JPH04279069A - 薄膜強誘電体部材 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光スイッチ、光変調器
、高集積メモリー、赤外センサー、超音波センサー、マ
イクロアクチュエーター、エレクトロルミネッセンス素
子等に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＰｂＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３のＰｂ及び
Ｔｉの一部をそれぞれＬａ、Ｚｒで置換した（Ｐｂ、Ｌ
ａ）ＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３、（Ｐｂ、Ｌａ
）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３等のＰｂを含むペロブスカイト構
造酸化物誘電体材料は、次のような優れた特性がある。 （１）　組成比により強誘電性のほか常誘電性や反強誘
電性の材料にもなる。 （２）　誘電率が大きい。 （３）　圧電特性や焦電特性が優れている。 （４）　誘電特性に対応して高い一次および二次の電気
光学効果、メモリ効果を持つ。これらの特性のほかに、
透光性も良好である。 この材料を薄膜化した種々のデバイスが提案されている
。電気光学効果を利用した導波路型光スイッチ、光変調
器、圧電性を利用した超音波センサ、焦電性を利用した
赤外線センサ、強誘電性を利用した不揮発性メモリが報
告されている。さらに、この材料が高い誘電率を有する
ことを利用して、エレクトロルミネッセンス素子の絶縁
膜として用い、素子の駆動電圧を低くすることや、ダイ
ナミックＲＡＭのキャパシタ絶縁膜として用い、セルの
小面積化を計ることが試みられている。このペロブスカ
イト構造誘電体材料を単結晶基板上に成長させることに
より、膜が単結晶化又は高配向化して結晶性が向上する
。この誘電体材料の前記各特性は、結晶学的異方性があ
り、膜の結晶性を高めるほど前記各特性の異方性がより
顕著に出現し、面方位を選択すれば、より大きな特性を
引き出すことができる。また、結晶性を高めると結晶粒
界による光の散乱が少なくなり、透光性も向上する。 このようなねらいで各種単結晶上で、この高誘電体材料
を結晶性よく成膜することが行われている。しかし、Ｓ
ｉやＧｅ単結晶基板上に直接この誘電体膜を結晶性よく
成長させた例はない。この理由としてこの酸化物誘電体
膜の成長過程中に、膜に構成元素となる酸素がＳｉ、Ｇ
ｅ表面を酸化させ、表面に非晶質のＳｉＯ２、ＧｅＯ２
層ができるため、誘電体膜成長時、Ｓｉ、Ｇｅ単結晶基
板からの影響が遮断されるためであると考えられる。

【０００３】そこで、Ｓｉ、Ｇｅ単結晶基板の上に、エ
ピタキシャル成長する中間層を設ける必要がある。中間
層を用いた例は、Ｓｉ基板上でＭｇＡｌ２Ｏ４層を用い
た例と（特開昭６２−３９８２５、特開昭６３−５５１
９８）とＳｉ基板上でＳｒＦ２、ＣａＦ２層を用いた例
がある。しかしＭｇＡｌ２Ｏ４中間層の成長温度が　９
５０℃と高温であること、ＨＣｌガスを主な反応ガスと
して使用することなどプロセス条件が過酷なことにより
、デバイス製造プロセス上制限が多い。ＣａＦ２、Ｓｒ
Ｆ２の場合は、これらの強誘電体との格子整合を考える
と単結晶基板はＳｉ、Ｇｅとも（１００）方位面が好ま
しい。しかしながらＣａＦ２はＳｉ（１００）方位には
エピタキシャル成長しない。ＳｒＦ２はＳｉ（１００）
方位に成長するもののＳｉに比べ格子定数差が大きく、
この歪みが強誘電体作製上好ましくない。このような点
より従来の成長手法においてはデバイスに応用できる良
好な単結晶強誘電体膜は得られなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上述
の問題を解決して、安価でデバイス製造上熟成した半導
体集積回路技術を用いることができるＳｉ、Ｇｅ単結晶
基板上に高結晶性の誘電体膜を形成することを可能にす
ることによりＳｉ、Ｇｅ又はＳｉ１−ＸＧｅＸＩＣとの
複合化が可能な高性能誘電体薄膜デバイスを提供するこ
とである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の構成は、特許請求の範囲に記載のとおりの薄
膜強誘電体部材である。本薄膜強誘電体部材についての
詳細を以下に説明する。本強誘電体部材用基板としては
Ｓｉ原子あるいはＧｅ原子のうち少なくとも１種を有す
る材料すなわちＳｉ、ＳｉＧｅ、Ｇｅ等が好ましい。こ
の材料に直接Ｐｂ系の酸化物を単結晶成長を試みた場合
、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、Ｇｅ等が非常に酸化しやすく、この
層間に結晶系が立方晶でこれらの基板材と格子定数が近
く基板表面がアモルファス化しにくい中間層を設ける必
要がある。中間層の格子定数と単結晶基板の格子定数と
の差が単結晶基板の格子定数の１５％より大きいと、中
間層が多結晶体となり、その上に堆積させる、Ｐｂ系の
酸化物層をエピタキシャル成長させることができない。

