JP5464260B1 - 電気光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】単結晶Ｓｉ基板上に結晶性が良好なクラッド層とＬｉＮｂＯ_３などのイルメナイト型構造を持つ電気光学層をエピタキシャル成長させ、Ｓｉ基板上に薄膜で形成された電気光学素子を提供する。
【解決手段】電気光学素子において、単結晶Ｓｉ基板と、基板上にエピタキシャル成長したＺｒＯ_２のバッファ層と、バッファ層上にエピタキシャル成長したＹ_２Ｏ_３のクラッド層と、クラッド層上にエピタキシャル成長したイルメナイト型構造を持つ電気光学層を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、単結晶シリコン基板上のエピタキシャル薄膜を用いた電気光学素子に関する。

イルメナイト型構造のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）は大きな電気光学定数を有し、光変調器、光ジャイロ、光スイッチや電界センサなどのデバイスに応用されてきている。

現在、ＬｉＮｂＯ_３は、バルク単結晶を用いてデバイスを作製するものが主流であるが、サファイア基板上もしくはシリコン（Ｓｉ）基板上にＬｉＮｂＯ_３薄膜を形成する技術も開示されてきている。特にＳｉ基板はサファイア基板よりも安価で、より大口径のものが市販されており、Ｓｉ基板上に良好な薄膜を形成することができれば、デバイスの量産において大変有利である。

ＬｉＮｂＯ_３の屈折率はＳｉの屈折率よりも小さいため、ＬｉＮｂＯ_３膜を光導波層とするには、Ｓｉ上にＬｉＮｂＯ_３よりも屈折率の小さいクラッド層を成膜し、その上にＬｉＮｂＯ_３を成膜する必要がある。また、ＬｉＮｂＯ_３膜はできるだけ単結晶に近いエピタキシャル膜でなければ、期待する電気光学特性を得ることができない。

特許文献１には、光導波路に向けて、（１１１）配向のＳｉ基板に、クラッド層となる（００１）配向のＡｌ_２Ｏ_３エピタキシャル膜、その上に（００１）配向のＬｉＮｂＯ_３のエピタキシャル膜を形成したものが開示されている。しかしながら、Ｘ線回析によるＡｌ_２Ｏ_３膜、ＬｉＮｂＯ_３膜の配向性は開示されておらず、実際に結晶性の良いエピタキシャル膜を作るのは困難である。

特許文献２には、（１１１）配向のＳｉ基板に、３Ｃ−ＳｉＣのエピタキシャル膜、次いでＭｇＯのエピタキシャル膜の緩衝層を形成し、その上にＬｉＮｂＯ_３のエピタキシャル膜を形成したものが開示されている。しかしながら、これもＸ線回析による３Ｃ−ＳｉＣ膜、ＭｇＯ膜、ＬｉＮｂＯ_３膜の配向性は開示されておらず、実際に結晶性の良いエピタキシャル膜を作るのは困難である。

上記の２つの文献は、Ｓｉ基板上に形成されたエピタキシャル積層薄膜であるが、電気光学特性や光の伝播特性についての評価はしておらず、実際に光デバイスとして使えるのか不明である。また、今までに、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長したＬｉＮｂＯ_３について電気光学特性を測定した報告例は知られていない。

特開平５−７２４２８号公報 特開２００７−１８２３３５号公報

本発明は、単結晶Ｓｉ基板上に結晶性が良好で、電気光学層よりも屈折率の小さいクラッド層と、ＬｉＮｂＯ_３などのイルメナイト型構造を持つ電気光学層とをエピタキシャル成長させ、Ｓｉ基板上に薄膜で形成された電気光学素子を提供する。

本発明は、単結晶Ｓｉ基板と、単結晶Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長したＺｒＯ_２のバッファ層と、バッファ層上にエピタキシャル成長したＹ_２Ｏ_３のクラッド層と、クラッド層上にエピタキシャル成長したイルメナイト型構造を持つ電気光学層を有することを特徴とする電気光学素子である。

