JPH0572428A - 光導波路 - Google Patents
光導波路Info
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- JPH0572428A JPH0572428A JP26125991A JP26125991A JPH0572428A JP H0572428 A JPH0572428 A JP H0572428A JP 26125991 A JP26125991 A JP 26125991A JP 26125991 A JP26125991 A JP 26125991A JP H0572428 A JPH0572428 A JP H0572428A
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- epitaxial
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 半導体単結晶基板上に、結晶性の良い光導
波路を形成し、光導波路と電子回路との一体化を可能と
する。 【構成】 半導体単結晶基板１上にエピタキシャルの
絶縁体膜２を形成し、絶縁体膜２上に、絶縁体より屈折
率の高いエピタキシャル誘電体膜３を形成する。 【効果】 半導体単結晶基板上に、結晶性の良い光導
波路を用意に作製することができ、さらに光導波路と電
子回路とを一体化した集積回路を小型デバイスとして実
現できる。
波路を形成し、光導波路と電子回路との一体化を可能と
する。 【構成】 半導体単結晶基板１上にエピタキシャルの
絶縁体膜２を形成し、絶縁体膜２上に、絶縁体より屈折
率の高いエピタキシャル誘電体膜３を形成する。 【効果】 半導体単結晶基板上に、結晶性の良い光導
波路を用意に作製することができ、さらに光導波路と電
子回路とを一体化した集積回路を小型デバイスとして実
現できる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信や光情報機器な
どの分野で用いられる光導波路に関するものである。
どの分野で用いられる光導波路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ＬiＮbＯ3 、ＬiＴaＯ3などのイルメナ
イト構造の誘電体材料は、大きな電気光学定数を持つた
め、光導波路として最も有望な材料の１つである。以降
簡単のため、ＬiＮbＯ3 を例にとり説明する。ＬiＮbＯ
3 の光導波路の形成方法としては、高周波スパッタリン
グ法などの気相法により作製する方法がある。すなわ
ち、第３図のように、ターゲット電極２７上のＬiＮbＯ
3 のターゲット１２と、基板ホルダー２８上のＬiＮbＯ
3 などの基板２２との間に、コンデンサー２９を介し
て、５０〜１００Ｗの高周波電力２３をかけ、その間に
アルゴン等の不活性ガスや、酸素ガス等のガス２４を導
入してプラズマ化する。プラズマにより生じたアルゴン
イオン３０は高周波電力２３より、ＬiＮbＯ3 のターゲ
ット１２方向へ加速され、ターゲット１２に照射されて
スパッタリングを引き起こす。その結果としてＬiＮbＯ
3 のスパッタ粒子２５が生じる。このスパッタ粒子２５
をＬiＴaＯ3 単結晶基板２２上に付着させて、エピタキ
シャルのＬiＮbＯ3 膜３を作製する。
イト構造の誘電体材料は、大きな電気光学定数を持つた
め、光導波路として最も有望な材料の１つである。以降
簡単のため、ＬiＮbＯ3 を例にとり説明する。ＬiＮbＯ
3 の光導波路の形成方法としては、高周波スパッタリン
グ法などの気相法により作製する方法がある。すなわ
ち、第３図のように、ターゲット電極２７上のＬiＮbＯ
3 のターゲット１２と、基板ホルダー２８上のＬiＮbＯ
3 などの基板２２との間に、コンデンサー２９を介し
て、５０〜１００Ｗの高周波電力２３をかけ、その間に
アルゴン等の不活性ガスや、酸素ガス等のガス２４を導
入してプラズマ化する。プラズマにより生じたアルゴン