【０００６】この中間層としてはＺｎ原子を含む材料で
、例えばＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ｚｎ（Ｓ、Ｓｅ）、ＺｎＭ
ｎＳｅ、Ｇａ原子を含む材料ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓその
他の材料としてＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＣａＳ、Ｃ
ａＳｅ、ＳｒＳ等があげられる。また基板材上に他のデ
バイスを作製する場合、この中間層が絶縁物の必要があ
る時は中間層としてＦ原子を含むものが好ましい。例え
ばＣａＦ２、ＳｒＦ２、ＢａＦ２、（Ｃａ、Ｓｒ）Ｆ２
、（Ｃａ、Ｂａ）Ｆ２、（ＳｒＢａ）Ｆ２等である。し
かしながらこれらの層はＳｉ、Ｇｅ（１００）上に配向
しにくいため多層構成にする必要がある。多層構成にす
る場合は、基板材とのマッチングを考慮し、格子定数、
配向性のしやすさ、熱膨脹係数等の機能分離が可能にな
る。これらの中間層の膜厚は、単層の場合は１０Å〜２
０００Å、好ましくは３０Å〜１０００Åがよい。多層
構成の場合、量子効果を利用する場合は、１０Å〜２０
０Å、好ましくは２０Å〜１００Åがよい。また機能分
離層として使用する場合は、１層につき１０Å〜２００
０Å、好ましくは２０Å〜１０００Åがよい。この中間
層の作製方法はＭＢＥ法、ＡＬＥ法、ＥＢ蒸着法、ＭＯ
ＣＶＤ法、スパッタリング法、熱ＣＶＤ法、プラズマＣ
ＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法等があげられる。