イルメナイト型構造を持つ電気光学層は、ＬｉＮｂＯ_３であることが好ましい。

Ｓｉ基板および積層膜の結晶配向性が、以下の方向に規定された条件を満たす積層構造となっていることが好ましい。
Ｓｉ（１１１）／ＺｒＯ_２（１１１）／Ｙ_２Ｏ_３（１１１）／イルメナイト型（００１）

ＺｒＯ_２膜厚は２ｎｍ〜７５ｎｍであることが好ましい。その膜厚において、クラッド層の結晶性が良好になる。

Ｙ_２Ｏ_３膜厚は５００ｎｍ〜２０００ｎｍであることが好ましい。その膜厚において、電気光学層の結晶性に優れ、平均面粗さを小さく抑えられ、また、光を電気光学層に閉じ込めることが可能になる。

Ｙ_２Ｏ_３膜厚は８００ｎｍ〜１６００ｎｍであることがより好ましい。その膜厚において、電気光学層の結晶性に優れ、平均面粗さの変動を小さくすることが可能になる。

Ｓｉ基板の表面にはＳｉ酸化物層が存在することが好ましい。

Ｓｉ酸化物層はＳｉ基板の熱酸化によって形成したものであって、厚みは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。

イルメナイト構造膜において、Ｘ線回折により測定された（００６）反射のロッキングカーブの半値幅が０．５８°以下であることが好ましい。

イルメナイト構造膜の表面の平均面粗さが９．２ｎｍ以下であることが好ましい。

本発明により、単結晶Ｓｉ基板上に結晶性が良好なクラッド層とＬｉＮｂＯ_３などのイルメナイト型構造を持つ電気光学層をエピタキシャル成長させ、Ｓｉ基板上に薄膜で形成された電気光学素子を提供できる。

実施形態に係る電気光学素子を示す側断面図である。 電極を上部のみに配置した場合の電気力線の模式図である。 一方の電極を導電性基板に接続した場合の電気力線の模式図である。 実施形態に係る電気光学素子を示す側断面図である。 ＺｒＯ_２膜厚の異なるＳｉ（１１１）／ＺｒＯ_２／Ｙ_２Ｏ_３ ４０ｎｍ膜において、Ｙ_２Ｏ_３膜のＸ線回折ロッキングカーブの半値幅と表面平均面粗さのグラフである。 実施例１のＸ線回折２θ−θスキャン図である。 実施例１のＹ_２Ｏ_３でのＸ線回折ロッキングカーブ図である。 実施例１のＬｉＮｂＯ_３でのＸ線回折ロッキングカーブ図である。 実施例１のＸ線回折ＬｉＮｂＯ_３（０１４）の極点図である。 散乱検出法による伝播損失測定の模式図である。 実施例１の散乱検出法における光の伝播強度グラフである。 プリズムカプラ法による電気光学測定の模式図である。 実施例１のプリズムカプラ法における屈折率変化のグラフである。 実施例２のＹ_２Ｏ_３膜厚を変化させたときのＬｉＮｂＯ_３膜のＸ線回折ロッキングカーブの半値幅と表面平均面粗さのグラフである。 比較例２について、Ｙ_２Ｏ_３膜厚を変化させたときのＬｉＮｂＯ_３膜のＸ線回折ロッキングカーブの半値幅と表面平均面粗さのグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明の対象は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれると共に、その構成要素は、適宜組み合わせることが可能である。また説明図は模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係は、本実施形態の効果が得られる範囲内で実際の構造とは異なっていても良いこととする。

なお、本実施形態におけるエピタキシャル膜とは、膜面内をＸ−Ｙ面とし、膜厚方向をＺ軸としたとき、結晶がＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向にともにそろって配向しているものである。これを証明するために、第１に２θ−θＸ線回折による配向位置でのピーク強度の確認と、第２に極点の確認を行っている。

具体的には、第１に２θ−θＸ線回折による測定を行ったとき、目的とする面以外の全てのピーク強度が目的とする面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である必要がある。例えば、ＬｉＮｂＯ_３のｃ軸配向エピタキシャル膜では、（００Ｌ）面以外のピーク強度が、（００Ｌ）面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である。（００Ｌ）は、（００１）や（００２）などの等価な面を総称する表示である。

