JP2001072498A - Oxide single crystal thin film and its processing - Google Patents

Oxide single crystal thin film and its processing

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JP2001072498A
JP2001072498A JP2000069863A JP2000069863A JP2001072498A JP 2001072498 A JP2001072498 A JP 2001072498A JP 2000069863 A JP2000069863 A JP 2000069863A JP 2000069863 A JP2000069863 A JP 2000069863A JP 2001072498 A JP2001072498 A JP 2001072498A
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thin film
single crystal
zno
ligao
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JP2000069863A
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Takao Ishii
隆生 石井
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To progress the two-dimensional growth of ZnO thin film, to grow the single crystal thin film having good crystallinity with little defects, and to maximumly draw out the exciton-localizing function of the ZnO thin film by using an oxide polar crystal LiGaO2 lattice-matching to the ZnO as a substrate, and further to provide an optical device by using the thin film. SOLUTION: A (001) substrate of LiGaO2 single crystal lattice-matching to ZnO and localizing the polarity to a single domain is used instead of a sapphire c-face substrate Al2O3 (0001)) providing extremely large lattice mismatch with the ZnO (0001). Zn1-xLixO (0<=x<=0.3) single crystal thin film is epitaxially grown on an oxygen surface on the (001) substrate of the LiGaO2 single crystal to provide the objective thin film. A wave guide having a transmission loss smaller than that of the wave guide of the ZnO single crystal thin film formed on the sapphire c-face substrate of a conventional substrate is produced by using the LiGaO2 (001) substrate crystal.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はウルツ鉱型の結晶構
造を有するガリウム酸リチウム(LiGaO2 )基板上
へZn1-X LiX O(0≦X<0.3)をエピタキシャ
ル成長させた酸化物単結晶薄膜に関し、さらに、LiG
aO2 基板上へ導波路層としてZn1-X LiX O(0≦
X<0.3)良質単結晶膜を用いた酸化物単結晶薄膜の
加工方法に関する。
The present invention relates to an oxide obtained by epitaxially growing Zn 1 -X Li X O (0 ≦ X <0.3) on a lithium gallate (LiGaO 2 ) substrate having a wurtzite crystal structure. Regarding the single crystal thin film, LiG
On the aO 2 substrate, Zn 1-x Li x O (0 ≦
X <0.3) A method for processing an oxide single crystal thin film using a good quality single crystal film.

【0002】[0002]

【従来の技術】最近サファイヤc面上にc軸配向させた
ZnO薄膜を成長させると、約50nm程度のクラスタ
ーを有する薄膜は低温でバルク単結晶よりも高い強度の
フォトルミネッセンスを示すばかりか室温において発光
することが見い出された。さらにポンプ光を大きくする
と室温で390nmでレーザー発振する。この発光のメ
カニズムは通常のバンド間遷移によるものではなく、ボ
ーア半径の小さいエキシトンが関与しており、いわゆる
エキシトン閉じ込めによるレーザー発振である。つま
り、ZnO薄膜の粒界によるキャリア閉じ込めと屈折率
変化による光閉じ込めにより低閾値で室温励起レーザー
発振が起るものと考えられる。しかしこのようなレーザ
ーの発振効率の向上のためには単結晶薄膜の結晶性の向
上が望まれる。
2. Description of the Related Art Recently, when a ZnO thin film having a c-axis orientation is grown on a sapphire c-plane, a thin film having a cluster of about 50 nm shows not only photoluminescence at a low temperature but higher intensity than a bulk single crystal, but also at room temperature. It was found to emit light. When the pump light is further increased, laser oscillation occurs at 390 nm at room temperature. The mechanism of this light emission is not based on the normal transition between bands, but involves excitons having a small Bohr radius, and is laser oscillation by so-called exciton confinement. That is, it is considered that room-temperature-excited laser oscillation occurs at a low threshold value due to carrier confinement due to the grain boundary of the ZnO thin film and light confinement due to a change in the refractive index. However, in order to improve the oscillation efficiency of such a laser, it is desired to improve the crystallinity of the single crystal thin film.

【0003】また、酸化亜鉛ZnOは圧電性を有するI
I−IV族半導体であり、その大きな圧電定数のために
超音波トランスデュサ−、表面弾性波フィルターなどの
機能デバイスに応用されている。最近、ZnOのZnの
一部をLiで置き換えると室温において強誘電性を示す
ことが見い出された(小野寺、日本物理学会誌53巻
(1998)p282)。このとき、通常半導体である
ZnOはLiをドープすると電気抵抗が約1010Ωcm
となり絶縁性を示す。この強誘電性の発現メカニズムは
不明であるがBaTiO3 に代表されるペロウスカイト
型強誘電体に見られるような大きな原子の変位や結晶対
称性の変化は見い出されておらず、電子系の変化が主因
であると推測されている。良質な単結晶薄膜を得るため
には格子整合の良好な基板結晶の上にエピタキシャル成
長させることが望ましい。
Further, zinc oxide ZnO has a piezoelectric property of I.
It is a group I-IV semiconductor and has been applied to functional devices such as ultrasonic transducers and surface acoustic wave filters due to its large piezoelectric constant. Recently, it has been found that when part of Zn in ZnO is replaced with Li, ferroelectricity is exhibited at room temperature (Onodera, Journal of the Physical Society of Japan 53 (1998) p282). At this time, when ZnO, which is usually a semiconductor, is doped with Li, the electrical resistance is about 10 10 Ωcm.
It becomes insulating. Although the mechanism of this ferroelectricity is unknown, large displacements of atoms and changes in crystal symmetry such as those found in perovskite ferroelectrics represented by BaTiO 3 have not been found. It is speculated to be the main cause. In order to obtain a good quality single crystal thin film, it is desirable to epitaxially grow on a substrate crystal with good lattice matching.

【0004】ZnOは優れた圧電性を示すとともに電気
光学効果、非線形光学効果も大きく、また薄膜化が比較
的容易なためこれらの効果を応用した導波路機能デバイ
スのための重要な材料である。ZnOのc軸配向膜はガ
ラスや溶融石英、SiO2 /Siなどの非結晶質を基板
として適当な条件でスパッタリングを行なうことによ
り、c軸が面内にほぼ垂直に配向した多結晶ZnO膜を
堆積することが可能である。また、単結晶膜はサファイ
ヤ(Al2O3)の(0001)基板上にスパッタリン
グまたは化学気相蒸着法(CVD)でエピタキシャル成
長させることにより作成される。
[0004] ZnO is an important material for a waveguide functional device utilizing these effects because ZnO exhibits excellent piezoelectricity, has a large electro-optic effect and a large nonlinear optical effect, and is relatively easy to be made thin. The c-axis oriented film of ZnO is made of a polycrystalline ZnO film in which the c-axis is oriented almost vertically in the plane by performing sputtering under appropriate conditions using an amorphous material such as glass, fused quartz, SiO 2 / Si as a substrate. It is possible to deposit. The single crystal film is formed on a (0001) sapphire (Al2O3) substrate by epitaxial growth by sputtering or chemical vapor deposition (CVD).

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来用いられ
るサファイヤc面基板{Al2 3 (0001)}とZ
nO(0001)との間の格子不整合は約18%と非常
に大きいため、ZnO薄膜が成長するものの、膜中の欠
陥が多いため発光効率が小さいという問題があった。ま
た、膜中の欠陥が多く結晶性の良好な膜が得られないと
いう問題があった。これは格子不整合が大きいため膜が
3次元的に基板上に成長するためである。また従来のサ
ファイヤは極性を有しないため、成長させた強誘電体薄
膜の極性を揃えることはできないという欠点があった。
However, the conventional sapphire c-plane substrates {Al 2 O 3 (0001)} and Z
Since the lattice mismatch with nO (0001) is as large as about 18%, a ZnO thin film grows, but there is a problem that luminous efficiency is low due to many defects in the film. In addition, there is a problem that a film having good crystallinity cannot be obtained due to many defects in the film. This is because the film grows three-dimensionally on the substrate due to large lattice mismatch. In addition, since conventional sapphire has no polarity, there is a disadvantage that the polarities of the grown ferroelectric thin films cannot be made uniform.