【０００７】次に本構成の主要機能を満足させるＰｂ原
子を含む酸化物を推積する。この酸化物としてはＰｂＴ
ｉＯ３、（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｎ、Ｔｉ）
Ｏ３、（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｎ、Ｔｉ）Ｏ３があげられこ
れらの層は使用目的に応じ単層あるいは多層構造で作製
される。この層の膜厚は単層の場合は０．１μｍ〜２０
μｍがよく、好ましくは０．２μｍ〜１５μｍがよい。 これらの層を多層形成する場合は、量子効果を利用する
場合、１０Å〜２００Åがよく、好ましくは２０Å〜１
００Åがよい。この層を１００層〜５０００層形成する
と量子効果デバイスとして応用が可能である。またこれ
らの層を圧電性、強誘電性等の利用より機能分離し、多
層化する事も可能である。この場合、１層の膜厚は１０
０Å〜２μｍがよい。これらの層の作製方法は、ＭＢＥ
法、ＡＬＥ法、ＥＢ蒸着法、ＭＯ−ＣＶＤ法、スパッタ
リング法、熱ＣＶＤ法、レーザー蒸着法、プラズマＣＶ
Ｄ法等があげられる。図１は本発明の基本構成を示した
もので、単結晶基板１の上に順次、中間層２および強誘
電体膜３を有するものである。これまでの例ではＳｉ、
ＳｉＧｅ、Ｇｅ基板上に中間層を設け、その上部にＰｂ
を含む酸化物層を設ける事を説明したが、中間層とＰｂ
を含む酸化物層の間にこれらの層の接合性を向上する目
的又は酸化物強誘電体膜の機能をより高める目的で単結
晶酸化物からなる酸化物バッファ層を設ける。これらの
酸化物バッファ層は材料名で限定するものではなく、結
晶単位格子の少なくとも１つの結晶面内で構成金属元素
のうち、少なくとも１種の元素の４個の原子の配置が、
１辺の長さが５．１〜６．１Åの範囲の四角形をなす（
整合条件Ａ）か、３．５〜４．８Åの範囲の四角形をな
し（整合条件Ｂ）、かつ少なくとも１つの結晶面内で４
個の酸素原子の配置が１辺の長さが３．５〜４．８Åの
範囲の四角形をなす（整合条件Ｃ）、１辺の長さが２．
５〜３．４Åの範囲の四角形をなす（整合条件Ｄ）酸化
物である。整合条件ＡとＢは下地立方晶の中間層の上に
酸化物バッファ層がエピタキシャル成長するための条件
であり、整合条件ＣとＤは酸化物バッファ層上にＰｂを
含む酸化物強誘電体層がエピタキシャル成長するための
条件である。つまり酸化物バッファ層はＡＣ、ＡＤ、Ｂ
Ｃ、ＢＤの組合せのいずれかを満たす結晶構造をもつ材
料からなる。例としてＣ−ＺｒＯ２、ＴｈＯ２（整合条
件ＡＢＤ）、γ−Ａｌ２Ｏ３、ＳｒＯ（整合条件ＡＢＣ
）、ＭｇＯ（整合条件ＢＣＤ）、ＭｇＡｌ２Ｏ４（整合
条件ＡＤ）、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３（整合条件Ｂ
Ｄ）等が挙げられる。

【０００８】Ｓｉ及びＧｅを含む単結晶基板上にこれら
の中間層を作製する際、発明が解決すべき課題の欄に記
載したように酸化物形成を行うと、Ｓｉ及びＧｅ表面に
ＳｉＯ２、ＧｅＯ２が形成されてしまう。そのため、Ｚ
ｎＳ、ＺｎＳｅ、Ｚｎ（Ｓ、Ｓｅ）、ＺｎＭｎＳｅ、Ｇ
ａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ等を形
成する必要がある。Ｓｉ及びＧｅ基板は大気中に放置し
た場合、表面に酸化物が形成されるため、これらの中間
層の形成の際これらの酸化物を除去する必要がある。こ
れらの酸化物の除去法は大別して４種類ほどある。まず
、１０００℃以上の熱によってＳｉＯ２を蒸発させる方
法、エッチングガス、例えばＨＣｌ、Ｈ２等を用いて１
０００℃程度の加熱によりエッチングしてしまう方法、
表面の酸化物を湿式エッチング等により除去した後、表
面をＦ、Ｈ、Ｓ等の元素によりパッシベーションして真
空中において７００℃程度に加熱し除去する方法、真空
中でシリコンを蒸着し、ＳｉＯ層を表面に形成後、７０
０℃程度でＳｉＯを蒸発してしまう方法等が考えられる
。これらの方法の中で好ましいのは７００℃程度に加熱
する方法である。高温に加熱した場合、ＳｉあるいはＧ
ｅ基板が変型したり、前もってデバイスを作製してある
場合、これらのデバイスが破壊してしまうことが予測さ
れる。これらの酸化物除去法を行った後、中間層を形成
する必要がある。

