JPH0543399A - 薄膜機能部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 目的とする結晶性が良い酸化物単結晶薄膜を
有する薄膜機能部材を提供すること。 【構成】 絶縁性を有する基板１上に、ＳｉやＧｅを含
有する物質の単結晶薄膜２を形成し、その上に中間層３
を設けた後、酸化物単結晶薄膜４を設けた薄膜機能部材
であって、特に、中間層の結晶系が立方晶で、格子定数
のずれがＳｉやＧｅを含有する上記単結晶薄膜の１５％
以下である薄膜機能部材。

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、高速トランジスタ、低抵抗配線材等に利用できる
薄膜機能部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術においては単結晶基板上に種々
の酸化物単結晶薄膜を設け機能性デバイスに応用してき
た。しかしデバイスの歩留まり、ジャイアントエレクト
ロニクスに対応した大面積化には対応することが困難で
ある。例えば、Ｓｉウェハーにおいては１０インチサイ
ズの物ができてはいるが一般的には６〜８インチのもの
が主流となっている。マンマシンインターフェースの概
念からいえば紙のサイズすなわちＡ₅〜Ａ₀、Ｂ₅〜Ｂ₀サ
イズのデバイスが必要になる。しかしながら従来の技術
において単結晶化を試みようとすれば最大サイズでも１
０インチウェハーが限界であろう。本発明においてはま
ずこの問題を解決することを試みた。従来技術において
ガラス等の基板上に溶融再結晶化法によりＳｉあるいは
Ｇｅ薄膜を形成する技術がある。この方式は大面積にＳ
ｉ及びＧｅ薄膜が得られる利点がある。本発明において
はこの方式を改良して応用した。Ｓｉ、Ｇｅを成長させ
ることは従来技術では簡易であるが、方位コントロール
を行うことは困難である。さらに本発明においては基板
表面の目的の場所において上部に形成するデバイスに対
応した方位を選定できるのは従来技術にはない。さらに
ＳｉとＧｅの比率を変えることにより上部に形成する薄
膜材料の格子定数と整合をとることも可能になった。

【０００３】次に、従来技術においてはＳｉ原子あるい
はＧｅ原子の少なくとも一方を有する基板上に酸化物、
薄膜を形成することは非常に困難である。なぜならばＳ
ｉ及びＧｅ基板は常温大気中では非常に安定な酸化膜が
形成されており、仮にこの酸化膜を取り除いたとしても
酸化物薄膜の形成の際には再度ＳｉあるいはＧｅが酸化
し、酸化膜がエピタキシャル成長されなくなってしま
う。この問題を解決するために従来技術においては (1) 酸化膜が常時蒸発する温度で酸化物薄膜を形成する
方法、(2)酸化膜をエッチングするガスを酸化物薄膜の
形成の際流し、エッチングと堆積の競争反応をおこさせ
る方法、の二つの方法が主に採用されていた。しかし、
これらの方法はプロセス温度が高かったり、プロセスコ
ントロールが困難であるので、安定に酸化物薄膜を形成
できなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、大面積で、
しかも結晶方位が調節できるＳｉ及びＧｅを基層とし、
酸化皮膜生成による障害を生じない薄膜機能部材を提供
しようとするものである

【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
膜機能部材である。これを要約すれば、ＳｉあるいはＧ
ｅ原子の少なくとも一方を有する薄膜上に酸素を含まな
い薄膜を中間層として形成し、かつ、その薄膜は酸化さ
れにくい材料で構成されるような材料を用い、その上部
に酸化物薄膜を形成する。また、この中間層はＳｉある
いはＧｅ原子の少なくとも一方を有する単結晶薄膜に対
して格子定数のずれが１５％以下であると、この中間層
上部に形成された酸化物薄膜の結晶性及び表面性が非常
に良好になる。

【０００６】本薄膜機能部材についての詳細を以下に説
明する。

【０００７】本機能部材を形成する絶縁性基板として
は、単結晶、多結晶、非晶質のどれを用いてもよい。絶
縁性基板は表面が絶縁性であればよく、例えば、導電性
材料の表面を絶縁性材料でコーティングしたものでもよ
い。また導電性材料の表面を酸化、窒化、炭化等を行い
絶縁性にしたものでもよい。絶縁性の定義としては上部
に形成する単結晶薄膜の抵抗率より２桁以上大きく好ま
しくは３桁以上がよい。絶縁性基板材料の具体例として
は、単結晶のものとして、α−Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＦ₂、Ｓ
ｒＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃等が挙げられ、
多結晶のものとしては前記材料のセラミックス、Ａｌ
Ｎ、Ｙ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＭｇＯ等が挙げられ、非晶質と
してはＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＣ等が挙げられる。