【0006】さらに、導波路伝播損失の向上のためには
単結晶薄膜の結晶性の向上が望まれる。従来用いられる
サファイヤc面基板{Al2 3 (0001)}とZn
O(0001)との間の格子不整合は18%と非常に大
きいためZnO薄膜が成長するものの、良質な単結晶膜
が得られず、このために導波路伝播損失は約0.3dB
/cm程度であった。
Further, it is desired to improve the crystallinity of the single crystal thin film in order to improve the waveguide propagation loss. Conventionally used sapphire c-plane substrate {Al 2 O 3 (0001)} and Zn
Since the lattice mismatch with O (0001) is as large as 18%, a ZnO thin film grows, but a high quality single crystal film cannot be obtained. Therefore, the waveguide propagation loss is about 0.3 dB.
/ Cm.

【0007】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、ZnOに格子整合する酸化物極性結晶LiG
aO2 を基板として用いることによりZnO薄膜の2次
元成長を進め、欠陥の少ない良好な結晶性を有する単結
晶薄膜を成長させZnO薄膜のエキシトン閉じ込め機能
を最大限に引き出し、この薄膜を用いた光デバイスを提
供できるようにすること、ZnOに格子整合する酸化物
極性結晶LiGaO2を基板として用いることによりZ
1-X LiX O薄膜の欠陥の少ない高品質単結晶薄膜を
成長し、分極方向を揃えて強誘電体薄膜の特性を最大限
に発現させることによりこの薄膜を用いたオプトエレク
トロニクスデバイスを提供できるようにすることを目的
とする。
The present invention has been made in view of the above points, and has been made of an oxide polar crystal LiG lattice-matched to ZnO.
By using aO 2 as a substrate, the two-dimensional growth of a ZnO thin film is promoted, a single crystal thin film having few defects and good crystallinity is grown, and the exciton confinement function of the ZnO thin film is maximized. Providing a device, and using an oxide polar crystal LiGaO 2 lattice-matched to ZnO as a substrate.
Providing an optoelectronic device using this thin film by growing a high-quality single-crystal thin film with few defects in the n 1-x Li x O thin film and aligning the polarization direction to maximize the characteristics of the ferroelectric thin film The purpose is to be able to.

【0008】さらに、本発明の他の目的はZnO(ne
=2.015、no =1.999@λ=633nm)に
格子整合する酸化物結晶LiGaO2 (nx =1.76
2、ny =1.731、nz =1.759@λ=633
nm)を基板として用いることにより高品位な結晶性を
有する単結晶薄膜を成長させ、ZnO薄膜の導波層とし
ての機能を最大限に引き出し、この薄膜を用いた導波路
光デバイスを提供できるようにすることである。
Still another object of the present invention is to provide ZnO ( ne
= 2.015, n o =1.999@λ=633nm) oxide crystal LiGaO 2 lattice-matched to (n x = 1.76
2, n y = 1.731, n z =1.759@λ=633
nm) as a substrate to grow a single crystal thin film having high quality crystallinity, maximize the function of the ZnO thin film as a waveguide layer, and provide a waveguide optical device using this thin film. It is to be.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明はZnOに格子整合する酸化物基板結晶Li
GaO2 を基板として用い、さらに最表面元素を規定し
た基板を用いることによりZnO単結晶薄膜をエピタキ
シャル成長させることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides an oxide substrate crystal Li that is lattice-matched to ZnO.
It is characterized in that a ZnO single crystal thin film is epitaxially grown by using GaO 2 as a substrate and further using a substrate in which the outermost surface element is specified.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】上記課題を解決するために本発明
の酸化物単結晶薄膜は、ウルツ鉱型の結晶構造を有する
単結晶基板上にZn1-X LiX O(0≦X<0.3)単
結晶薄膜をエピタキシャル成長させたことに特徴を有し
ている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In order to solve the above problems, an oxide single crystal thin film of the present invention is formed on a single crystal substrate having a wurtzite type crystal structure by using Zn 1-X Li X O (0 ≦ X <0). (3) The feature is that a single crystal thin film is epitaxially grown.

【0011】また、本発明の酸化物単結晶薄膜は、ウル
ツ鉱型の結晶構造を有する単結晶基板はLiGaO2
結晶の(001)基板であることに特徴を有している。
Further, the oxide single crystal thin film of the present invention is characterized in that the single crystal substrate having a wurtzite type crystal structure is a LiGaO 2 single crystal (001) substrate.

【0012】さらに、本発明の酸化物単結晶薄膜は、L
iGaO2 単結晶の(001)基板は極性が単一分域化
していることに特徴を有している。
Further, the oxide single crystal thin film of the present invention
The (001) substrate of iGaO 2 single crystal is characterized in that the polarity is single-domain.

【0013】また、本発明の酸化物単結晶薄膜は、Zn
1-X LiX O(0≦X<0.3)単結晶薄膜をエピタキ
シャル成長させる面は前記極性が単一分域化しているL
iGaO2 単結晶の(001)基板の酸素面であること
に特徴を有している。
Further, the oxide single crystal thin film of the present invention has a
The surface on which a 1-X Li X O (0 ≦ X <0.3) single crystal thin film is epitaxially grown has a single-domain L
It is characterized in that it is the oxygen plane of the (001) substrate of iGaO 2 single crystal.

【0014】本発明の酸化物単結晶薄膜の加工方法は、
極性に関して単一分域化したウルツ鉱型の酸化物単結晶
から切り出した(001)基板面に導波路層として酸化
亜鉛(ZnO)単結晶薄膜を用いることに特徴を有して
いる。
The method for processing an oxide single crystal thin film of the present invention comprises:
The present invention is characterized in that a zinc oxide (ZnO) single crystal thin film is used as a waveguide layer on a (001) substrate surface cut out from a wurtzite-type oxide single crystal having a single domain with respect to polarity.

【0015】また、本発明の酸化物単結晶薄膜の加工方
法は、ウルツ鉱型の結晶構造を有する酸化物単結晶の基
板面がLiGaO2 単結晶の(001)基板のうち酸素
面であることに特徴を有している。
Further, in the method for processing an oxide single crystal thin film according to the present invention, the substrate surface of the oxide single crystal having a wurtzite crystal structure is an oxygen surface of the LiGaO 2 single crystal (001) substrate. It has features.

【0016】さらに、本発明の酸化物単結晶薄膜の加工
方法は、酸性水溶液を用いて化学エッチングを行ない導
波路層の溝を形成することに特徴を有している。
Further, the method of processing an oxide single crystal thin film of the present invention is characterized in that a groove of a waveguide layer is formed by performing chemical etching using an acidic aqueous solution.

【0017】また、本発明の酸化物単結晶薄膜の加工方
法は、ウルツ鉱型の結晶構造を有する酸化物単結晶の基
板面がLiGaO2 単結晶の(001)基板のうち金属
面であることに特徴を有している。
In the method for processing an oxide single crystal thin film according to the present invention, the substrate surface of the oxide single crystal having a wurtzite type crystal structure is a metal surface of a LiGaO 2 single crystal (001) substrate. It has features.

【0018】さらに、本発明の酸化物単結晶薄膜の加工
方法は、塩基性水溶液を用いて化学エッチングを行ない
導波路層の溝を形成することに特徴を有している。
Further, the method of processing an oxide single crystal thin film of the present invention is characterized in that a groove is formed in a waveguide layer by performing chemical etching using a basic aqueous solution.