第２に、極点測定において、極点が見えることが必要である。前述の第１の配向位置でのピーク強度の確認の条件においては、一方向における配向性を示しているのみであり、前述の第１の条件を得たとしても、面内において結晶配向がそろっていない場合には、特定角度位置でＸ線の強度が高まることはなく、極点は見られない。ＬｉＮｂＯ_３は三方晶系の結晶構造であるため、単結晶におけるＬｉＮｂＯ_３（０１４）の極点は３つとなる。

前述の第１、第２の両方の条件が得られることにより、結晶がＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向にともにそろって配向していることの証明になり、エピタキシャル膜になっているといえる。

また、ＬｉＮｂＯ_３の場合、ｃ軸を中心に１８０°回転させた結晶が対称的に結合した、いわゆる双晶の状態にてエピタキシャル成長することが知られている。この場合、３つの極点が対称的に２つ結合した状態になるため、極点は６つとなる。

なお、ＬｉＮｂＯ_３の結晶構造は、擬イルメナイト型、イルメナイト類似型、変形イルメナイト型、ＬｉＮｂＯ_３型などとして、その表記において、イルメナイト型とは区別する場合もあるが、本実施形態では、これらを総称して、イルメナイト型と定義する。

（実施形態１）
図１を用いて、実施形態１の電気光学素子の構造を示す。実施形態１の電気光学素子は、単結晶Ｓｉ基板１と、バッファ層２と、クラッド層３と、電気光学層４と電極６から構成される。

実施形態１における単結晶Ｓｉ基板１は（１１１）面を用いることが好ましい。イルメナイト型構造は三方晶系であり、Ｓｉ上に形成されるバッファ層およびクラッド層の結晶方位を最適化できる。

単結晶Ｓｉ基板は様々な電気抵抗のものが市販されているが、積層膜のエピタキシャル成長の観点では基板の電気抵抗に制限はない。本発明を高周波デバイスとして用いる場合は高抵抗のものが好ましく、低周波もしくはＤＣで用いる場合は低抵抗のＳｉ基板でも良い。

単結晶Ｓｉ基板１における結晶方位軸は、基板面に対して垂直もしくは数度以内に傾斜したものを用いる。

Ｓｉ基板１面上に形成されたバッファ層２はＺｒＯ_２のエピタキシャル膜である。バッファ層２がない場合と比べると、クラッド層３および電気光学層４の結晶性が改善する。高温でのＳｉ基板表面は非常に反応性に富むため、エピタキシャル成長前に不要な化合物が形成され、Ｓｉ基板上へのエピタキシャル成長を阻害する。しかし、ＺｒＯ_２はＳｉ基板上に、高結晶性かつ表面平坦性に優れる薄膜として形成することが可能であり、この下地膜を形成することで、より高品質なクラッド層および電気光学層のエピタキシャル膜を得ることができる。

実施形態１におけるバッファ層２のＺｒＯ_２は厚さが２ｎｍ〜７５ｎｍで、より好ましくは５ｎｍ〜５０ｎｍである。薄過ぎると十分な結晶性のＺｒＯ_２が得られず、厚過ぎると結晶性や表面平坦性の悪化、応力増加によるクラックなどの原因となる。

図５はＳｉ（１１１）基板に厚さの異なるＺｒＯ_２を成膜し、さらにＹ_２Ｏ_３を４０ｎｍ成膜したサンプルについて、Ｘ線回折におけるＹ_２Ｏ_３（２２２）のロッキング半値幅と、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）によるＹ_２Ｏ_３表面の平均面粗さを示したものである。グラフにはＺｒＯ_２の厚みが０ｎｍ、２ｎｍ、５ｎｍ、１５ｎｍ、５０ｎｍ、７５ｎｍ、１００ｎｍの点がプロットしてある。平均面粗さ（Ｒａ）は、ぞれぞれ、４．７０ｎｍ、２．０９ｎｍ、０．８２ｎｍ、０．３２ｎｍ、０．５２ｎｍ、０．９４ｎｍ、１．６８ｎｍであった。