【０００８】導電性材料に被覆したものとしては導電性
材料としてＡｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、ＮｉＣｒ、Ｍ
Ｏ等があげられ被覆材料としてＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄など
があげられる。絶縁性材料としては、前記に無機材料を
記載したが有機材料、有機と無機材料の混合物でもよ
い。また、フェルミーレベルを禁止帯中間付近に移動さ
せた高抵抗の無機材料、例えば単結晶高抵抗Ｓｉ、Ｓｉ
Ｃ、ＢＮ等でもよい。

【０００９】絶縁性材料上に単結晶Ｓｉ_XＧｅ_1-X（０≦
ｘ≦１）を形成する方法は、絶縁性材料が単結晶、多結
晶と非晶質の２つに大きく区別される。絶縁性材料が単
結晶の場合は、上部に形成するＳｉ_XＧｅ_1-X層はエピタ
キシャル成長させることが好ましい。エピタキシャル成
長する手法としては蒸着法、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、
スパッタ法、ＭＢＥ法等があげられる。すでにエピタキ
シャル成長させる方法として気相成長法を記載したが固
相成長法、液相成長法等が可能である。しかし絶縁性基
板よりエピタキシャル成長させる手法では請求項２にあ
るような同一平面上に異なる方位面で形成させることは
難しく、以下に示す手法によらなければならない。

【００１０】絶縁性基板が多結晶あるいは非晶質の場合
は、エピタキシャル成長をさせることは困難であり、従
来行われていた溶融再結晶化法を用いる。溶融再結晶化
法は絶縁性基板上に多結晶あるいは非晶質のＳｉ_XＧｅ
_1-X薄膜を推積し、この表面をＳｉ_XＧｅ_1-X薄膜が溶融
する温度以上の温度を有する熱源で加熱し、ある一定の
速度で帯域溶融するものである。帯域溶融する熱源とし
ては、ワイヤーピーターランプ、レーザー、カーボンヒ
ータ等が挙げられる。帯域溶融する熱源の温度、移動速
度などによって絶縁性基板を一定温度に保持する必要が
ある。保持温度としては２５℃〜１５００℃の範囲が良
く、好ましくは３００℃〜１０００℃が良い。溶融再結
晶化の際の条件、例えば熱源温度、移動速度、保持温度
等を変化させることによってＳｉ_XＧｅ_1-Xの結晶性が絶
縁性基板２次元表面上において種々の方位面を有する。
この方式により大面積基板上にも単結晶薄膜を形成でき
る。この単結晶薄膜は単層でもよく多層でもよい。多層
の場合は例えば、Ｓｉを溶融再結晶化法により形成し、
その上部にエピタキシャル成長法によりＳｉ_XＧｅ_1-Xを
形成させてもよい。また２次元平面上に単層及び多層部
が混在していてもよい。

【００１１】多層構造にする目的としては熱膨脹ひずみ
の除去、格子不整合の除去、光学的バンドギャップの変
化などである。特に格子不整合、光学的バンドギャップ
の変化等をスムーズに行う目的で量子効果を利用しても
よい。量子効果を利用する際は、これらの多層膜の膜厚
は２０Å〜２００Å程度がよく、好ましくは５０〜１０
０Å程度がよい。多層構成の層数は１〜１００層の範囲
でよく量子効果を効率的にするためには１００００層に
なる場合もある。