イオン３０は高周波電力２３より、ＬiＮbＯ3 のターゲ
ット１２方向へ加速され、ターゲット１２に照射されて
スパッタリングを引き起こす。その結果としてＬiＮbＯ
3 のスパッタ粒子２５が生じる。このスパッタ粒子２５
をＬiＴaＯ3 単結晶基板２２上に付着させて、エピタキ
シャルのＬiＮbＯ3 膜３を作製する。
【０００３】このとき、基板の温度は５００〜６００
℃、成膜速度は１００〜５００Ａ／ｈｒ．である。この
方法により誘電体光導波路を作製するものとして、現在
報告がなされているものには、上記したようにＬiＴaＯ
3の基板上にＬiＮbＯ3 の光導波路を作製するものがあ
り（文献、Ｊａｐａｎ Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｓｕ
ｐｐｌ．２(シ゛ャーナル オフ゛ アフ゜ライト゛ フィシ゛ックス)，ＰＴ．１
Ｐ７４９，１９７４）、他に、シリコン基板上に、Ｌi
ＮbＯ3 のエピタキシャル膜を作製した報告（Ｊ．Ａｐ
ｐｌ．Ｐｈｙｓ．６８（６） Ｐ２９８９，１９９０）
がなされている。
℃、成膜速度は１００〜５００Ａ／ｈｒ．である。この
方法により誘電体光導波路を作製するものとして、現在
報告がなされているものには、上記したようにＬiＴaＯ
3の基板上にＬiＮbＯ3 の光導波路を作製するものがあ
り（文献、Ｊａｐａｎ Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｓｕ
ｐｐｌ．２(シ゛ャーナル オフ゛ アフ゜ライト゛ フィシ゛ックス)，ＰＴ．１
Ｐ７４９，１９７４）、他に、シリコン基板上に、Ｌi
ＮbＯ3 のエピタキシャル膜を作製した報告（Ｊ．Ａｐ
ｐｌ．Ｐｈｙｓ．６８（６） Ｐ２９８９，１９９０）
がなされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このような高周波スパ
ッタリング法によって形成される、ＬiＮbＯ3 の光導波
路の問題点を、前記報告に基づいて、はじめにＬiＴaＯ
3 を基板とした場合、つぎにシリコンを基板とした場合
について説明する。まず、ＬiＴaＯ3 を基板とした場合
であるが、光導波路をデバイス化し、駆動するとき、当
然電子回路が必要不可欠となる。電子回路は、通常シリ
コン等の半導体で作製されるが、ＬiＴaＯ3 の基板上の
ＬiＮbＯ3 の光導波路では、ＬiＴaＯ3 の基板が絶縁体
であるため、電子回路をモノシリックに集積することが
できない。そのため、この駆動用の電子回路を光導波路
とは別に実装しなければならず、デバイスの小形化がで
きないといった問題がある。また、ＬiＴaＯ3 基板はシ
リコンに比べて高価であるため導波路デバイスの低価格
化が難しいという問題もある。
ッタリング法によって形成される、ＬiＮbＯ3 の光導波
路の問題点を、前記報告に基づいて、はじめにＬiＴaＯ
3 を基板とした場合、つぎにシリコンを基板とした場合
について説明する。まず、ＬiＴaＯ3 を基板とした場合
であるが、光導波路をデバイス化し、駆動するとき、当
然電子回路が必要不可欠となる。電子回路は、通常シリ
コン等の半導体で作製されるが、ＬiＴaＯ3 の基板上の
ＬiＮbＯ3 の光導波路では、ＬiＴaＯ3 の基板が絶縁体
であるため、電子回路をモノシリックに集積することが
できない。そのため、この駆動用の電子回路を光導波路
とは別に実装しなければならず、デバイスの小形化がで
きないといった問題がある。また、ＬiＴaＯ3 基板はシ
リコンに比べて高価であるため導波路デバイスの低価格
化が難しいという問題もある。
【０００５】つぎに、シリコンを基板とした場合である
が、光導波層は、周囲より屈折率の高い材料で形成され
なければならない。しかし、シリコンの上に直接ＬiＮb
Ｏ3の薄膜を形成した場合、ＬiＮbＯ3 の屈折率がシリ
コンの屈折率より小さいためＬiＮbＯ3 は光導波層とな
らない。また、シリコンとＬiＮbＯ3 の結晶構造、格子
定数が著しく異なっているため、結晶性の良いＬiＮbＯ