また、ロッキング半値幅はそれぞれ、３．６９度、１．７７度、１．６７度、１．５８度、１．３８度、１．９０度、３．０７度であった。ＺｒＯ_２の厚さが２ｎｍ〜７５ｎｍで、ロッキング半値幅が１．３８度以上、１．９０度以下と小さくなり、Ｙ_２Ｏ_３膜の結晶性が良好となる。また、ＺｒＯ_２の厚みが５ｎｍ〜５０ｎｍでのＡＦＭ（原子間力顕微鏡）による測定において、Ｙ_２Ｏ_３表面の平均面粗さ（Ｒａ）の変動を０．３２ｎｍ以上０．８２ｎｍ以下の範囲で小さくすることが可能である。また、ロッキング半値幅も１．３８度以上１．６７度以下で変動が小さくなっているので、良好な結晶性を安定して維持することが可能である。

このＺｒＯ_２は、例えば、酸化雰囲気中の基板温度６００℃〜１２００℃の高温条件下で、金属Ｚｒを蒸着することにより形成することができる。Ｓｉ（１１１）基板を用いた場合の結晶成長面はＺｒＯ_２（１１１）となる。

実施形態１におけるＺｒＯ_２は、良好な結晶性および表面性を得るために、酸化ジルコニウム系層中の酸素を除く構成元素中におけるＺｒの比率は、好ましくは９８ｍｏｌ％以上、さらに好ましくは９９．５ｍｏｌ％以上である。また、現在の高純度化技術ではＺｒＯ_２とＨｆＯ_２との分離は難しいので、ＺｒＯ_２の純度は、通常、Ｚｒ＋Ｈｆでの純度を指しているが、ＨｆＯ_２は本発明における酸化ジルコニウム系層においてＺｒＯ_２と全く同様に機能するため、問題はない。安定化ジルコニアと呼ばれる、イットリウムなどの希土類を添加したものと比較すると、高純度ジルコニアの方が内部応力は高くなるが、結晶性および表面性が良好である。

クラッド層３は電気光学層４に光を閉じ込めるのに必要であり、電気光学層４より屈折率は小さくなければならない。本実施形態におけるクラッド層３はＹ_２Ｏ_３のエピタキシャル膜である。酸化物でＬｉＮｂＯ_３よりも屈折率が小さいものは、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３、など限られており、Ｙ_２Ｏ_３は下地のＺｒＯ_２との格子定数のミスマッチが小さく良好な結晶性を得ることができる。

実施形態１におけるＹ_２Ｏ_３は、厚さが５００ｎｍ〜２０００ｎｍである。使用する光の波長や電気光学層４の厚みにもよるが、光を電気光学層に閉じ込めるには、Ｙ_２Ｏ_３膜厚は５００ｎｍ以上が好ましい。また、結晶性や表面平坦性悪化を防ぐため、膜厚は２０００ｎｍ以下が好ましい。また、電気光学層４の平均面粗さ（Ｒａ）の変動を小さくするため、膜厚は８００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下がより好ましい。

このＹ_２Ｏ_３は、例えば、酸化雰囲気中の基板温度６００℃〜１２００℃の高温条件下で、金属イットリウム（Ｙ）を蒸着することにより形成することができる。Ｓｉ（１１１）基板を用いた場合の結晶成長面はＹ_２Ｏ_３（１１１）となる。

Ｙ_２Ｏ_３には、特性改善のために添加物を導入してもよい。添加物を入れることにより、膜の抵抗率や誘電率や格子定数の制御が可能になる。例えば、ＡｌおよびＳｉは、膜の抵抗率を向上させる効果がある。Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの遷移金属元素は、膜中において不純物による準位（トラップ準位）を形成することができ、この準位を利用することにより導電性の制御が可能になる。

実施形態１における電気光学層４はイルメナイト型構造の誘電膜である。イルメナイト型構造の誘電膜は、好ましくはＬｉＮｂＯ_３である。同じイルメナイト構造のＬｉＴａＯ_３、または、ＬｉＮｂＯ_３とＬｉＴａＯ_３の固溶体、すなわちＬｉＮｂ_１−ｘＴａ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１）を使っても良い。また、少量の別の元素の添加物がＬｉまたはＮｂまたはＴａに置き換わっても良い。ＬｉをＡ、ＮｂもしくはＴａをＢとしてを一般式ＡＢＯｘの化学式で表したとき、Ａ／Ｂイオンのモル比は０．９〜１．１であり、さらには０．９５〜１．０５であることが好ましい。