【0019】[0019]

【実施例】以下に本発明の作用を本発明をなすに際して
得た知見とともに説明する。単結晶薄膜の結晶性を向上
させるには格子整合基板を用いることが有効である。バ
ルクZnO単結晶の育成法は水熱法もしくはフラックス
法に限られるため良質で大形の単結晶育成は非常に困難
である。そこで本発明者はウルツ鉱型の酸化物材料を探
索し、LiGaO2 がZnOと類似の結晶構造を有する
ことに注目した。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The operation of the present invention will be described below together with the knowledge obtained when the present invention is carried out. In order to improve the crystallinity of the single crystal thin film, it is effective to use a lattice matching substrate. Since the method for growing bulk ZnO single crystals is limited to the hydrothermal method or the flux method, it is very difficult to grow high quality and large single crystals. Thus, the present inventors searched for a wurtzite-type oxide material and noticed that LiGaO 2 has a crystal structure similar to that of ZnO.

【0020】図1はLiGaO2 の結晶構造を、図2は
ZnOの結晶構造を、図3はZn1- X LiX Oの結晶構
造を示す。この図からZnをLiとGaで50%づつ置
き換えるとZnOからLiGaO2 が導かれることがわ
かる。さらに格子定数から見積もられる格子不整合率は
2.8%とサファイヤに比べると格段に小さく格子整合
基板と考えられた。そこで本発明者はこのLiGaO2
の大形単結晶を得るために回転引き上げ法による育成を
試みた。その結果c軸方向に引き上げた単結晶からc面
基板を切り出すと、この結晶は空間群Pna21 よりc
軸(z軸)に極性軸を有するため、極性反転を引き起こ
し、極性に関して多分域構造を形成することを見い出し
た。そこでこの極性反転を回避するための方法を検討
し、極性軸に垂直なa軸(x軸)またはb軸(y軸)方
向に引き上げることにより、極性に関して単一分域な単
結晶が育成できることを見い出した(特願平9−332
62)。
FIG. 1 shows the crystal structure of LiGaO 2 , FIG. 2 shows the crystal structure of ZnO, and FIG. 3 shows the crystal structure of Zn 1 -x Li x O. From this figure, it can be seen that when Zn is replaced by Li and Ga by 50%, LiGaO 2 is derived from ZnO. Further, the lattice mismatch rate estimated from the lattice constant was 2.8%, which was much smaller than that of sapphire, and was considered to be a lattice-matched substrate. Therefore, the present inventor has proposed this LiGaO 2
In order to obtain a large single crystal, growth was attempted by the rotation pulling method. When cutting the c-plane substrate of a single crystal was pulled on the results c-axis direction, the crystal c than space group Pna2 1
It has been found that having a polar axis on the axis (z-axis) causes polarity reversal and forms a multidomain structure with respect to polarity. Therefore, a method for avoiding this polarity reversal is studied, and a single crystal having a single domain with respect to polarity can be grown by pulling up in the a-axis (x-axis) or b-axis (y-axis) direction perpendicular to the polarity axis. (Japanese Patent Application No. 9-332)
62).

【0021】このようにして育成したLiGaO2 (0
01)基板においては、硝酸水溶液によるエッチング実
験と同軸型直衝突イオン散乱分光(CAICISS)に
よる終端表面元素の同定から、易エッチング面が酸素面
であり、難エッチング面が金属面であることが分かって
いる(図4)(石井他、応用物理学欧文誌37巻(19
98)p672)。この場合、基板の両面でエッチング
速度が約10倍異なる。
The thus grown LiGaO 2 (0
01) In the substrate, the etching experiment with a nitric acid aqueous solution and the identification of the terminal surface element by coaxial direct impact ion scattering spectroscopy (CAICISS) revealed that the easily etched surface was an oxygen surface and the hardly etched surface was a metal surface. (Fig. 4) (Ishii et al., Applied Physics European Journal, Volume 37 (19
98) p672). In this case, the etching rates on both sides of the substrate differ about 10 times.

【0022】また、上述の硝酸水溶液のように酸性のエ
ッチング液を用いる場合には、易エッチング面が酸素面
であり、難エッチング面が金属面であるが、塩基性のエ
ッチング液を用いれば、易エッチング面が金属面であ
り、難エッチング面が酸素面となる。
When an acidic etching solution such as the above-mentioned nitric acid aqueous solution is used, the easily-etched surface is an oxygen surface and the hardly-etched surface is a metal surface. The easily etched surface is a metal surface, and the hardly etched surface is an oxygen surface.

【0023】このようにしてあらかじめ基板表面の特性
が明らかな格子整合基板結晶を用いてZnO単結晶薄膜
の成長を行うにあたり本発明者は以下のことを考慮し
た。すなわち、LiGaO2 (001)の両方の面にお
いてZnO成長するが、酸素面上にZnOを成長させる
とZn−O−Zn−Oと成長するが金属面にZnOを成
長させると終端金属が2種類あり、従ってその化学結合
状態が複雑であり、その結果金属最表面のLiがZnO
に拡散していくことが予想される。したがってLiを含
まないZnO膜を作成する場合は酸素面上に成長させる
ことが有効である。すなわち酸素面が出た基板を用いる
ことが肝要である。
In growing a ZnO single crystal thin film using a lattice-matched substrate crystal whose characteristics of the substrate surface are apparent in advance, the present inventors considered the following. That is, ZnO grows on both surfaces of LiGaO 2 (001), but when ZnO grows on the oxygen surface, it grows as Zn—O—Zn—O, but when ZnO grows on the metal surface, two types of terminal metals are formed. And therefore its chemical bonding state is complicated, so that Li on the top surface of the metal is ZnO
It is expected to spread to. Therefore, when a ZnO film not containing Li is formed, it is effective to grow it on an oxygen surface. That is, it is important to use a substrate having an oxygen surface.

【0024】また、強誘電体の特性を最大限に引き出す
には極性の方向をそろえることが非常に重要である。本
発明においては基板と膜の結晶構造が類似しておりしか
も基板の極性が単一分域化されているため、膜の極性を
揃えることができる。LiGaO2 (001)の両方の
面(金属面、酸素面)においてZnO成長するが、金属
面にZnOを成長させる場合と酸素面にZnOを成長さ
せる場合で極性方向が逆転する。言い換えれば基板の極
性を最表面の違いにより規定することにより、成長した
膜の極性を規定できる。さらに極性が揃っているため大
きな誘電率が発現する。このことは従来基板であるサフ
ァイヤにおいては極性結晶でないため、膜の極性は制御
できず、従って誘電率は大きくならない。
In order to maximize the characteristics of the ferroelectric, it is very important to make the polar directions uniform. In the present invention, since the crystal structures of the substrate and the film are similar and the polarity of the substrate is made into a single domain, the polarity of the film can be made uniform. ZnO is grown on both surfaces (metal surface and oxygen surface) of LiGaO 2 (001), but the polarity direction is reversed between the case where ZnO is grown on the metal surface and the case where ZnO is grown on the oxygen surface. In other words, by defining the polarity of the substrate based on the difference in the outermost surface, the polarity of the grown film can be defined. Further, since the polarities are uniform, a large dielectric constant is developed. This is because sapphire, which is a conventional substrate, is not a polar crystal, so that the polarity of the film cannot be controlled, and thus the dielectric constant does not increase.

【0025】このような予想のもとに本発明者は、Li
GaO2 (001)基板上にZnO単結晶薄膜を成長さ
せるために、幾多の実験を重ねる過程においてLiGa
2(001)基板においては単一分域化した基板の酸
素面上に良質なZnO単結晶薄膜が成長することを見い
出し本発明をなすにいたった。また、幾多の実験を重ね
る過程においてLiGaO2 (001)基板においては
単一分域化した基板上に良質な極性の揃ったZn1-X
X O単結晶薄膜が成長することを見い出し本発明をな
すにいたった。
Based on such a prediction, the present inventor has proposed that Li
In order to grow a ZnO single crystal thin film on a GaO 2 (001) substrate, LiGa was used in a process of repeating many experiments.
In the case of the O 2 (001) substrate, it has been found that a high-quality ZnO single crystal thin film grows on the oxygen surface of a single-domain substrate. In addition, in the process of repeating a number of experiments, a LiGaO 2 (001) substrate was formed on a single-domain substrate with Zn 1 -X L of good quality and uniform polarity.
i X O single crystal thin film was completed the present invention found that growth.