【００１２】このＳｉ_XＧｅ_1-X上に酸化物機能性薄膜を
形成すると従来技術の問題点であるようにＳｉ_XＧｅ_1-X
表面が酸化してしまい、酸化物機能性薄膜がエピ成長で
きない。そのためＳｉ_XＧｅ_1-X表面上に中間層が必要と
なる。この中間層はＳｉ_XＧｅ_1-Xとの格子定数差が１５
％以下のものが必要となる。格子定数差の定義は（Ｓｉ
の格子定数−中間層の格子定数）×１００／Ｓｉの格子
定数（％）とする。Ｓｉ_XＧｅ_1-X層と接する中間層とし
ては酸素を含まない材料が必要となる。このような材料
としてはＺｎ原子を含むＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ｚｎ（Ｓ、
Ｓｅ）、ＺｎＭｎＳｅ、Ｇａ原子を含むＧａＰ、ＡｌＧ
ａＡｓ、ＧａＮその他の材料としてＩｎＰ、ＡｌＡｓ、
ＡｌＰ等があげられる。また電気的性質としてこの中間
層が絶縁物である必要がある場合は、フッ素原子を含む
ものが好ましい。例えば、ＣａＦ₂、ＳｒＦ₂、Ｂａ
Ｆ₂、（Ｃａ、Ｓｒ）Ｆ₂、（Ｃａ、Ｂａ）Ｆ₂、（Ｓ
ｒ、Ｂａ）Ｆ₂等である。しかし、これらの層はＳｉ_XＧ
ｅ_1-X（１００面）上に配向しにくく、多層構成を考慮
する必要がある。多層構成としては前記半導体材料上に
これらのフッ素原子を含む材料を形成する方法などが考
えられ、基板材とのマッチングを考慮して、格子定数配
向性のしやすさ、熱膨脹係数などから多層膜を機能分離
する必要がある。これらの中間層の膜厚は、単層の場合
１０〜２０００Å好ましくは３０〜１０００Åがよい。
多層構成の場合、量子効果を考慮した場合は、１０〜２
００Å好ましくは２０〜１００Åがよい。これらの中間
層は単純に下部層と上部層との接合界面のマッチングを
よくする目的ばかりではなく、これ自身は機能素子とし
て動作させる場合もある。この中間層の作製法がＭＢＥ
法、ＡＬＥ法、ＭＯＣＶＤ法、スパッタリング法、熱Ｃ
ＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法等があげられ
る。

【００１３】次に本構成の主要機能を満足する酸化物薄
膜を推積する。本願では酸化物薄膜の一例であるＰｂを
含む強誘電体薄膜及びＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇超伝導薄膜を例
にとり説明する。強誘電体薄膜としては、ＰｂＴｉ
Ｏ₃、（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成で作製
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。
これらの層を多層とする場合は、量子効果を利用する方
法とその他の方法がある。量子効果を利用する場合１０
Å〜２００Å好ましくは２０〜１００Åがよい。この層
を１００〜５０００層形成すると量子効果デバイスとし
ての応用が可能である。またこれらの層を圧電性、強誘
電性に分離し、多層化することも可能である。これらの
層の作製方法は、ＭＢＥ法、ＡＬＥ法、ＥＢ蒸着法、Ｍ
ＯＣＶＤ法、スパッタリング法、熱ＣＶＤ法等があげら
れる。これらの構成を図１に示す。これは絶縁性基板１
上に順次Ｓｉ_XＧｅ_1-X層２、中間層３、酸化物単結晶薄
膜４を有するものである。ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇超電導薄膜
はＰｂ系強誘電体薄膜と同様な構成で作製できるが、作
製法としてはレーザーアベレーション法、スパッタリン
グ法、ＭＯＣＶＤ法が好ましい。また、中間層とこれら
の機能性層の間にこれらの層の接合性を向上する目的で
酸化物バッファー層５を設けてもよい。これらの単結晶
酸化物層としてはＳｉＯ、ＳｉＮ、Ｙ₂Ｏ₃、γ−Ａｌ₂
Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃、Ｌ
ｉＭｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＭｇＡｌＯ₄等があげられ
る。

【００１４】これらの構成を図２に示す。

【００１５】

【実施例】以下、実施例によって本発明を具体的に説明
する。

【００１６】実施例１ １ｍｍ厚の石英基板上にＳｉＨ₄ガスを分解するＣＶＤ
法によりポリシリコンを形成し、その上部にＳｉＯ₂キ
ャップ層を形成した。この構成の部材Ａを図３に示すよ
うにヒーターＡにより１０００℃に加熱し、部材上部に
位置した１６００℃に加熱したカーボンヒーターを矢印
の方向に１ｍｍ／ｓｅｃで移動させる。その後ＳｉＯ₂
キャップ層をＨＦ溶液にて除去した。除去後のＳｉ薄膜
の方位面は（１００）面を示していた。