また、Ｘは３に限定されるものでなく、酸素欠陥、又は酸素過剰の状態でも良い。Ｘの値としては通常、２．８以上、３．２以下である。添加する元素の種類、量および価数によってＸの値は変化し得る。ＡおよびＢイオンの置き換え例としては、Ａイオンには、Ｋ、Ｎａ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなどが挙げられる。またＢイオンには、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎなどが挙げられる。またＸの一部をこれら列挙された一種以上の元素にて置き換えることも可能である。

実施形態１における電気光学層４は、５００ｎｍ〜２０００ｎｍである。光を閉じ込めるためにある程度の厚みが必要であるが、厚過ぎる場合は応力増加によるクラックなどの原因となる。成膜時の基板温度は４００℃〜７００℃で、Ｓｉ（１１１）基板を用いた場合の結晶成長面はイルメナイト（００１）のｃ軸配向となる。

電極６は図２に示したように上部にのみ配置した場合と、図３のように電極をＳｉ基板１に接続した場合がある。後者の場合はＳｉ基板１に低抵抗のものを用いて、基板自体を下部電極とすることができる。電気光学層４に電界αを印加することにより屈折率が変化し、電気光学素子として用いることができる。なお、図中の光が導波する部分１１は、イオン拡散をしたり、リッジを形成したりして、横方向にも光を閉じ込める３次元光導波路を形成しても良い。

電極６の材質は金や白金など何を用いても構わない。もちろん密着性を良くするための層と組み合わせるなどして、多層の構造としても良い。また、厚みにも限定はない。

膜の配向がＳｉ（１１１）／ＺｒＯ_２（１１１）／Ｙ_２Ｏ_３（１１１）／イルメナイト型（００１）となっている場合は、電極の一つは光が導波する部分１１の真上に配置する。ｃ軸方向に電界１０をかけるのが最も電気光学効果が大きくなるからである。

実施形態１における、バッファ層２とクラッド層３は真空蒸着法、電気光学層４はスパッタリング法によって作製されているが、成膜方法はレーザ堆積法、化学蒸着法（ＣＶＤ）、ゾルゲル法など何を用いても構わない。また、酸化性ガスとしては、酸素、オゾン、原子状酸素、ＮＯ_Ｘ、ラジカル酸素等のいずれであってもよい。

（実施形態２）
図１に示される実施形態１の場合は、電極による光の伝播損失が生じてしまう。図４のようにバッファ層５を電気光学層４と電極６の間に挿入することで、光を電気光学層４に閉じ込め、伝播損失を少なくすることが出来る。バッファ層５に電気光学層４よりも屈折率の小さい材料、例えばシリカやアルミナなどを用いる。厚みは５００ｎｍ〜５０００ｎｍである。バッファ層５が薄いと光の伝播損失が増え、バッファ層５が厚いと電気光学層にかかる電圧が少なくなってしまうため、適度な厚みに設定する必要がある。バッファ層５の成膜方法はスパッタリング法、レーザ堆積法、化学蒸着法（ＣＶＤ）、ゾルゲル法など何を用いても構わない。

以下に、実際に電気光学素子を作製し、評価を行ったので、具体的に説明する。

（実施例１）
酸化物薄膜をエピタキシャル成長させる基板として、抵抗率が０．０５ｏｈｍ・ｃｍ以下で、基板表面が（１１１）面となる様に切断して鏡面研磨をしたＳｉ単結晶基板を用いた。

真空チャンバー内に設置された加熱機構を備えるホルダーに、上記Ｓｉ基板を固定し、チャンバー内を真空ポンプにて１×１０^−４〔Ｐａ〕以下まで排気した後、酸素ガスを導入しながら、基板温度を６００℃〜１２００℃に加熱し、Ｓｉ基板表面におおよそ５ｎｍの自然酸化物を形成させた。

その後、基板温度を保持した状態で、酸素ガスを導入しながら、純度９９．８％の金属Ｚｒを基板面に向けて蒸発させることにより、Ｓｉ基板上にバッファ層としてＺｒＯ_２のエピタキシャル下地膜１５ｎｍを形成した。