【０００９】

【実施例】以下、実施例によって、本発明を具体的に説
明する。 実施例１ Ｓｉ基板を湿式エッチング法（ＲＣＡ洗浄法）により酸
化物を除去し、９９．９９％のＨＦに浸漬し表面をＨ原
子及びＦ原子でパッシベーションする。この基板を数枚
準備し、格子定数の異なる中間層を真空蒸着法により１
０００Å形成した。真空蒸着装置の圧力は１０−９Ｔｏ
ｒｒとし、中間層を形成した。中間層としては下記表１
に示す材料を用いた。Ｓｉ基板の格子定数は５．４３Å
であり使用した中間層はＢＮ、ＧａＡｓ、ＺｎＳｅ、Ｚ
ｎＳ、ＩｎＳｂを用いた。これら各種中間層形成後、ス
パッタリング法によりＰｂＴｉＯ３薄膜を１μｍ形成し
た。この薄膜形成後のエピタキシャル成長の可否と表面
性を表１に示す。格子定数差は次式により定義した。

【数１】 表面性の定義は、×：Ｒｍａｘ＞５μｍ、○：０．５μ
ｍ＜Ｒｍａｘ＜５μｍ、 ◎：０．５μｍ＞Ｒｍａｘ とした。表１よりわかるように、Ｓｉの格子定数と中間
層の格子定数差が１９％以上においてはＰｂ系酸化物は
エピ成長せず、表面性も悪い。

【００１０】実施例２ 中間層上にＰｂ系酸化物を直接形成する場合、膜の接合
力が不足する場合があり、この場合Ｐｂ系酸化物と中間
層の間に前記酸化物バッファ層を形成するとよい。実施
例２においてはこの酸化物の形成と効果について示す。 単結晶Ｇｅ（１００）基板上にＺｎＳ（１００）を中間
層として形成し、この上部にＭＢＥ法によってγ−Ａｌ
２Ｏ３層を１００Å形成する。このγ−Ａｌ２Ｏ３層上
にＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３薄膜を１μｍスパッタリング法
により形成した。γ−Ａｌ２Ｏ３層の形成により膜の密
着性がＧｅ基板上にＺｎＳを直接成長するものに比べ２
０％程度向上した。

【表１】

【００１１】前記したＰｂ系単結晶薄膜は強誘電部材と
して使用するに十分な結晶性あるいは表面性を有する。 この部材を利用したデバイス応用について以下に記載す
る。この部材を利用した光デバイスは、光スイッチ、光
変調器、エレクトロルミネセンス素子等があげられる。 さらに光集積メモリ用のコンデンサ、赤外センサ、超音
波センサ、マイクロアクチュエータ非線形光学素子が挙
げられる。Ｐｂ素単結晶薄膜はＳ、Ｇｅ原子の少なくと
も一方を有する単結晶基板上に形成されており、この単
結晶基板を用いたトランジスタの駆動回路により、上記
強誘電体を応用したデバイスを直接駆動することもでき
る。さらにＳｉ、Ｇｅ原子の少なくとも一方を含む基板
上にセンサーや発光素子を形成し、上記強誘電体を応用
したデバイスと組合わせ、Ｏ−Ｏ、Ｏ−Ｅ、Ｅ−Ｏデバ
イスを作製できることはいうまでもない。