【0026】図5は、本発明の実施例における酸化物単
結晶薄膜の加工方法の工程を示す説明図である。硝酸水
溶液のように酸性のエッチング液を用いる場合には、L
iGaO2 基板1の両面でエッチング速度に大きな違い
があるため、あらかじめレジスト2を用いて被加工層を
パターニングして開口部3を設けておき、化学エッチン
グにより埋め込み用の溝4を形成することができる。つ
ぎに適当な結晶成長法によりZnO5、すなわち、単結
晶ZnO薄膜を堆積させる。この時、エピタキシャル成
長したZnO膜の極性は下地基板の極性を受け継ぐこと
になる。そこで、適当なエッチング液を用いてメカノケ
ミカル研摩(mechano-chemical polishing:MCP)を
行なえば、基板表面側がエッチング速度が大きいため研
摩は容易で平滑な導波路6表面が作成できる。
FIG. 5 is an explanatory view showing the steps of a method for processing an oxide single crystal thin film according to an embodiment of the present invention. When an acidic etching solution such as an aqueous nitric acid solution is used, L
Since there is a large difference in the etching rate between the two surfaces of the iGaO 2 substrate 1, it is necessary to pattern the layer to be processed using the resist 2 in advance to provide the opening 3 and form the groove 4 for filling by chemical etching. it can. Next, ZnO5, that is, a single-crystal ZnO thin film is deposited by an appropriate crystal growth method. At this time, the polarity of the epitaxially grown ZnO film inherits the polarity of the underlying substrate. Therefore, if mechano-chemical polishing (MCP) is performed using an appropriate etchant, the etching speed is high on the substrate surface side, so that polishing is easy and a smooth waveguide 6 surface can be formed.

【0027】ここでエッチング液として酸性水溶液と塩
基性水溶液を使い分ければ、基板終端面が酸素面、金属
面どちらにおいても埋め込み型の導波路が形成できる。
このような予想のもとに本発明者は、LiGaO2 (0
01)基板上にZnO単結晶薄膜導波路を形成させるた
めに、幾多の実験を重ねる過程においてLiGaO
2 (001)基板においては単一分域化した基板上に高
品質なZnO単結晶導波路を作成できることを見い出し
本発明をなすに至った。
If an acidic aqueous solution and a basic aqueous solution are properly used as an etching solution, a buried waveguide can be formed regardless of whether the substrate end surface is an oxygen surface or a metal surface.
Based on such a prediction, the present inventor considered that LiGaO 2 (0
01) In order to form a ZnO single crystal thin film waveguide on a substrate, LiGaO
The present inventors have found that a high-quality ZnO single-crystal waveguide can be formed on a 2 (001) substrate on a single-domain substrate, and have accomplished the present invention.

【0028】(実施例1)ZnO薄膜をArFエキシマ
レーザー蒸着法により作成した。ターゲットは焼結した
ZnOペレット(30mmφ,5mmt)を用いた。レ
ーザパルスの周波数は1Hzとした。基板温度は720
℃とし、酸素分圧は10-4torrとし、膜厚約100
nm堆積した。結晶性の評価としてX線2結晶法により
ZnO(0002)のX線ロッキングカーブを測定し
た。用いた基板結晶は単一分域化したLiGaO2 (0
01)の酸素面および金属面を用いた。なお比較例とし
て格子不整合が大きな従来基板のサファイヤc面にも膜
を成長させた。また平坦性の評価を原子間力顕微鏡(A
FM)により行った。
Example 1 A ZnO thin film was formed by an ArF excimer laser deposition method. The target used was a sintered ZnO pellet (30 mmφ, 5 mmt). The frequency of the laser pulse was 1 Hz. Substrate temperature is 720
° C, an oxygen partial pressure of 10 -4 torr, and a film thickness of about 100
nm deposited. As an evaluation of crystallinity, an X-ray rocking curve of ZnO (0002) was measured by an X-ray two-crystal method. The substrate crystal used was LiGaO 2 (0
01) The oxygen surface and the metal surface were used. As a comparative example, a film was grown also on the sapphire c-plane of a conventional substrate having a large lattice mismatch. The flatness was evaluated by an atomic force microscope (A
FM).

【0029】表1にロッキングカーブの半値幅(FWH
M)とAFMより得られた平均粗さRmsを示す。 表1 基板 FWHM Rms LiGaO2 (001)の酸素面 80arcsec. 0.6nm LiGaO2 (001)の金属面 120arcsec. 1.8nm Al2 3 (0001) 430 arcsec. 5.0nm 以上の結果より単一分域化したLiGaO2 (001)
の酸素面上に成長させたZnO単結晶薄膜において良好
な結晶性が得られさらに従来のサファイヤに比ベて平坦
性も改良されていることが明らかになった。したがって
従来基板結晶であるサファイヤに比べてLiGaO
2 (001)基板はZnOに対する格子整合基板として
の有効性が判明した。
Table 1 shows the half width of the rocking curve (FWH).
M) and the average roughness Rms obtained from the AFM. Table 1 Substrate FWHM Rms Oxygen surface of LiGaO 2 (001) 80 arcsec. Metal surface of 0.6 nm LiGaO 2 (001) 120 arcsec. 1.8 nm Al 2 O 3 (0001) 430 arcsec. LiGaO 2 (001) with single domain from the results of 5.0 nm or more
It was clarified that the ZnO single crystal thin film grown on the oxygen plane had good crystallinity and improved flatness as compared with conventional sapphire. Therefore, compared with sapphire which is a conventional substrate crystal, LiGaO
2 The (001) substrate was found to be effective as a lattice-matched substrate for ZnO.

【0030】(実施例2)ZnO薄膜を分子線エピタキ
シー法により作成した。ZnをK−cellにより溶解
蒸発させた。さらに酸素源としてオゾンを用いた。酸素
分圧は10-5torrとし、膜厚約100nm堆積し
た。結晶性の評価としてX線2結晶法によりZnO(0
002)のX線ロッキングカーブを測定した。用いた基
板結晶は単一分域化したLiGaO2 (001)の酸素
面および金属面を用いた。なお比較例として格子不整合
が大きな従来基板のサファイヤc面にも膜を成長させ
た。また平坦性の評価をAFMにより行った。
(Example 2) A ZnO thin film was formed by a molecular beam epitaxy method. Zn was dissolved and evaporated by K-cell. Further, ozone was used as an oxygen source. The oxygen partial pressure was set to 10 -5 torr, and the film was deposited to a thickness of about 100 nm. As an evaluation of the crystallinity, ZnO (0
002) was measured. The substrate crystal used was a single domain LiGaO 2 (001) oxygen plane and metal plane. As a comparative example, a film was grown also on the sapphire c-plane of a conventional substrate having a large lattice mismatch. The flatness was evaluated by AFM.

【0031】表2にロッキングカーブの半値幅(FWH
M)とAFMより得られた平均粗さRmsを示す。 表2 基板 FWHM Rms LiGaO2 (001)の酸素面 74arcsec. 0.5nm LiGaO2 (001)の金属面 110arcsec. 1.6nm Al2 3 (0001) 430arcsec. 4.6nm 以上の結果より単一分域化したLiGaO2 (001)
の酸素面上に成長させたZnO単結晶薄膜において良好
な結晶性が得られさらに従来のサファイヤに比べて平坦
性も改良されていることが明らかになった。したがって
従来基板結晶であるサファイヤに比べLiGaO2 (0
01)基板はZnOに対する格子整合基板としての有効
性が判明した。
Table 2 shows the half width (FWH) of the rocking curve.
M) and the average roughness Rms obtained from the AFM. Table 2 Substrate FWHM Rms Oxygen surface of LiGaO 2 (001) 74 arcsec. Metal surface of 0.5 nm LiGaO 2 (001) 110 arcsec. 1.6 nm Al 2 O 3 (0001) 430 arcsec. LiGaO 2 (001) with single domain from results of 4.6 nm or more
It has been found that the ZnO single crystal thin film grown on the oxygen surface of Example 1 has good crystallinity and has improved flatness as compared with conventional sapphire. Therefore, compared with sapphire which is a conventional substrate crystal, LiGaO 2 (0
01) The substrate was found to be effective as a lattice-matched substrate for ZnO.