次いで、ＺｒＯ_２を成膜したチャンバー内で、基板温度、酸素ガスの導入を保持しながら、純度９９．９％の金属Ｙを基板面に向けて蒸発させることにより、Ｙ_２Ｏ_３のエピタキシャル膜１２００ｎｍを形成した。

ここで、Ｙ_２Ｏ_３膜についてプリズムカプラ法で屈折率を測定したところ、波長６３２．８ｎｍの場合で１．９０６であった。

このＺｒＯ_２とＹ_２Ｏ_３のエピタキシャル膜が形成されたＳｉ基板について、基板加熱装置を備えたスパッタリング装置にてＬｉＮｂＯ_３の成膜を行った。１×１０^−４〔Ｐａ〕以下まで排気した真空チャンバーに、２０％〜５０％のＯ_２とＡｒを混合させたスパッタガスを導入し、ガス圧力を０．１Ｐａ〜１．０Ｐａとし、基板温度は４００℃〜７００℃の条件で、１０００ｎｍの膜を形成した。

実施例１で用いたスパッタターゲットは、Ｌｉ／Ｎｂのモル比が１．０で作製されたＬｉＮｂＯ_３の焼結体である。成膜条件によって、膜中のＬｉ／Ｎｂのモル比は変化するが、モル比が０．９〜１．１程度ではおおむね良好な結晶性であった。

実施例１における成膜の構成は基板側から、Ｓｉ（１１１）／ＺｒＯ_２（１５ｎｍ）／Ｙ_２Ｏ_３（１２００ｎｍ）／ＬｉＮｂＯ_３（１０００ｎｍ）となる。

ＬｉＮｂＯ_３膜について、レーザ波長６３２．８ｎｍにおける屈折率をプリズムカプラ法で測定したところ、ＴＥモードで２．２８９、ＴＭモードで２．２０５であった。この値は単結晶ＬｉＮｂＯ_３の文献値に近い。

また、原子力間顕微鏡（ＡＦＭ）にてＬｉＮｂＯ_３膜の表面を測定したところ、平均面粗さ（Ｒａ）は６．６ｎｍと良好な平坦性であった。

平均面粗さの測定はＤｉｇｉｔａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製のＡＦＭ：ＤＩＭＥＮＳＩＯＮ３１００を使用した。プローブはＢＲＵＫＥＲ社製のＵＣＨＶ−Ａを用い、スキャンレート０．５Ｈｚのタッピングモードで測定を行った。測定領域は１０μｍ角である。

図６は実施例１の積層膜を、Ｘ線回折の２θ−θスキャンを行ったものである。図はすべてのピークが見えるように縦軸は対数表示としている。ｃ軸配向となるＬｉＮｂＯ_３（００６）およびＬｉＮｂＯ_３（００１２）のピークが観察され、それ以外の配向のＬｉＮｂＯ_３のピークは見られない。また、図７ａと図７ｂは、それぞれ、Ｙ_２Ｏ_３（２２２）とＬｉＮｂＯ_３（００６）のピークに対して、ロッキングカーブを測定したものである。Ｙ_２Ｏ_３（２２２）の半値幅は０．６５度、ＬｉＮｂＯ_３（００６）の半値幅は０．５０度であり、結晶性は良好であった。

Ｘ線回折の測定はリガク社製のＡＴＸ−Ｅで測定を行った。光学系はＧｅ（２２０）のチャンネルカットモノクロメータを使い、入射側のＧｅ単結晶の前後に０．２ｍｍのスリットを一つずつ、検出器の前に１ｍｍのスリットを挿入した。Ｘ線管電圧・電流は４０ｋＶ・４０ｍＡとし、スキャンは０．０２度ステップで、速度を毎分２度とした。

図８は、実施例１の、ＬｉＮｂＯ_３（０１４）の極点１２を示す図である。本来、三方晶のＬｉＮｂＯ_３単結晶は、この極点測定において３極を示すが、実施例１の場合では６極を示しており、双晶の状態にあることが分かる。ｃ軸を中心に、１８０°回転させた結晶を対称的な状態で結合した双晶のエピタキシャル膜である。