【００１７】この部材Ａを数枚準備し、格子定数の異な
る中間層をＭＯＣＶＤ法により２０００Å形成した。装
置の排圧は１０^-9Torrとし、実際に膜を作製している圧
力は５０Torrとした。中間層としては表１に示す材料を
用いた。Ｓｉ薄膜の格子定数は５．４３２Åであり、ウ
エハーＳｉと比較するとやや大きい。これは石英とＳｉ
薄膜間の熱膨脹ひずみと考えられる。使用した中間層は
ダイヤモンド、ＧａＡｓ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＣｄＴｅ
を用いた。これら各種中間層形成後、ＭＯＣＶＤ法によ
りＰｂＴｉＯ₃薄膜を１μｍの厚さに形成した。この薄
膜形成後のエピ成長の可否と表面性を表１に示す。

【００１８】表面性の評価は、×：Ｒｍａｘ＞５μｍ、 ○：０．５μｍ＜Ｒｍａｘ＜５μｍ、 ☆：０．５μｍ＞Ｒｍａｘ とした。

【００１９】

【表１】

【００２０】表１からわかるように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。

【００２１】実施例２ 実施例１に示すように、格子定数差が１９％以上におい
てはＰｂ系酸化物がエピ成長せず、表面性も悪いことが
分かったが、本実施例では部材ＡとしてＳｉを用い、こ
の部材Ａと中間層との格子定数差との臨界値を示す。実
施例１において作製した部材Ａ上に格子定数の異なる中
間層としてＣｄ_XＺｎ_(1-X)Ｔｅを２０００Å成長させ
た。成長方法としてはＭＯＣＶＤ法を用い背圧、真空度
は実施例と同様である。Ｘの変化に対する結晶性、表面
性を表２に示す。

【００２２】

【表２】

【００２３】この表から分かるように、格子定数差が部
材Ａに対して１５％を超えると結晶性、表面性ともに低
下することが分かる。したがって部材Ａに対する格子定
数差は１５％以下が好ましい。

【００２４】実施例３ 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。この場合Ｐｂ系酸化物と中間層の間に酸
化物バッファ層を形成するとよい。この実施例３におい
てはこの酸化物バッファ層の効果について記載する。

【００２５】実施例１で作製した部材Ａ上にＺｎＳｅ
（１００）を中間層として形成し、この上部にＭＢＥ法
によりＹ₂Ｏ₃層を２００Å形成した。このＹ₂Ｏ₃層上に
（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｎ、Ｔｉ）Ｏ₃薄膜を１μｍＭＢＥ
法にて形成する。この層の付加により、（Ｐｂ、Ｌａ）
（Ｚｎ、Ｔｉ）Ｏ₃膜の密着性が、この層がない場合に
比較して、２５％程度向上した。

【００２６】実施例４ 部材Ａの形成の際、カーボンヒーターの加熱温度を変化
させると図４に示すような２つの方位面を有する部材Ａ
が得られた。部材ＡのＸ面上に実施例１に示すようなＰ
ｂ系酸化物薄膜を形成し、Ｙ面上には後に記述する光ス
イッチ駆動用のトランジスタを形成し、両デバイスを駆
動させるに十分な表面性と結晶性が得られた。

【００２７】前記Ｐｂ系単結晶薄膜は強誘電部材として
使用するに十分な表面性を有する。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挙げられる。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系
単結晶薄膜はＳｉ、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デバイスを作製することも
できる。

【００２８】光スイッチ素子とエレクトロルミネセンス
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型スイッチについて説
明する。

【００２９】図３の手法によって作製した石英基板上の
Ｓｉ_XＧｅ_1-X薄膜基板上に結晶系が立方晶で格子定数が
５．２〜５．９ÅであるＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ（Ｓ
ｅ）、ＣａＳ、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、Ｉｎ
Ｐ、ＳｒＦ₂、ＣａＦ₂等のうちいずれか一層又は複数層
の中間層を１０〜３００００Åの膜厚でエピタキシャル
成長させる。作製法としては、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ
法、ＡＬＥ法が好ましい。この上部に密着性及び中間層
での光の吸収を減少させる目的で屈折率がＰｂ系酸化物
単結晶薄膜より小さいＹ₂Ｏ₃、Ｌａ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｔ
ｉＯ₂、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃、ＬｉＮｂ
Ｏ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄などの単結晶酸化物バ
ッファ層を形成する。この膜の膜厚は１００〜１０００
０Åが好ましい。