【0032】(実施例3)ZnO薄膜をECRスパッタ
ー法により作成した。ターゲットはZnを用いた。マイ
クロ波パワーおよびRFスパッターパワーはそれぞれ6
00Wおよび500Wとした。基板温度は500℃と
し、酸素分圧は5×10-4torrとし、膜厚約100
nm堆積した。結晶性の評価としてX線2結晶法により
ZnO(0002)のX線ロッキングカーブを測定し
た。用いた基板結晶は単一分域化したLiGaO2 (0
01)の酸素面および金属面を用いた。なお比較例とし
て格子不整合が大きな従来基板のサファイヤc面にも膜
を成長させた。また平坦性の評価をAFMにより行っ
た。
Example 3 A ZnO thin film was formed by ECR sputtering. The target used was Zn. Microwave power and RF sputter power are 6
00W and 500W. The substrate temperature was 500 ° C., the oxygen partial pressure was 5 × 10 −4 torr, and the film thickness was about 100
nm deposited. As an evaluation of crystallinity, an X-ray rocking curve of ZnO (0002) was measured by an X-ray two-crystal method. The substrate crystal used was LiGaO 2 (0
01) The oxygen surface and the metal surface were used. As a comparative example, a film was grown also on the sapphire c-plane of a conventional substrate having a large lattice mismatch. The flatness was evaluated by AFM.

【0033】表3にロッキングカーブの半値幅(FWH
M)とAFMより得られた平均粗さRmsを示す。 表3 基板 FWHM Rms LiGaO2 (001)の酸素面 98arcsec. 1.0nm LiGaO2 (001)の金属面 160arcsec. 2.5nm Al2 3 (0001) 580arcsec. 8.0nm 以上の結果より単一分域化したLiGaO2 (001)
の酸素面上に成長させたZnO単結晶薄膜において良好
な結晶性が得られさらに従来のサファイヤに比べて平坦
性も改良されていることが明らかになった。したがって
従来基板結晶であるサファイヤに比べLiGaO2 (0
01)基板はZnOに対する格子整合基板としての有効
性が判明した。
Table 3 shows the half width (FWH) of the rocking curve.
M) and the average roughness Rms obtained from the AFM. Table 3 Substrate FWHM Rms Oxygen surface of LiGaO 2 (001) 98 arcsec. Metal surface of 1.0 nm LiGaO 2 (001) 160 arcsec. 2.5 nm Al 2 O 3 (0001) 580 arcsec. A single domain LiGaO 2 (001) based on the result of 8.0 nm or more
It has been found that the ZnO single crystal thin film grown on the oxygen surface of Example 1 has good crystallinity and has improved flatness as compared with conventional sapphire. Therefore, compared with sapphire which is a conventional substrate crystal, LiGaO 2 (0
01) The substrate was found to be effective as a lattice-matched substrate for ZnO.

【0034】(実施例4)Zn1-X LiX O薄膜をAr
Fエキシマレーザー蒸着法により作成した。ターゲット
は焼結したZn0.8 Li0.2 Oペレット(30mmφ,
5mmt)を用いた。レーザパルスの周波数は1Hzと
した。基板温度は720℃とし、酸素分圧は10-4to
rrとし、膜厚約100nm堆積した。結晶性の評価と
してX線2結晶法によりZnO(0002)のX線ロッ
キングカーブを測定した。用いた基板結晶は単一分域化
したLiGaO2 (001)の酸素面および金属面を用
いた。なお比較例として格子不整合が大きな従来基板の
サファイヤc面にも膜を成長させた。また膜の分域構造
を硝酸水溶液を用いたエッチングにより調べた。
(Example 4) A Zn 1-x Li x O thin film was coated with Ar
It was prepared by an F excimer laser evaporation method. The target was a sintered Zn 0.8 Li 0.2 O pellet (30 mmφ,
5 mmt). The frequency of the laser pulse was 1 Hz. The substrate temperature is 720 ° C., and the oxygen partial pressure is 10 −4 to
rr and a film thickness of about 100 nm was deposited. As an evaluation of crystallinity, an X-ray rocking curve of ZnO (0002) was measured by an X-ray two-crystal method. The substrate crystal used was a single domain LiGaO 2 (001) oxygen plane and metal plane. As a comparative example, a film was grown also on the sapphire c-plane of a conventional substrate having a large lattice mismatch. The domain structure of the film was examined by etching using a nitric acid aqueous solution.

【0035】表4にロッキングカーブの半値幅(FWH
M)と分域構造を示す。 表4 基板 FWHM 分域構造 LiGaO2 (001)の酸素面 250arcsec. 単一分域 LiGaO2 (001)の金属面 260arcsec. 単一分域 Al2 3 (0001) 1680 arcsec. 多分域 以上の結果より単一分域化したLiGaO2 (001)
の酸素面上に成長させたZn1-X LiX O単結晶薄膜に
おいて良好な結晶性が得られさらに従来のサファイヤに
比べて分域構造が単一分域化されていることが明らかに
なった。したがって従来基板結晶であるサファイヤに比
べLiGaO2 (001)基板はZn1- X LiX Oに対
する格子整合基板としての有効性が判明した。
Table 4 shows the half width (FWH) of the rocking curve.
M) and the domain structure. Table 4 Substrate FWHM domain structure Oxygen surface of LiGaO 2 (001) 250 arcsec. Metal surface of single domain LiGaO 2 (001) 260 arcsec. Single domain Al 2 O 3 (0001) 1680 arcsec. Multi-domain LiGaO 2 (001) made into a single domain from the above results
It was found that the Zn 1-X Li X O single crystal thin film grown on the oxygen surface of Example 1 had good crystallinity, and that the domain structure was single-domain compared to conventional sapphire. Was. Therefore, it was found that the LiGaO 2 (001) substrate was more effective as a lattice matching substrate for Zn 1 -x Li x O than sapphire, which is a conventional substrate crystal.

【0036】(実施例5)Zn0.8 Li0.2 O薄膜を分
子線エピタキシー法により作成した。Zn、LiをK−
cellにより溶解蒸発させた。さらに酸素源としてラ
ジカルビーム源による酸素ラジカルを用いた。酸素分圧
は10-5torrとし、膜厚約100nm体積した。結
晶性の評価としてX線2結晶法によりZnO(000
2)のX線ロッキングカーブを測定した。用いた基板結
晶は単一分域化したLiGaO2 (001)の酸素面お
よび金属面を用いた。なお比較例として格子不整合が大
きな従来基板のサファイヤc面にも膜を成長させた。ま
た膜の分域構造を硝酸水溶液を用いたエッチングにより
調べた。
Example 5 A Zn 0.8 Li 0.2 O thin film was formed by a molecular beam epitaxy method. Zn and Li are K-
Dissolved and evaporated by cell. Further, oxygen radicals generated by a radical beam source were used as an oxygen source. The oxygen partial pressure was 10 −5 torr, and the film thickness was about 100 nm. As an evaluation of crystallinity, ZnO (000
The X-ray rocking curve of 2) was measured. The substrate crystal used was a single domain LiGaO 2 (001) oxygen plane and metal plane. As a comparative example, a film was grown also on the sapphire c-plane of a conventional substrate having a large lattice mismatch. The domain structure of the film was examined by etching using a nitric acid aqueous solution.