3 薄膜が得られず、光導波路としての性能が劣るといっ
た問題点がある。本発明は、上記従来技術の欠点を改善
した光導波路を提供することを目的とする。
が、光導波層は、周囲より屈折率の高い材料で形成され
なければならない。しかし、シリコンの上に直接ＬiＮb
Ｏ3の薄膜を形成した場合、ＬiＮbＯ3 の屈折率がシリ
コンの屈折率より小さいためＬiＮbＯ3 は光導波層とな
らない。また、シリコンとＬiＮbＯ3 の結晶構造、格子
定数が著しく異なっているため、結晶性の良いＬiＮbＯ
3 薄膜が得られず、光導波路としての性能が劣るといっ
た問題点がある。本発明は、上記従来技術の欠点を改善
した光導波路を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明の光導波路は、半導体単結晶基板上にエピタ
キシャルの絶縁体膜が形成されており、この絶縁体上
に、絶縁体より屈折率の高いエピタキシャル誘電体膜が
形成されていることを特徴とする。
に、本発明の光導波路は、半導体単結晶基板上にエピタ
キシャルの絶縁体膜が形成されており、この絶縁体上
に、絶縁体より屈折率の高いエピタキシャル誘電体膜が
形成されていることを特徴とする。
【０００７】上記半導体単結晶としては、一般に半導体
素子として使用されるシリコン単結晶やＧaＡs 単結晶
などが例示されるが、安価で容易に入手できるシリコン
単結晶が望ましい。また、この半導体単結晶基板上に、
絶縁体を介して形成される誘電体膜としては、Ｌi 、Ｎ
b、Ｔa、Ｏの３元素以上からなるＬiＮbＯ3 、ＬiＴaＯ
3 などのイルメナイト型結晶構造を有する材料で構成す
るのが望ましい。さらに、中間に介在させる絶縁体とし
ては、誘電体膜との界面において、誘電体膜と結晶系が
同じで、かつ格子定数が比較的近い材料で構成するのが
望ましい。例えば、イルメナイト型誘電体に対しては、
結晶構造が共通するアルミナなどの材料で構成するのが
望ましい。上記した絶縁体、誘電体膜の形成方法は特に
限定されないが、通常は、従来技術で述べた高周波スパ
ッタリング法の他にイオンビームによるスパッタリング
法や、電子ビームを用いた蒸着法などの気相法が用いら
れる。
素子として使用されるシリコン単結晶やＧaＡs 単結晶
などが例示されるが、安価で容易に入手できるシリコン
単結晶が望ましい。また、この半導体単結晶基板上に、
絶縁体を介して形成される誘電体膜としては、Ｌi 、Ｎ
b、Ｔa、Ｏの３元素以上からなるＬiＮbＯ3 、ＬiＴaＯ
3 などのイルメナイト型結晶構造を有する材料で構成す
るのが望ましい。さらに、中間に介在させる絶縁体とし
ては、誘電体膜との界面において、誘電体膜と結晶系が
同じで、かつ格子定数が比較的近い材料で構成するのが
望ましい。例えば、イルメナイト型誘電体に対しては、
結晶構造が共通するアルミナなどの材料で構成するのが
望ましい。上記した絶縁体、誘電体膜の形成方法は特に
限定されないが、通常は、従来技術で述べた高周波スパ
ッタリング法の他にイオンビームによるスパッタリング
法や、電子ビームを用いた蒸着法などの気相法が用いら
れる。
【０００８】
【作用】すなわち、本発明によれば、アルミナなどの絶
縁体膜をシリコンなどの半導体基板上に形成し、その上
にＬiＮbＯ3 などの誘電体膜を作製することによって、
以下の作用がある。前述のように、シリコン基板の上に
直接ＬiＮbＯ3 の薄膜を形成した場合、ＬiＮbＯ3 の屈
折率がシリコンの屈折率より小さいためＬiＮbＯ3 膜は
光導波層とはならない。しかし、本発明では絶縁体（例
えばアルミナ）に誘電体（例えばＬiＮbＯ3 ）より屈折
率が小さい材料を選択し、この絶縁体膜を半導体基板上
に形成し、その上にＬiＮbＯ3 などの誘電体膜を作製し
たので、誘電体薄膜中に光を閉じ込めることができ、光
導波層とすることができる。
縁体膜をシリコンなどの半導体基板上に形成し、その上
にＬiＮbＯ3 などの誘電体膜を作製することによって、
以下の作用がある。前述のように、シリコン基板の上に