【００１２】光スイッチ素子とエレクトロネッセンス（
ＥＬ）素子を例にあげて応用実施例の構成を説明する。 まず、導波路スイッチの１種であるＴＩＲ（Ｔｏｔａｌ
　Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）型スイッ
チで説明する。Ｓｉ原子又はＧｅ原子の少なくとも一方
を含有する単結晶基板上に結晶系が立方晶系で格子定数
が５．２〜５．９Åである材料であるＺｎＳ、ＺｎＳｅ
、Ｚｎ（Ｓ、Ｓｅ）、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＳｒＳ、Ｇａ
Ｐ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＳｒＦ２、Ｃａ
Ｆ２等のうちいずれか１層又は複数層の中間層を１０〜
３０００００Åの膜厚でエピタキシャル成長させる。成
膜手法はＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅｚｍ　Ｅｐ
ｉｔａｘｙ）法、ＡＬＥ法（Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ
　Ｅｐｉｔａｘｙ）法、エレクトロンビーム蒸着法、Ｍ
ＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｍｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃ
ａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、スパッ
タリング法、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等により行
う。次に、ＰｂＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３のＰｂ原子及び
Ｔｉ原子の一部をそれぞれＬａ、Ｚｒで置換した（Ｐｂ
、Ｌａ）ＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚ、Ｔｉ）Ｏ３、（Ｐｂ、Ｌ
ａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３等のＰｂ原子を含むペロブスカ
イト構造酸化物誘電体材料からなる誘電体膜を１層又は
複数層を膜厚１００〜３０００００Åの範囲で結晶性よ
く成長させる。この誘電体膜の成膜方法は、ＭＢＥ法、
ＡＬＥ法、エレクトロンビーム蒸着法、ＭＯＣＶＤ法、
スパッタリング法、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等に
よる。次に電極層としてＡｌ、Ａｕ、Ｐｔ、ＩＴＯ、Ｉ
ｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＺｎＯ等をＭＯＣＶＤ法、スパッ
タリング法、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、エレクト
ロンビーム蒸着法等を用いて形成する。なお、前記酸化
物バッファ層として、中間層と誘電体膜の間にＳｉ／Ｇ
ｅ単結晶基板又は中間層での光の吸収による光損失を防
止する目的で、屈折率がＰｂ系強誘電体膜より小さいＺ
ｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２
、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＬｉＮｂＯ３
、ＬｉＴａＯ３、ＭｇＡｌ２Ｏ４などのエピタキシャル
膜を１００〜３０００００Åの膜厚で、ＭＢＥ法、ＡＬ
Ｅ法、エレクトロンビーム蒸着法、ＭＯＣＶＤ法、スパ
ッタリング法、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法で設ける
場合もある。同様の目的で上部バッファ層として、誘電
体膜と電極膜の間にＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｙ２Ｏ３、
Ｌａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＭｇＯ、ＳｒＴｉ
Ｏ３、ＢａＴｉＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｍ
ｇＡｌ２Ｏ４、ＣａＦ２、ＳｒＦ２、ＢａＦ２、ＺｎＳ
等の非晶質又は多結晶又はエピタキシャル成長膜を膜厚
　１００〜３０００００Åで設ける場合もある。

【００１３】これを二重絶縁構造エレクトロルミネッセ
ンス（ＥＬ）素子を例にあげて説明する。Ｓｉ／Ｇｅ単
結晶基板上にＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ｚｎ（Ｓ、Ｓｅ）、Ｃ
ａＳ、ＣａＳｅ、ＳｒＳ、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、Ｇａ
Ａｓ、ＩｎＰの材料で１層又は複数層からなる中間層を
厚さ１０〜３０００００Åの範囲でエピタキシャル成長
させる。 エピタキシャル成長の手段としてはＭＢＥ法、ＡＬＥ法
、エレクトロンビーム蒸着法、ＭＯＣＶＤ法、スパッタ
リング法、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等の方法を単
独もしくは併用して用いる。次に、この中間層上に前記
誘電体膜を１層又は複数層　１００〜３０００００Åの
範囲で結晶性よく成長させる。この誘電体膜の成膜方法
はＭＢＥ法、ＡＬＥ法、エレクトロンビーム蒸着法、ス
パッタリング法、ＭＯＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、プラズマ
ＣＶＤ法等による。上記誘電体層の上に、高結晶性発光
層を成長させる。この発光層はＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ｚｎ
（Ｓ、Ｓｅ）等を母材とし、発光中心としてＭｎを添加
したＺｎＳ：Ｍｎ系材料、もしくは上記母材にＣｕを添
加したＺｎＳ：Ｃｕ系材料、もしくは上記母材に希土類
フッ化物（ＴｂＦ３、ＥｒＦ３、ＮｄＦ３、ＳｍＦ３等
）を添加した材料系等が用いられる。また、ＳｒＳを母
材とし、発光中心にＣｅ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｅｒ、Ｍｎ等を
添加した材料やＣａＳを母材とし発光中心にＥｒ等を添
加した材料も発光層として用いられる。この発光層は単
層と限らず多層構成もとりうる。さらに、上記発光層の
上に上部絶縁層として、上記誘電体材料、ＳｉＯ２、Ｓ
ｉＯＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｓ
ｒＴｉＯ３、Ｙ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＭｇＡｌ２Ｏ４、
ＣａＦ２、ＳｒＦ２、ＢａＦ２等の非晶質又は多結晶又
はエピタキシャル成長膜を膜厚１００〜３０００００Å
で設ける。膜作成方法としては、ＭＢＥ法、ＡＬＥ法、
スパッタリング法、エレクトロンビーム蒸着法、ＭＯＣ
ＶＤ法、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等による。