【0037】表5にロッキングカーブの半値幅(FWH
M)と分域構造を示す。 表5 基板 FWHM 分域構造 LiGaO2 (001)の酸素面 220arcsec. 単一分域 LiGaO2 (001)の金属面 200arcsec. 単一分域 Al2 3 (0001) 1530 arcsec. 多分域 以上の結果より単一分域化したLiGaO2 (001)
の酸素面上に成長させたZn1-X LiX O単結晶薄膜に
おいて良好な結晶性が得られさらに従来のサファイヤに
比べて分域構造が単一分域化されていることが明らかに
なった。したがって従来基板結晶であるサファイヤに比
べLiGaO2 (001)基板はZn1- X LiX Oに対
する格子整合基板としての有効性が判明した。
Table 5 shows the half width (FWH) of the rocking curve.
M) and the domain structure. Table 5 Substrate FWHM domain structure Oxygen surface of LiGaO 2 (001) 220 arcsec. Metal surface of single domain LiGaO 2 (001) 200 arcsec. Single domain Al 2 O 3 (0001) 1530 arcsec. Multi-domain LiGaO 2 (001) made into a single domain from the above results
It was found that the Zn 1-X Li X O single crystal thin film grown on the oxygen surface of Example 1 had good crystallinity, and that the domain structure was single-domain compared to conventional sapphire. Was. Therefore, it was found that the LiGaO 2 (001) substrate was more effective as a lattice matching substrate for Zn 1 -x Li x O than sapphire, which is a conventional substrate crystal.

【0038】(実施例6)Zn1-X LiX O薄膜をEC
Rスパッター法により作成した。ターゲットはZn0.7
Li0.3 Oを用いた。マイクロ波パワーおよびRFスパ
ッターパワーはそれぞれ600Wおよび500Wとし
た。基板温度は500℃とし、アルゴン、酸素分圧は5
×10-4torrとし、膜厚約100nm堆積した。結
晶性の評価としてX線2結晶法によりZnO(000
2)のX線ロッキングカーブを測定した。用いた基板結
晶は単一分域化したLiGaO2 (001)の酸素面お
よび金属面を用いた。なお比較例として格子不整合が大
きな従来基板のサファイヤc面にも膜を成長させた。ま
た膜の分域構造を硝酸水溶液を用いたエッチングにより
調べた。
Example 6 A Zn 1-x Li x O thin film was subjected to EC
It was prepared by the R sputtering method. Target is Zn 0.7
Li 0.3 O was used. Microwave power and RF sputter power were 600 W and 500 W, respectively. The substrate temperature is 500 ° C., the partial pressure of argon and oxygen is 5
The deposition was set to × 10 -4 torr and the film thickness was about 100 nm. As an evaluation of crystallinity, ZnO (000
The X-ray rocking curve of 2) was measured. The substrate crystal used was a single domain LiGaO 2 (001) oxygen plane and metal plane. As a comparative example, a film was grown also on the sapphire c-plane of a conventional substrate having a large lattice mismatch. The domain structure of the film was examined by etching using a nitric acid aqueous solution.

【0039】表6にロッキングカーブの半値幅(FWH
M)と分域構造を示す。 表6 基板 FWHM 分域構造 LiGaO2 (001)の酸素面 280arcsec. 単一分域 LiGaO2 (001)の金属面 250arcsec. 単一分域 Al2 3 (0001) 2850 arcsec. 多分域 以上の結果より単一分域化したLiGaO2 (001)
の酸素面上に成長させたZn1-X LiX O単結晶薄膜に
おいて良好な結晶性が得られさらに従来のサファイヤに
比べて分域構造が単一分域化されていることが明らかに
なった。したがって従来基板結晶であるサファイヤに比
べLiGaO2 (001)基板はZn1- X LiX Oに対
する格子整合基板としての有効性が判明した。
Table 6 shows the half width of the rocking curve (FWH).
M) and the domain structure. Table 6 Substrate FWHM domain structure Oxygen surface of LiGaO 2 (001) 280 arcsec. Metal surface of single domain LiGaO 2 (001) 250 arcsec. Single domain Al 2 O 3 (0001) 2850 arcsec. Multi-domain LiGaO 2 (001) made into a single domain from the above results
It was found that the Zn 1-X Li X O single crystal thin film grown on the oxygen surface of Example 1 had good crystallinity, and that the domain structure was single-domain compared to conventional sapphire. Was. Therefore, it was found that the LiGaO 2 (001) substrate was more effective as a lattice matching substrate for Zn 1 -x Li x O than sapphire, which is a conventional substrate crystal.

【0040】(実施例7)単一分域化した結晶から切り
出したLiGaO2 単結晶の(001)基板のうち酸素
面側に有機レジストを用いてパターンニングを行ない、
90℃の硝酸水溶液に浸して所定の深さだけエッチング
を行なった。その後、レジストを溶かして基板に導波路
の溝を形成した。つぎにZnO薄膜をArFエキシマレ
ーザ蒸着法により作成した。ターゲットは焼結したZn
Oペレット(30mmφ,5mmt)を用いた。レーザ
パルスの周波数は1Hzとした。基板温度は720℃と
し、酸素分圧は10-4torrとし、所定の膜厚だけ堆
積した。その後、MCPを行ない、溝以外に堆積したZ
nO膜を除くともに平滑な導波路表面を形成した。導波
路特性として導波路伝播損失(dB/cm)を測定し
た。なお比較例として格子不整合が大きな従来基板のサ
ファイヤc面にも膜を成長させて導波路を作成して評価
した。
(Example 7) A LiGaO 2 single crystal (001) substrate cut from a single-domain crystal was patterned with an organic resist on the oxygen side,
The substrate was immersed in a 90 ° C. nitric acid aqueous solution and etched to a predetermined depth. Then, the groove of the waveguide was formed in the substrate by dissolving the resist. Next, a ZnO thin film was formed by ArF excimer laser evaporation. The target is sintered Zn
O pellets (30 mmφ, 5 mmt) were used. The frequency of the laser pulse was 1 Hz. The substrate temperature was set to 720 ° C., the oxygen partial pressure was set to 10 −4 torr, and a predetermined film thickness was deposited. After that, MCP is performed, and Z
Except for the nO film, a smooth waveguide surface was formed. Waveguide propagation loss (dB / cm) was measured as waveguide characteristics. As a comparative example, a waveguide was prepared by growing a film on the sapphire c-plane of a conventional substrate having a large lattice mismatch, and evaluated.

【0041】表7に導波路伝播損失を示す。 表7 基板 導波路伝播損失(dB/cm) LiGaO2 (001)の酸素面 0.12 Al2 3 (0001) 0.38 以上の結果より単一分域化したLiGaO2 (001)
の酸素面上に成長させたZnO単結晶薄膜導波路におい
て良好な伝播損失が得られさらに従来のサファイヤに比
べても改良されていることが明らかになった。したがっ
て従来基板結晶であるサファイヤに比ベLiGaO
2 (001)基板はZnOに対する格子整合基板として
の有効性が判明した。
Table 7 shows the waveguide propagation loss. Table 7 Substrate Waveguide propagation loss (dB / cm) Oxygen surface of LiGaO 2 (001) 0.12 Al 2 O 3 (0001) 0.38 Based on the above results, LiGaO 2 (001) which is made into a single domain
It was found that good propagation loss was obtained in the ZnO single crystal thin film waveguide grown on the oxygen plane, and that the waveguide was improved as compared with the conventional sapphire. Therefore, compared to the conventional substrate crystal, sapphire, LiGaO
2 The (001) substrate was found to be effective as a lattice-matched substrate for ZnO.