上記の積層薄膜に関して、図９に模式する散乱検出法で光βの伝播損失を測定した。波長１５５０ｎｍの半導体レーザ、ルチル（ＴｉＯ_２）単結晶のプリズム７を用い、ＴＥモードとＴＭモードの散乱光γの量変化をプローブ８の距離を変えて測定した（移動距離をＺｍｍとする）。結果を図１０に示す。横軸は基準点からの距離Ｚ、縦軸は基準点からの散乱光γの量変化である。そのグラフの傾きから伝播損失を求めた。伝播損失はＴＥモードで１．１ｄＢ／ｃｍ、ＴＭモードで０．９ｄＢ／ｃｍであった。

さらに、図１１に模式するプリズムカプラ法で、電界を印加した状態で屈折率を測定した。電界を印加するための上部電極はＬｉＮｂＯ３上にＰｔ１０ｎｍを蒸着法により成膜し、下部電極は低抵抗Ｓｉ基板を用いた。−１０Ｖ〜＋１０Ｖの電圧を印加した際のＴＭモードでの屈折率の変化量を測定した。測定には波長１５５０ｎｍの半導体レーザ、ルチル（ＴｉＯ_２）単結晶のプリズム７を用いた。結果を図１２に示す。横軸は、ＬｉＮｂＯ₃に印加されている電界Ｅ、縦軸は屈折率変化である。屈折率は印加した電圧（電界）に対して直線的に変化しており、電気光学係数ｒを下記に数式で示した、数１によって導出したところ、１５ｐｍ／Ｖであった。ここで、ｎは、電界Ｅを印加する前の屈折率を示し、Δｎは電界Ｅを印加した場合の屈折率変化を示す。電界はＺｒＯ_２とＹ_２Ｏ_３にかかる電圧を考慮して、計算で求めたものを使用した。

（実施例２）
実施例１のＹ_２Ｏ_３膜厚を４０ｎｍ〜２４００ｎｍと変えて、ＬｉＮｂＯ_３膜のＸ線回折ロッキング半値幅と平均面粗さ（Ｒａ）の測定を行った。結果は図１３のようになった。グラフは、Ｙ_２Ｏ_３の膜厚を、４０ｎｍ、１００ｎｍ、４００ｎｍ、８００ｎｍ、１２００ｎｍ、１６００ｎｍ、２０００ｎｍ、２４００ｎｍの点がプロットしてある。平均面粗さ（Ｒａ）は、それぞれ、２．６ｎｍ、３．３ｎｍ、４．２ｎｍ、６．０ｎｍ、６．６ｎｍ、７．２ｎｍ、９．２ｎｍ、１５・３ｎｍであった。また、ロッキングの半値幅は、それぞれ、０．７２度、０．５６度、０．５３度、０．５１度、０．５０度、０．５３度、０．５８度、０．９２度であった。

平均面粗さ（Ｒａ）はＹ_２Ｏ_３の膜厚が増加するにつれて悪化するが、Ｙ_２Ｏ_３が１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の場合は平均面粗さ（Ｒａ）が、３．３ｎｍ以上、９．２ｎｍ以下で、ロッキングの半値幅（度）も０．５０度以上、０．５８度以下となり、表面性、結晶性ともに良好である。Ｙ_２Ｏ_３の膜厚が２０００ｎｍを超えると、ロッキングの半値幅が急激に大きくなるので、Ｙ_２Ｏ_３の膜厚の変動に応じたＬｉＮｂＯ_３膜の結晶性は変動を受けやすくなる。

また、Ｙ_２Ｏ_３の膜厚が１００ｎｍ未満の場合もロッキングの半値幅が急激に大きくなるので、Ｙ_２Ｏ_３の膜厚の変動に応じたＬｉＮｂＯ_３膜の結晶性は変動を受けやすくなる。さらに、Ｙ_２Ｏ_３が８００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下の場合は、Ｙ_２Ｏ_３の膜厚の変動に応じた平均面粗さ（Ｒａ）が６．０ｎｍ以上、７．２ｎｍ以下の範囲で、平均面粗さ（Ｒａ）の変動を低減することが可能となっている。従って、Ｙ_２Ｏ_３の膜厚が変動したとしても光学変調素子として利用する場合に入射光に対する出射光の出力比、すなわち、光の伝播損失の変動を低減することが可能と考えられる。