【００１４】実施例３ 図２に示すように、Ｓｉ単結晶基板１上にＺｎＳを中間
層２としてＴＩＲ型光スイッチを作製した。Ｓｉ単結晶
（１００）基板１上にＺｎＳ中間層２をＭＢＥ法により
基板温度　５００℃で厚さ１５００Å形成した。中間層
２はジンクブレンド構造で面方位が（１００）の良好な
配向性を示した。 次に、（Ｐｂ０．８４Ｌａ０．１６）（Ｚｒ０．５Ｔｉ
０．５）０．９６Ｏ３組成の誘電体層をＭＯＣＶＤ法で
基板温度　６００℃で厚さ４０００Å形成した。誘電体
層はペロブスカイト構造で面方位（１００）の良好な配
合性を示した。これをイオンビームエッチング加工して
幅２０μｍ、膜厚差交差角２°、厚さ６００Åのリッジ
型導波路を形成した。さらに交差部には導波光損欠を防
ぐためバッファ層７としてＴａ２Ｏ５薄膜を反応性スパ
ッタリング法で、厚さ２０００Å形成した。その上に駆
動用のＡｌプレーナー電極６をスパッタリング法により
、長さ１．７ｍｍ、幅５μｍの電極ギャップをもたせ、
厚さ　　２０００Åで形成した。スイッチング動作実験
は、波長０．６３３μｍのＨｅ−Ｎｅレーザー光をＧａ
Ｐプリズムを用い導波路へ入れた。駆動電圧１５Ｖでス
イッチング動作が可能で、消光比は１ｌｄＢであった。

【００１５】比較例１ 比較として実施例１の構成からＺｎＳ中間層を省いた構
成の素子の場合、Ｓｉ単結晶上に直接成膜したＰＬＺＴ
誘電体膜はペロブスカイト構造で面方位が（１１０）（
１０１）（１００）（００１）が混在した多結晶体で、
駆動電圧２５Ｖと高電圧印加しないとスイッチング動作
が可能とならず、消光比は７ｄＢと不充分なものであっ
た。

【００１６】実施例４ 図３に示すように、Ｓｉ単結晶（１００）基板１上にＧ
ａＡｓ中間層２をＭＢＥ法において基板温度５００℃で
膜厚３００Å形成する。膜はシンクブレンド構造で（１
００）の面方位をもつ。次に、ＰｂＴｉＯ３誘電体層３
をスパッタリング法で基板温度５３０℃で膜厚３０００
Å形成した。誘電体層３はペロブスカイト構造で面方位
は（００１）のである。次にＭＯＣＶＤ法により、Ｚｎ
Ｓ：Ｍｎ（Ｍｎ０．５ａｔ％）発光層４を基板温度４５
０℃で膜厚３０００Å形成する。発光層４はジンクブレ
ンド構造で面方位は（１００）である。さらにＳｉ３Ｎ
４上部絶縁層５をプラズマＣＶＤ法により基板温度　２
５０℃で膜厚３０００Å形成した。この上部絶縁層５は
非晶質膜である。最後にＩＴＯ透明導電膜６をスパッタ
リング法で基板温度２５０℃で膜厚２０００Å形成した
。上記方法で作製したＥＬ素子で透明電極であるＩＴＯ
とＳｉ単結晶基板との間に３ＫＨｚの周波数の交流電圧
を印加して発光の様子をＩＴＯ側から観察した。このＥ
Ｌ素子の発光開始電圧は１３０Ｖであり、１５０Ｖ印加
条件で５０００ｃｄ／ｍ２の発光輝度が得られている。