【0042】(実施例8)単一分域化した結晶から切り
出したLiGaO2 単結晶の(001)基板のうち酸素
面側に有機レジストを用いてパターンニングを行ない、
95℃の硝酸水溶液に浸して所定の深さだけエッチング
を行なった。その後、レジストを溶かして基板にさせて
導波路の溝を形成した。つぎにZnO薄膜を分子線エピ
タキシー法により作成した。Znを電子銃(E−gu
n)により溶解蒸発させた。さらに酸素源としてラジカ
ル酸素を用いた。基板温度は670℃とし、酸素分圧は
10-5torrとし、所定の膜厚だけ堆積した。その
後、MCPを行ない、溝以外に堆積したZnO膜を除く
ともに平滑な導波路表面を形成した。導波路特性として
導波路伝播損失(dB/cm)を測定した。なお比較例
として格子不整合が大きな従来基板のサファイヤc面に
も膜を成長させて導波路を作成して評価した。
(Embodiment 8) A LiGaO 2 single crystal (001) substrate cut from a single-domain crystal was patterned with an organic resist on the oxygen side,
The substrate was immersed in a 95 ° C. nitric acid aqueous solution and etched to a predetermined depth. After that, the resist was melted to form a substrate to form a groove of the waveguide. Next, a ZnO thin film was formed by a molecular beam epitaxy method. Using Zn as an electron gun (E-gu
Dissolution evaporation according to n). Further, radical oxygen was used as an oxygen source. The substrate temperature was set to 670 ° C., the oxygen partial pressure was set to 10 −5 torr, and a predetermined film thickness was deposited. After that, MCP was performed to remove the ZnO film deposited in the portions other than the grooves and to form a smooth waveguide surface. Waveguide propagation loss (dB / cm) was measured as waveguide characteristics. As a comparative example, a waveguide was prepared by growing a film on the sapphire c-plane of a conventional substrate having a large lattice mismatch, and evaluated.

【0043】表8に導波路伝播損失を示す。 表8 基板 導波路伝播損失(dB/cm) LiGaO2 (001)の酸素面 0.09 Al2 3 (0001) 0.40 以上の結果より単一分域化したLiGaO2 (001)
の酸素面上に成長させたZnO単結晶薄膜導波路におい
て良好な伝播損失が得られさらに従来のサファイヤに比
べても改良されていることが明らかになった。したがっ
て従来基板結晶であるサファイヤに比ベLiGaO
2 (001)基板はZnOに対する格子整合基板として
の有効性が判明した。
Table 8 shows the waveguide propagation loss. Table 8 Substrate Waveguide propagation loss (dB / cm) Oxygen surface of LiGaO 2 (001) 0.09 Al 2 O 3 (0001) 0.40 Based on the above results, LiGaO 2 (001) with a single domain
It was found that good propagation loss was obtained in the ZnO single crystal thin film waveguide grown on the oxygen plane, and that the waveguide was improved as compared with the conventional sapphire. Therefore, compared to the conventional substrate crystal, sapphire, LiGaO
2 The (001) substrate was found to be effective as a lattice-matched substrate for ZnO.

【0044】(実施例9)単一分域化した結晶から切り
出したLiGaO2 単結晶の(001)基板のうち酸素
面側に有機レジストを用いてパターンニングを行ない、
95℃の硝酸水溶液に浸して所定の深さだけエッチング
を行なった。その後、レジストを溶かして基板にさせて
導波路の溝を形成した。つぎにZnO薄膜をECRスパ
ッター法により作成した。ターゲットはZnを用いた。
マイクロ波パワーおよびRFスパッターパワーはそれぞ
れ600Wおよび500Wとした。基板温度は500℃
とし、酸素分圧は5×10-4torrとし、所定の膜厚
だけ堆積した。その後、CPを行ない、溝以外に堆積し
たZnO膜を除くともに平滑な導波路表面を形成した。
導波路特性として導波路伝播損失(dB/cm)を測定
した。なお比較例として格子不整合が大きな従来基板の
サファイヤc面にも膜を成長させて導波路を作成して評
価した。
(Example 9) A LiGaO 2 single crystal (001) substrate cut from a single-domain crystal was patterned with an organic resist on the oxygen side,
The substrate was immersed in a 95 ° C. nitric acid aqueous solution and etched to a predetermined depth. After that, the resist was melted to form a substrate to form a groove of the waveguide. Next, a ZnO thin film was formed by an ECR sputtering method. The target used was Zn.
Microwave power and RF sputter power were 600 W and 500 W, respectively. Substrate temperature is 500 ℃
The oxygen partial pressure was set to 5 × 10 −4 torr, and a predetermined film thickness was deposited. After that, CP was performed to remove the ZnO film deposited in the portions other than the grooves and to form a smooth waveguide surface.
Waveguide propagation loss (dB / cm) was measured as waveguide characteristics. As a comparative example, a waveguide was prepared by growing a film on the sapphire c-plane of a conventional substrate having a large lattice mismatch, and evaluated.

【0045】表9に導波路伝播損失を示す。 表9 基板 導波路伝播損失(dB/cm) LiGaO2 (001)の酸素面 0.13 Al2 3 (0001) 0.39 以上の結果より単一分域化したLiGaO2 (001)
の酸素面上に成長させたZnO単結晶薄膜導波路におい
て良好な伝播損失が得られさらに従来のサファイヤに比
べても改良されていることが明らかになった。したがっ
て従来基板結晶であるサファイヤに比ベLiGaO
2 (001)基板はZnOに対する格子整合基板として
の有効性が判明した。
Table 9 shows the waveguide propagation loss. Table 9 Substrate Waveguide propagation loss (dB / cm) Oxygen surface of LiGaO 2 (001) 0.13 Al 2 O 3 (0001) 0.39 Based on the above results, LiGaO 2 (001) with a single domain
It was found that good propagation loss was obtained in the ZnO single crystal thin film waveguide grown on the oxygen plane, and that the waveguide was improved as compared with the conventional sapphire. Therefore, compared to the conventional substrate crystal, sapphire, LiGaO
2 The (001) substrate was found to be effective as a lattice-matched substrate for ZnO.

【0046】上述の酸化物単結晶薄膜の加工方法の実施
例では、エッチング液として酸性水溶液の硝酸水溶液を
用いたが、酸性水溶液と塩基性水溶液を使い分けること
ができる。また、ZnO単結晶薄膜を用いたが、Zn
1-x Lix O(0≦X<0.3)単結晶薄膜にも適用で
きる。
In the above embodiment of the method for processing an oxide single crystal thin film, an acidic aqueous solution of nitric acid is used as an etching solution. However, an acidic aqueous solution and a basic aqueous solution can be selectively used. Although a ZnO single crystal thin film was used, ZnO
It can be applied to a 1-x Li x O (0 ≦ X <0.3) single crystal thin film.

【0047】上記実施の形態は一つの例示であって、本
発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、種々の変更ある
いは改良を行い得ることはいうまでもない。たとえば本
発明によりその応用分野は異なるものの、BeO単結晶
薄膜の形成も可能となる。
The above embodiment is one example, and it goes without saying that various changes or improvements can be made without departing from the technical idea of the present invention. For example, the present invention enables the formation of a BeO single crystal thin film, although the application field is different.