（比較例１）
実施例のクラッド層３をＹ_２Ｏ_３に代えてアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を試してみたが、Ａｌ_２Ｏ_３はアモルファス層となった。温度や成膜速度などを変化させてもエピタキシャル成長させることはできなかった。電気光学層４のＬｉＮｂＯ_３も配向しなかった。

（比較例２）
実施例のバッファ層２のＺｒＯ_２省略した構成である。成膜の構成は基板側から、Ｓｉ（１１１）／Ｙ_２Ｏ_３（１２００ｎｍ）／ＬｉＮｂＯ_３（１０００ｎｍ）となる。Ｘ線回折による測定では、Ｙ_２Ｏ_３（２２２）のロッキング半値幅は２．６度、ＬｉＮｂＯ_３（００６）のロッキング半値幅は２．１度であった。また、原子力間顕微鏡による平均面粗さは１８．３ｎｍ、プリズムカプラ法による屈折率の測定は、ＴＥモードで２．２７６、ＴＭモードで２．２１６であった。そして、プリズムカプラ法による電気光学係数（ｒ３３）は１ｐｍ／Ｖであった。また、実施例１と比較してＴＥモードとＴＭモードとの屈折率差が小さい結果となった。電気光学係数（ｒ３３）は、ＴＥモードとＴＭモードとの屈折率の差が大きいほど大きな値になると考えられるので、ＴＥモードとＴＭモードとの屈折率の差は電気光学係数（ｒ３３）の指標として有効である。

比較例２についても実施例２と同様にＹ_２Ｏ_３膜厚を変化させたところ、図１４のようになった。実施例と比べると平均面粗さ、ロッキング半値幅、共に悪い結果であった。平均面粗さが大きくなると、光の伝播損失が大きくなってしまう。

実施例および比較例をまとめると表１のようになる。本実施例は比較例と比べて結晶性および表面性が良好であり、唯一大きな電気光学係数を有していた。

本発明は、光変調器、光ファイバジャイロ素子、光スイッチや電界センサなどのデバイスに応用が可能である。

１ 単結晶Ｓｉ基板
２ バッファ層
３ クラッド層
４ 電気光学層
５ バッファ層
６ 電極
７ プリズム
８ プローブ
９ 検出器
１１ 光が導波する部分
１２ 極点

Claims (9)

1. 単結晶Ｓｉ基板と、前記基板上にエピタキシャル成長したＺｒＯ_２のバッファ層と、前記バッファ層上にエピタキシャル成長したＹ_２Ｏ_３のクラッド層と、前記クラッド層上にエピタキシャル成長したイルメナイト型構造を持つ電気光学層を有することを特徴とする電気光学素子。
2. 前記イルメナイト型構造を持つ電気光学層は、ＬｉＮｂＯ_３であることを特徴とする請求項１に記載の電気光学素子。
3. Ｓｉ基板および積層膜の結晶配向性が、以下の方向に規定された条件を満たす積層構造を特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の電気光学素子。
   Ｓｉ（１１１）／ＺｒＯ_２（１１１）／Ｙ_２Ｏ_３（１１１）／イルメナイト型（００１）
4. 前記ＺｒＯ_２膜厚が２ｎｍ〜７５ｎｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電気光学素子。
5. 前記Ｙ_２Ｏ_３膜厚が５００ｎｍ〜２０００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電気光学素子。
6. 前記Ｙ_２Ｏ_３膜厚が８００ｎｍ〜１６００ｎｍであることを特徴とする請求項５に記載の電気光学素子。
7. 前記Ｓｉ基板の表面にＳｉ酸化物層が存在することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電気光学素子。
8. 前記イルメナイト構造膜において、Ｘ線回折により測定された（００６）反射のロッキングカーブの半値幅が０．５８°以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の電気光学素子。
9. 前記イルメナイト構造膜において、前記電気光学層の表面の平均面粗さが９．２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電気光学素子。
   
   

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