【００１７】比較のため、図４に示すように実施例２の
素子作製プロセスからＧａＡｓ中間層を省いた構成の素
子を作った。Ｓｉ単結晶上１に直接成膜したＰｂＴｉＯ
３膜３は（１１０）（１０１）（１００）（００１）配
向を示し、多結晶体であった。次のＺｎＳ：Ｍｎ発光層
４もジンクブレンド構造で（２２０）と（３３１）配向
を持つ多結晶体であった。実施例３と同一条件での発光
実験では、この比較例の発光開始電圧は１５０Ｖであり
、ブレークダウン電圧である３００Ｖ付近でも３５００
ｃｄ／ｍ２であった。実施例４と比較例１の結果を比較
すると、実施例４のほうが最大発揮度が大きく、発光開
始電圧も小さい。発光輝度が大きい第１の理由として、
実施例４の発光層の結晶性が比較例１より良好であるた
めと考えられる。そして本発明の中間層の効果により、
結晶性のよいＰｂＴｉＯ３膜が得られたので、結晶性の
よいＺｎＳ：Ｍ発光層が成長したためと考えられる。発
光開始電圧が小さい第１の理由として実施例４の場合Ｐ
ｂＴｉＯ３膜が高い誘電率が得られる（００１）面配向
しているため、駆動電圧が効率的に発光層に印加したた
めと考えられる。

【００１８】

【発明の効果】以上、説明したように、単結晶基板上に
、中間層を介することにより、結晶性よく前記誘電体膜
を成長させているので、この誘電体膜の特性を最大限に
利用した素子を作製できる。さらにこの誘電体上に他材
料の膜を積層した場合も、結晶性よく積層でき、多層の
高性能素子を作製できる。さらに、上記素子は、安価で
高品質で集積回路プロセス技術が高度に進展しているＳ
ｉ、Ｇｅ又はＳｉ１−ＸＧｅ単結晶を基板に用いること
により、前記誘電体膜を用いた薄膜機能デバイスと、前
記単結晶基板を用いた電子デバイスや光検知素子との複
合化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の強誘電体部材の基本構成を示す説
明図、

【図２】　　実施例３の光スイッチの構成を示す説明図
、

【図３】　　実施例４のＥＬ素子の構成を示す説明図
、

【図４】　　比較例１のＥＬ素子の構成を示す説明図
である。

【符号の説明】

１　　単結晶基板 ２　　中間層 ３　　強誘電体膜 ４　　発光層 ５　　上部絶縁層 ６　　透明電極層 ７　　バッファ層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　Ｓｉ原子あるいはＧｅ原子のうち少な
   くとも一種を有する単結晶基板上に、Ｐｂ原子を含む酸
   化物強誘電体層を有する薄膜強誘電体部材において、基
   板と酸化物強誘電体層との間に、結晶系が立方晶で格子
   定数のずれが単結晶基板の格子定数の１５％以下である
   中間層を一層以上有することを特徴とする薄膜強誘電体
   部材。
2. 【請求項２】　　中間層とＰｂ原子を含む酸化物強誘電
   体層との間に酸化物バッファ層を有することを特徴とす
   る請求項１記載の薄膜強誘電体部材。