直接ＬiＮbＯ3 の薄膜を形成した場合、ＬiＮbＯ3 の屈
折率がシリコンの屈折率より小さいためＬiＮbＯ3 膜は
光導波層とはならない。しかし、本発明では絶縁体（例
えばアルミナ）に誘電体（例えばＬiＮbＯ3 ）より屈折
率が小さい材料を選択し、この絶縁体膜を半導体基板上
に形成し、その上にＬiＮbＯ3 などの誘電体膜を作製し
たので、誘電体薄膜中に光を閉じ込めることができ、光
導波層とすることができる。
【０００９】さらに、絶縁体と、誘電体とを、結晶構
造、格子定数がほぼ同じ材料（例えば、アルミナとＬi
ＮbＯ3 ）で構成すれば、絶縁体の上に、エピタキシャ
ルの誘電体膜を、格子不整合を生ずることなく、容易に
形成することができる。そのため、従来のように、シリ
コン基板上に直接ＬiＮbＯ3 誘電体膜を作製するより
も、良質のエピタキシャルの誘電体膜を得ることができ
る。
造、格子定数がほぼ同じ材料（例えば、アルミナとＬi
ＮbＯ3 ）で構成すれば、絶縁体の上に、エピタキシャ
ルの誘電体膜を、格子不整合を生ずることなく、容易に
形成することができる。そのため、従来のように、シリ
コン基板上に直接ＬiＮbＯ3 誘電体膜を作製するより
も、良質のエピタキシャルの誘電体膜を得ることができ
る。
【００１０】
【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。こ
の実施例では、面方位が（１１１）のシリコン単結晶基
板上に、絶縁体としてアルミナのエピタキシャル膜を形
成し、その上に誘電体膜として、ＬiＮbＯ3薄膜をスパ
ッタリング法により形成した。第１図は実施例の光導波
路を示す断面図であり、１は（１１１）シリコン単結晶
基板、２はアルミナのエピタキシャル膜、３はスパッタ
リング法により形成したＬiＮbＯ3 の膜である。スパッ
タリング法はイオンビームスパッタリング法を用いた。
の実施例では、面方位が（１１１）のシリコン単結晶基
板上に、絶縁体としてアルミナのエピタキシャル膜を形
成し、その上に誘電体膜として、ＬiＮbＯ3薄膜をスパ
ッタリング法により形成した。第１図は実施例の光導波
路を示す断面図であり、１は（１１１）シリコン単結晶
基板、２はアルミナのエピタキシャル膜、３はスパッタ
リング法により形成したＬiＮbＯ3 の膜である。スパッ
タリング法はイオンビームスパッタリング法を用いた。
【００１１】これを、第２図に基づいて説明する。真空
チャンバー４内に配置されたイオン５源には、外部から
不活性ガスとしてアルゴン６を導入するガス管７が接続
されており、イオン源５では、このアルゴン６のイオン
ビーム８を発生させる。このイオンビーム８の照射方向
には、ステッピングモータ９に接続したターゲットホル
ダー１０が配置されており、ターゲットホルダー１０の
異なる面には、アルミナターゲット１１とＬiＮbＯ3タ
ーゲット１２とが固定されている。さらに、規定位置に
おかれたターゲットのスパッタ方向には、面方位（１１
１）を有するシリコン単結晶基板１が配置されており、
基板１の近傍には、基板１を加熱するヒータ１３が配置
されている。上記装置によるスパッタリング法を説明す
ると、ステッピングモータ９によって、ターゲットホル
ダ１０を回転させ、アルミナターゲット１１を規定位置
（イオンビームの照射方向）におく。次いで、イオン源
５でイオンビーム８を発生させて、アルミナターゲット
１１に照射する。このとき、イオンビーム８のエネルギ
ーは、０．５〜１０ｋＶ、イオンビーム電流は０．５〜
１０ｍＡである。イオンビーム８の照射により、アルミ
ナターゲット１１から発生したアルミナのスパッタ粒子
１４は、シリコン単結晶基板１に付着する。このとき、
単結晶基板１は、ヒータ１３により６００〜８００℃に
保たれている。この方法により、面方位（１１１）のシ
リコン単結晶基板１の上に、（００１）配向のアルミナ
のエピタキシャル膜２を作製することができた。
チャンバー４内に配置されたイオン５源には、外部から
不活性ガスとしてアルゴン６を導入するガス管７が接続
