括，實(shí)質(zhì)上在1.064μm波段的波長范圍內(nèi)使用。
6.一種光隔離器，其特征在于，它是將權(quán)利要求1所述磁性光學(xué)元件作為法拉第旋轉(zhuǎn)器制備而形成的。
7.一種光磁場(chǎng)敏感元件，其特征在于，它是將權(quán)利要求1所述的磁性光學(xué)元件作為法拉第旋轉(zhuǎn)器制備而形成的。
8.一種由(Cd1-X-YMnXHgY)1Te1(0＜x＜1、0＜y＜1)表示的磁性光學(xué)元件的制造方法，該磁性光學(xué)元件在MnTe-HgTe-CdTe的擬三元體系相圖中具有包含在由Mn0.5Hg0.5Te、Mn0.6Hg0.4Te、Cd0.83Mn0.13Hg0.04Te、Cd0.83Mn0.05Hg0.12Te4點(diǎn)所包圍的范圍內(nèi)的組成，而且具有300μm以上的厚度，并且是由實(shí)際上不含雙晶及組成偏析的單晶組成，該制造方法的特征在于包含原料準(zhǔn)備工序、原料熔融工序、制成多晶體的工序和再結(jié)晶生長的工序，其中原料準(zhǔn)備工序是以金屬Cd、金屬M(fèi)n、金屬Te和金屬HgTe組成的原料或者以金屬Cd、金屬M(fèi)n、金屬Te和金屬Hg組成的原料作為起始原料，其中，Te以外的元素的比例直接按規(guī)定的比例，而Te則以0.001以上至0.1以下過剩的比例進(jìn)行配合；原料熔融工序是將上述的起始原料置于維持相應(yīng)于Hg的蒸氣壓的壓力，以及維持能夠?qū)⑸鲜銎鹗荚先廴诘臏囟鹊臍夥罩校瑢⑸鲜龅脑先刍扇廴诘脑?；制成多晶體的工序是將上述熔融的原料通過快速冷卻進(jìn)行凝固而制成多晶體；再結(jié)晶生長工序是將上述的多晶體置于維持相應(yīng)于Hg的蒸氣壓的壓力以及維持在比上述多晶體的相變溫度要低的溫度的氣氛中，通過固相反應(yīng)使上述的多晶體再結(jié)晶生長。
全文摘要
本發(fā)明的以(Cd
文檔編號(hào)G01R33/032GK1119880SQ94191539
公開日1996年4月3日 申請(qǐng)日期1994年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月22日
發(fā)明者小野寺晃一 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東金