【００３０】この上部に（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ₃、Ｐｂ
（Ｚｎ、Ｔｉ）Ｏ₃、（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｎ、Ｔｉ）Ｏ₃
等のＰｂ原子を含むペロブスカイト構造強誘電体膜を１
層又は複数層を膜厚１００〜３００００Åの範囲でＭＢ
Ｅ法、ＭＯＣＶＤ法、ＡＬＥ法、プラズマＣＶＤ法等に
より形成する。次に上部バッファ層として多結晶または
アモルファスのＴａ₂Ｏ₅、ＳｉＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂等
を１００〜５０００Å形成し、その上部に電極層として
Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、ＩＴＯ、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＳｎＯ₂を真空
蒸着法、スパッタリング法等で形成する。この光スイッ
チを動作させる駆動回路をＳｉ_XＧｅ_1-X層上に形成する
ことが可能である。

【００３１】次に本部材を応用した二重絶縁形ＥＬ素子
を例にあげて示す。

【００３２】部材Ａ上に、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ｚｎ
（Ｓ、Ｓｅ）、ＣａＳ、ＳｎＳ、ＧａＰ、ＡｌＧａＡ
ｓ、ＧａＡｓ、ＣａＦ₂、ＳｒＦ₂、ＢａＦ₂等の材料で
１層又は複数層からなる中間層を厚さ１０〜３００００
Å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光スイッチで用いたものと同じもの
を使用した。この中間層上に前記誘電体層を１層又は複
数層１００〜１００００Åの範囲で結晶性良く成長させ
る。上記誘電体層上に単結晶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Ｃｕを添加したＺｎＳ：Ｃｕ系材料、また
は希土類フッ化物（ＴｂＦ₃、ＥｒＦ₃、ＮｄＦ₃、Ｓｍ
Ｆ₃）を添加した材料等が用いられる。また、ＳｒＳ、
ＣａＳを母材とし、発光中心にＣｅ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｅ
ｒ、Ｍｎを添加した材料等も用いられる。これらの発光
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ＳｉＯ₂、ＳｉＯＮ、Ｓｉ₃Ｎ
₄、ＺｎＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ₃、Ｙ₂Ｏ₃、
ＴａＯ₅、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１
００〜１００００Åで設ける膜作製法としてはＭＢＥ
法、ＡＬＥ法、スパッタ法、ＥＢ法等が用いられる。

【００３３】実施例５ 石英基板上に形成された部材Ａ上にＺｎＳを中間層とし
てＴＩＲ型光スイッチを作製した。部材Ａは（１００）
面を有している。この部材上にＺｎＳ中間層をＭＢＥ法
により基板温度５００℃で厚さ５００Å形成した。中間
層はジンクブレンド構造で（１００）面の良好な配向を
示した。

【００３４】次に（Ｐｂ₀.₈₄Ｌａ₀.₁₆）（Ｚｒ₀.₅Ｔ
ｉ₀.₅）₀.₉₆Ｏ₃組成の誘電体層をＭＯＣＶＤ法で４００
０Å形成した。誘電体層はペロブスカイト構造で（１０
０）面を有し、良好な表面性が得られた。これを図５に
示すようにイオンビームでエッチングして幅２５μｍ、
交差角２°、厚さ６００Åのリッジ形導波路を形成し
た。さらに交差部には導波路損失を防ぐためバッファ層
としてＴａ₂Ｏ₅薄膜をスパッタリング法により２０００
Å形成した。その上部に駆動用のＡｌプレーナ電極を長
さ１．７ｍｍ、幅５μｍの電極ギャップを持たせ、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ＧａＰ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１１ｄＢであった。

【００３５】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、ＰＬＺＴ薄膜は（１１
０）（１０１）（１００）（００１）面が混在した多結
晶体で駆動電圧３０Ｖと高い電圧を印加しないとスイッ
チング動作が可能にならず消光比は５ｄＢを不十分なも
のであった。

【００３６】実施例６ 石英基板上に形成された部材Ａ上に（結晶方位面１００
面）ＧａＡｓを中間層としてＥＬ素子を作製した。部材
Ａ上にＧａＡｓ中間層を基板温度５００℃でＭＢＥ法に
より膜厚３００Å形成する。膜はジンクブレンド構造で
（１００）の面方位を持つ。次に、ＰｂＴｉＯ₃誘電体
層をスパッタリング法で基板温度５３０℃で膜厚３００
０Å形成する。