されており、イオン源５では、このアルゴン６のイオン
ビーム８を発生させる。このイオンビーム８の照射方向
には、ステッピングモータ９に接続したターゲットホル
ダー１０が配置されており、ターゲットホルダー１０の
異なる面には、アルミナターゲット１１とＬiＮbＯ3タ
ーゲット１２とが固定されている。さらに、規定位置に
おかれたターゲットのスパッタ方向には、面方位（１１
１）を有するシリコン単結晶基板１が配置されており、
基板１の近傍には、基板１を加熱するヒータ１３が配置
されている。上記装置によるスパッタリング法を説明す
ると、ステッピングモータ９によって、ターゲットホル
ダ１０を回転させ、アルミナターゲット１１を規定位置
（イオンビームの照射方向）におく。次いで、イオン源
５でイオンビーム８を発生させて、アルミナターゲット
１１に照射する。このとき、イオンビーム８のエネルギ
ーは、０．５〜１０ｋＶ、イオンビーム電流は０．５〜
１０ｍＡである。イオンビーム８の照射により、アルミ
ナターゲット１１から発生したアルミナのスパッタ粒子
１４は、シリコン単結晶基板１に付着する。このとき、
単結晶基板１は、ヒータ１３により６００〜８００℃に
保たれている。この方法により、面方位（１１１）のシ
リコン単結晶基板１の上に、（００１）配向のアルミナ
のエピタキシャル膜２を作製することができた。
【００１２】次に、同じ真空チャンバー４内で、ステッ
ピングモータ９によりターゲットホルダー１０を回転さ
せ、ＬiＮbＯ3ターゲット１２を規定位置において、イ
オンビーム８をＬiＮbＯ3ターゲット１２に照射する。
この結果ＬiＮbＯ3ターゲット１２より発生したＬiＮb
Ｏ3 のスパッタリング粒子（図示しない）を、アルミナ
のエピタキシャル膜２をすでに付着させたシリコン単結
晶基板１上に付着させた。このとき、基板温度は４００
〜５００℃に保たれており、アルミナの結晶化温度より
低い温度に設定してある。この方法により、ＬiＮbＯ3
のエピタキシャル膜３を作製することができ、このエピ
タキシャル膜３を電子線回折により確認したところ、
（００１）配向のＬiＮbＯ3 の単結晶膜であった。
ピングモータ９によりターゲットホルダー１０を回転さ
せ、ＬiＮbＯ3ターゲット１２を規定位置において、イ
オンビーム８をＬiＮbＯ3ターゲット１２に照射する。
この結果ＬiＮbＯ3ターゲット１２より発生したＬiＮb
Ｏ3 のスパッタリング粒子（図示しない）を、アルミナ
のエピタキシャル膜２をすでに付着させたシリコン単結
晶基板１上に付着させた。このとき、基板温度は４００
〜５００℃に保たれており、アルミナの結晶化温度より
低い温度に設定してある。この方法により、ＬiＮbＯ3
のエピタキシャル膜３を作製することができ、このエピ
タキシャル膜３を電子線回折により確認したところ、
（００１）配向のＬiＮbＯ3 の単結晶膜であった。
【００１３】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、半導体単結晶基板上にエピタキシャルの絶縁
体膜が形成されており、この絶縁体上に、絶縁体より屈
折率の高いエピタキシャル誘電体膜が形成されているの
で、半導体単結晶基板上に、結晶性の良い光導波路を得
ることができ、しかも作製に際し容易に行うことができ
る効果がある。さらに、光導波路を駆動するための電子
回路を、同一の半導体基板上に形成して、光導波路と電
子回路とを一体化した集積回路を実現することが可能と
なり、デバイスの小型化を図ることができる。
によれば、半導体単結晶基板上にエピタキシャルの絶縁
体膜が形成されており、この絶縁体上に、絶縁体より屈
折率の高いエピタキシャル誘電体膜が形成されているの
で、半導体単結晶基板上に、結晶性の良い光導波路を得
ることができ、しかも作製に際し容易に行うことができ
る効果がある。さらに、光導波路を駆動するための電子
回路を、同一の半導体基板上に形成して、光導波路と電
子回路とを一体化した集積回路を実現することが可能と