【0048】[0048]

【発明の効果】以上説明したようにLiGaO2 (00
1)基板結晶を用いることにより従来基板であるサファ
イヤc面基板上に成長したZnO単結晶薄膜より結晶性
の良好な膜を成長できた。よって本発明はZnOによる
エキシトン閉じ込めレーザの発振効率向上におおきな貢
献をなす効果を有するものである。また、LiGaO2
(001)基板結晶を用いることにより従来基板である
サファイヤc面基板上に成長したZn1-X LiX O単結
晶薄膜より結晶性の良好な膜を成長できた。さらに単一
分域の基板を用いて、強誘電体膜の極性を揃えることが
できた。よって本発明はLiドープZnO強誘電体薄膜
の高品質化をもたらし、さらに基板が透明であることか
らその薄膜結晶を使ったオプトエレクトロニクスデバイ
スに大きな貢献をなす効果を有するものである。さら
に、以上説明したようにLiGaO2 (001)基板結
晶を用いることにより従来基板であるサファイヤc面基
板上に作成したZnO単結晶薄膜導波路より伝播損失の
小さい導波路が作成可能になった。よって本発明はZn
O単結晶薄膜導波路の性能向上に大きな貢献をなす効果
を有するものである。
As described above, LiGaO 2 (00)
1) By using a substrate crystal, a film having better crystallinity than a ZnO single crystal thin film grown on a conventional sapphire c-plane substrate could be grown. Therefore, the present invention has an effect of greatly contributing to improvement of the oscillation efficiency of the exciton confined laser by ZnO. In addition, LiGaO 2
By using the (001) substrate crystal, a film having better crystallinity could be grown than a Zn 1-x Li x O single crystal thin film grown on a sapphire c-plane substrate, which is a conventional substrate. Furthermore, the polarity of the ferroelectric film could be made uniform by using a single-domain substrate. Therefore, the present invention has the effect of improving the quality of the Li-doped ZnO ferroelectric thin film and, further, since the substrate is transparent, greatly contributing to an optoelectronic device using the thin film crystal. Further, as described above, by using the LiGaO 2 (001) substrate crystal, a waveguide having a smaller propagation loss than a ZnO single crystal thin film waveguide formed on a conventional sapphire c-plane substrate can be formed. Therefore, the present invention
This has the effect of greatly contributing to the improvement of the performance of the O single crystal thin film waveguide.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の酸化物単結晶薄膜におけるLiGaO
2 の結晶構造を示す図である。
FIG. 1 shows LiGaO in an oxide single crystal thin film of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a crystal structure of No. 2 .

【図2】本発明の酸化物単結晶薄膜におけるZnOの結
晶構造を示す図である。
FIG. 2 is a view showing a crystal structure of ZnO in an oxide single crystal thin film of the present invention.

【図3】本発明の酸化物単結晶薄膜におけるZn1-X
X Oの結晶構造を示す図である。
FIG. 3 shows Zn 1- XL in the oxide single crystal thin film of the present invention.
is a diagram showing the crystal structure of i X O.

【図4】本発明の実施例におけるLiGaO2 の酸素面
と金属面を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing an oxygen surface and a metal surface of LiGaO 2 in an example of the present invention.

【図5】本発明の実施例における酸化物単結晶薄膜の加
工方法の工程を示す説明図である。
FIG. 5 is an explanatory view showing steps of a method for processing an oxide single crystal thin film in an example of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 LiGaO2 基板 2 レジスト 3 開口部 4 溝 5 ZnO 6 導波路REFERENCE SIGNS LIST 1 LiGaO 2 substrate 2 resist 3 opening 4 groove 5 ZnO 6 waveguide

フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G02F 1/03 501 G02F 1/355 501 5F043 1/035 1/365 5F103 1/355 501 H01L 21/363 1/365 G02B 6/12 N H01L 21/306 M 21/363 H01L 21/306 B Fターム(参考) 2H047 NA02 NA08 PA03 PA04 PA24 QA02 2H079 AA02 AA12 BA01 BA03 CA05 DA03 DA22 EA02 2K002 CA02 CA22 DA06 FA02 HA02 HA13 4G077 AA03 BB07 BC60 DA03 DA05 DA12 ED05 ED06 HA01 SC01 4K029 AA04 AA24 BA49 BA50 BB09 BC07 BD00 CA01 CA05 DB05 DB08 DB20 DC03 DC35 5F043 AA40 BB30 FF01 GG10 5F103 AA01 AA04 AA08 DD30 GG01Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat II (reference) G02F 1/03 501 G02F 1/355 501 5F043 1/035 1/365 5F103 1/355 501 H01L 21/363 1/365 G02B 6/12 N H01L 21/306 M 21/363 H01L 21/306 B F term (reference) 2H047 NA02 NA08 PA03 PA04 PA24 QA02 2H079 AA02 AA12 BA01 BA03 CA05 DA03 DA22 EA02 2K002 CA02 CA22 DA06 FA02 HA02 HA13 4G077 AA03 BB07 BC02 DA05 DA12 ED05 ED06 HA01 SC01 4K029 AA04 AA24 BA49 BA50 BB09 BC07 BD00 CA01 CA05 DB05 DB08 DB20 DC03 DC35 5F043 AA40 BB30 FF01 GG10 5F103 AA01 AA04 AA08 DD30 GG01

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ウルツ鉱型の結晶構造を有する単結晶基
板上にZn1-X Li X O(0≦X<0.3)単結晶薄膜
をエピタキシャル成長させたことを特徴とする酸化物単
結晶薄膜。
1. A single crystal group having a wurtzite type crystal structure
Zn on plate1-XLi XO (0 ≦ X <0.3) single crystal thin film
Oxides characterized by epitaxially growing
Crystal thin film.
【請求項2】 前記ウルツ鉱型の結晶構造を有する単結
晶基板はLiGaO 2 単結晶の(001)基板であるこ
とを特徴とする請求項1記載の酸化物単結晶薄膜。
2. A single bond having the wurtzite-type crystal structure
Substrate is LiGaO TwoIt must be a single crystal (001) substrate
The oxide single crystal thin film according to claim 1, wherein:
【請求項3】 前記LiGaO2 単結晶の(001)基
板は極性が単一分域化していることを特徴とする請求項
2記載の酸化物単結晶薄膜。
3. The oxide single crystal thin film according to claim 2, wherein the (001) substrate of the LiGaO 2 single crystal has a single domain.
【請求項4】 Zn1-X LiX O(0≦X<0.3)単
結晶薄膜をエピタキシャル成長させる面は前記極性が単
一分域化しているLiGaO2 単結晶の(001)基板
の酸素面であることを特徴とする請求項3記載の酸化物
単結晶薄膜。
4. A surface on which a Zn 1-X Li X O (0 ≦ X <0.3) single crystal thin film is epitaxially grown is formed on a (001) substrate of a single-domain LiGaO 2 crystal having a single polarity. 4. The oxide single crystal thin film according to claim 3, wherein the oxide single crystal thin film is a plane.
【請求項5】極性に関して単一分域化したウルツ鉱型の
酸化物単結晶から切り出した(001)基板面に導波路
層として酸化亜鉛(ZnO)単結晶薄膜を用いることを
特徴とする酸化物単結晶薄膜の加工方法。
5. An oxide characterized in that a zinc oxide (ZnO) single crystal thin film is used as a waveguide layer on a (001) substrate surface cut out from a wurtzite-type oxide single crystal having a single domain with respect to polarity. Processing method of single crystal thin film.
【請求項6】ウルツ鉱型の結晶構造を有する酸化物単結
晶の基板面がLiGaO2 単結晶の(001)基板のう
ち酸素面であることを特徴とする請求項5記載の酸化物
単結晶薄膜の加工方法。
6. The oxide single crystal according to claim 5, wherein the substrate surface of the oxide single crystal having a wurtzite crystal structure is an oxygen surface of a (001) substrate of LiGaO 2 single crystal. Processing method of thin film.
【請求項7】酸性水溶液を用いて化学エッチングを行な
い導波路層の溝を形成することを特徴とする請求項6記
載の酸化物単結晶薄膜の加工方法。
7. The method for processing an oxide single crystal thin film according to claim 6, wherein a groove of the waveguide layer is formed by performing chemical etching using an acidic aqueous solution.
【請求項8】ウルツ鉱型の結晶構造を有する酸化物単結
晶の基板面がLiGaO2 単結晶の(001)基板のう
ち金属面であることを特徴とする請求項5記載の酸化物
単結晶薄膜の加工方法。
8. The oxide single crystal according to claim 5, wherein the substrate surface of the oxide single crystal having a wurtzite type crystal structure is a metal surface of a LiGaO 2 single crystal (001) substrate. Processing method of thin film.
【請求項9】塩基性水溶液を用いて化学エッチングを行
ない導波路層の溝を形成することを特徴とする請求項8
記載の酸化物単結晶薄膜の加工方法。
9. The groove of the waveguide layer is formed by performing chemical etching using a basic aqueous solution.
The method for processing an oxide single crystal thin film according to the above.
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