【００３７】誘電体層はペロブスカイト構造で面方位は
（００１）である。次にＭＯＣＶＤ法により、ＺｎＳ：
Ｍｎ（Ｍｎ０．５ａｔ％）発光層を基板温度４５０℃で
膜厚３０００Å形成する。発光層はジンクブレンド構造
で、面方位は（１００）である。さらに、Ｓｉ₃Ｎ₄上部
絶縁層をプラズマＣＶＤ法により、基板温度２５０℃で
膜厚３０００Å形成した。この上部絶縁層は、非晶質膜
である。

【００３８】最後にＩＴＯ透明導電膜をスパッタリング
法で基板温度２５０℃で膜厚２０００Å形成した。図６
に全体構造を示す。

【００３９】上記方法で作製したＥＬ素子で透明電極で
あるＩＴＯとＳｉ単結晶基板とのあいだに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ＥＬ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。

【００４０】比較のため、図７に示すように実施例５の
素子からＧａＡｓ、中間層を省いた構成の素子を作っ
た。Ｓｉ単結晶上に直接成膜したＰｂＴｉＯ₃膜は（１
１０）（１０１）（１００）（００１）配向を示し、多
結晶体であった。次のＺｎＳ：Ｍｎ発光層もジンクブレ
ンド構造で（２２０）と（３３１）配向を持つ多結晶体
であった。

【００４１】実施例５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３５００ｃｄ／ｍ²で
あった。

【００４２】実施例６と比較例の結果を比較すると、実
施例６のほうが最大発輝度が大きく、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６の
発光層の結晶性が比較例より良好であるためと考えら
れ、本発明の中間層の効果により結晶性のよいＰｂＴｉ
Ｏ₃膜が得られ、結晶性のよいＺｎＳ：Ｍｎ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６の場合、ＰｂＴｉＯ₃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。

【００４３】実施例７ 図４に示す部材Ｂ上のＹ面に応用実施例１の手法を用い
てＰＬＺＴ光スイッチを作製し、Ｘ面にバイポーラトラ
ンジスタを形成した。作製した素子の図を図８に示す。

【００４４】

【発明の効果】以上、説明したように、石英基板上に溶
融再結晶化法等で方位制御したＳｉ_XＧｅ_1-X層上に中間
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
せることができる。その結果、誘電体膜の特性を最大限
に利用した素子を作製できる。

【００４５】さらにＳｉ_XＧｅ_1-X層上に誘電体膜によっ
て作製された素子を駆動する素子も形成でき、誘電体膜
上部に他の材料をさらに形成することが可能になる。こ
れらの素子を融合させることにより高品質の薄膜機能デ
バイスを同一面上に複合化させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】

【図２】本発明の薄膜機能部材の具体的構成を示す断面
の模式図、

【図３】実施例１で行ったＳｉＯ₂キャップ層の形成方
法を示す説明図、

【図４】実施例４で説明した部材Ａの形式方法の説明
図、

【図５】実施例５で説明したデバイスの模式図、

【図６】実施例６で説明したデバイスの模式図、

【図７】実施例６で説明した比較例のデバイスの模式
図、

【図８】実施例７で説明したデバイスの模式図である。

【符号の説明】

１ 絶縁性基板 ２ Ｓｉ_XＧｅ_1-X層 ３ 中間層 ４ 酸化物単結晶薄膜 ５ 酸化物バッファ−層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性を有する基板上に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薄膜層
   上に、結晶系が立方晶で格子定数のずれが単結晶薄膜の
   １５％以下である中間層を少なくとも一層有し、この中
   間層上に酸化物単結晶薄膜を有することを特徴とする薄
   膜機能部材。
2. 【請求項２】 絶縁性を有する基板上にＳｉ原子あるい
   はＧｅ原子のうち少なくとも１種を有する単結晶薄膜を
   形成する際に、この薄膜の上部に作製する各種の機能部
   材の最適特性に対応した結晶方位を、この単結晶薄膜形
   成時に同一平面上において形成し、これらの単結晶薄膜
   の結晶方位の数種の中の少なくとも１種の上部に結晶系
   が立方晶で格子定数のずれが単結晶薄膜の１５％以下で
   ある中間層を介した酸化物薄膜を形成し、この酸化物薄
   膜を用いて作製した機能素子に電気的、光学的に結合し
   た受動及び能動素子が絶縁性基板、Ｓｉ原子あるいはＧ
   ｅ原子の少なくとも一方を有する単結晶薄膜上の少なく
   とも一方に形成されていることを特徴とする薄膜機能部
   材。