なり、デバイスの小型化を図ることができる。
【図１】図１は実施例の光導波路を示す断面図である。
【図２】図２は同じく実施例の光導波路作製に用いるス
パッタリング装置の概略図である。
パッタリング装置の概略図である。
【図３】図３は従来の光導波路の作製に用いるスパッタ
リング装置の概略図である。
リング装置の概略図である。
１ シリコン単結晶基板 ２ アルミナのエピタキシャル膜 ３ ＬiＮbＯ3 膜 ５ イオン源 ８ イオンビーム １１ アルミナターゲット １２ ＬiＮbＯ3ターゲット
Claims (5)
- 【請求項１】 半導体単結晶基板上にエピタキシャルの
絶縁体膜が形成されており、この絶縁体上に、絶縁体よ
り屈折率の高いエピタキシャル誘電体膜が形成されてい
ることを特徴とする光導波路 - 【請求項２】 エピタキシャルの絶縁体膜は、エピタキ
シャル誘電体膜との界面において、誘電体膜と結晶系が
同じである請求項１記載の光導波路 - 【請求項３】 前記半導体単結晶はシリコン単結晶から
なり、さらに、前記エピタキシャル誘電体は、イルメナ
イト型結晶構造からなることを特徴とする請求項１また
は２記載の光導波路 - 【請求項４】 シリコン単結晶基板上に形成されるエピ
タキシャルの絶縁体膜が、アルミナからなる請求項３記
載の光導波路 - 【請求項５】 シリコン単結晶基板上に形成されるイル
メナイト型結晶構造の誘電体膜が、Ｌi 、Ｎb、Ｔa、Ｏ
のうち３元素以上よりなるエピタキシャル膜である請求
項３または４記載の光導波路
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26125991A JPH0572428A (ja) | 1991-09-13 | 1991-09-13 | 光導波路 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26125991A JPH0572428A (ja) | 1991-09-13 | 1991-09-13 | 光導波路 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0572428A true JPH0572428A (ja) | 1993-03-26 |
Family
ID=17359348
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26125991A Pending JPH0572428A (ja) | 1991-09-13 | 1991-09-13 | 光導波路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0572428A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020179210A1 (ja) | 2019-03-07 | 2020-09-10 | アドバンストマテリアルテクノロジーズ株式会社 | 膜構造体、圧電体膜及び超伝導体膜 |
-
1991
- 1991-09-13 JP JP26125991A patent/JPH0572428A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020179210A1 (ja) | 2019-03-07 | 2020-09-10 | アドバンストマテリアルテクノロジーズ株式会社 | 膜構造体、圧電体膜及び超伝導体膜 |
| US12439825B2 (en) | 2019-03-07 | 2025-10-07 | I-Pex Piezo Solutions Inc. | Film structure, single crystal piezoelectric film and single crystal superconductor film |
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