JP2004287281A

JP2004287281A - 光素子およびその製造方法

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Publication number: JP2004287281A
Application number: JP2003081434A
Authority: JP
Inventors: Masao Watabe; 雅夫渡部
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2023-03-24
Also published as: JP4506088B2

Abstract

【課題】光導波路素子の電気光学特性を損なうことなく、強誘電体薄膜からなる光導波路に接触するインジウム含有透明酸化物電極を形成することができる光素子とその製造方法の提供。
【解決手段】基板上に形成された導波路上に電極を形成した構造の光素子において、該電極はインジウム含有透明酸化物からなりそのキャリア密度は１×１０^１９ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３未満で、かつ（２２２）の結晶面が基板表面に対して優先的に配向し、かつ結晶面（２１１）／結晶面（２２２）のＸ線回折強度比が１／５０未満である光素子。この光素子の製造においては、透明酸化物電極がスパッタリングにより形成される。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光ピックアップ等に用いられる光素子とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光素子には、音響光学効果を利用した光制御素子（非特許文献１）、電気光学効果を利用した光制御素子等が存在する。電気光学効果を利用した光制御素子の一つに、Ｐｂ_１−ｘＬａ_ｘ（Ｚｒ_１−ｙＴｉ_ｙ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３（ＰＬＺＴ）、ＬｉＮｂＯ_３、ＫＮｂＯ_３等の強誘電体材料に電圧を印可することにより光導波路中の屈折率を変化させる電気光学スイッチがある。
かかる光制御素子としては、従来、プリズム偏向素子（非特許文献２）や、Ｔｉ拡散導波路やプロトン交換光導波路を作製したＬｉＮｂＯ_３ウェハーを用いて形成したドメイン反転光偏向素子（非特許文献３）や、プリズム型電極光偏向素子（特許文献１）等いくつか提案されている。更には、電気光学結晶の一部領域に所定の電界を形成する一対の電極によりコヒーレント光を偏向する光御素子（特許文献２）、電気光学結晶上に装荷型クラツド層と電極とを形成することで光の偏向分離やスイッチングを行う光制御素子（特許文献３）が開示されいてる。
【０００３】
ここで、これらの制御用電極としては、Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔ等の金属やＳｒＲｕＯ_３，ＲｕＯ_３等の酸化物導電体、ＩＴＯ，ＳｎＯ，ＺｎＯ等の酸化物透明導電体を用いることが考えられる。しかしながら上部透明電極の材料に金属や酸化物導電体を用いた場合には、光導波路上に積層した電極により導波光の一部が吸収されるという問題が生じ、導波光には導波路面に電界の方向が平行なＴＥモード光と垂直なＴＭモード光の二つがあるが、特にＴＭモード光に関して、この電極による伝播損失が大きくなる。
【０００４】
伝播損失だけに着目すれば、例えば、光導波路を形成する強誘電体層と電極の間に屈折率が小さく透明な誘電体膜を導入しても、伝搬損失を低減することが可能となる。しかし、この場合には、導波路へ印可される実効電圧の低下をまねき、駆動電圧の増大を引き起こす。そこで、上部透明電極の材料として、低吸収係数でかつ光導波路に対して低い屈折率を持つ酸化物透明導電体を用いて、電極による伝播損失を著しく低減すると同時に、導波路へ印加される実効電圧の低下を防止している。
この酸化物透明導電体の中でもインジウム含有透明酸化物は、薄膜の安定性、パターニング容易性、低抵抗等の優位な特性を持ち、半導体プロセスの中でも多く用いられてきたが、赤外領域においては光学的吸収を生じ、特に石英ファイバーを用いた光通信システムで用いられる１．３〜１．５μｍ付近の領域でそれが大きくなり、実用的には困難であるという問題があった。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｃ．Ｓ．ＴｓａｉａｎｄＰ．Ｌｅ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．６０（１９９２）４３１．
【非特許文献２】
Ａ．Ｙａｒｉｖ，ＮｅｗＹｏｒｋ，ＲｉｎｅｈａｒｔａｎｄＷｉｎｓｔｏｎ，（１９９１）３３６．
【非特許文献３】
Ｑ．Ｃｈｅｎ，ｅｔａｌ．，Ｊ．ＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈ．ｖｏｌ．１２（１９９４）１４０１．
【特許文献１】
特開昭６２−４７６２７号公報
【特許文献２】
特開平５−１３４２７５号公報
【特許文献３】
特開平５−２８１５８３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、導波損失が少なく、良好な導波特性を示すことができる光素子とその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の光素子は、基板上に形成された導波路上に電極を形成した構造の光素子において、該電極はインジウム含有透明酸化物からなりそのキャリア密度は１×１０^１９ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３未満で、かつ（２２２）の結晶面が基板表面に対して優先的に配向し、結晶面（２１１）／結晶面（２２２）のＸ線回折強度比が１／５０未満であることを特徴とする光素子である。
請求項１に記載の光素子は、透明酸化物電極をスパッタリングにより形成することが好ましく、スパッタリングは、酸素圧力のアルゴン圧力に対する比（酸素圧力／アルゴン圧力）が０．１以上１０以下の条件下で行われることが好ましい。また、このスパッタリングの成膜速度は０．１μｍ／ｈｒ以上１０μｍ／ｈｒ以下であることが好ましく、スパッタリング時の基板温度は、０〜３００℃の範囲を保持することが好ましい。また、透明酸化物電極を１０ｎｍ以上１０μｍ未満の膜厚で形成することが好ましい。
以上の条件で光素子を作製することにより、キャリア密度を１×１０^２１ｃｍ^−３未満と低下させ、赤外領域での吸収を低下させると共に、（２２２）高配向で結晶面（２１１）／結晶面（２２２）のＸ線回折強度比が１／５０未満となるような結晶性を得ることで移動度を向上させ、更にキャリア密度を１×１０^１９ｃｍ^−３以上とすることで抵抗率を損なわない薄膜を得ることができる。
また、本発明の光素子は、前記電極形成工程において、前記電極形成工程はエッチング法及びリフトオフ法等の種々の方法により形成されたものであってもよい。
特に、本発明は、基板裏面に形成された下部電極と、電気光学効果を有するエピタキシャルまたは単一配向性の強誘電体薄膜からなる光導波路と、インジウムを含む酸化物導電体からなり、前記光導波路上に前記下部電極と対向するように形成され、前記下部電極との間に電圧を印加する上部透明電極とを備えた光制御素子に好適に使用されるものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に光制御素子の一例である基板裏面に形成された下部電極と、電気光学効果を有するエピタキシャルまたは単一配向性の強誘電体薄膜からなる光導波路と、インジウムを含む酸化物導電体からなり、前記光導波路上に前記下部電極と対向するように形成され、前記下部電極との間に電圧を印加する上部透明電極とを備えた素子の形態を示す。
【０００９】
（光導波路形成工程）
本発明の光素子の製造方法の第１の工程は、基板上に強誘電体薄膜からなる光導波路を形成する光導波路形成工程である。
本発明において使用する基板としては、下部電極としても用いることができる導電性または半導電性の単結晶基板が好ましく、導電性または半導電性のエピタキシャルまたは単一配向性の薄膜を表面に設けた基板も好適に用いられる。
導電性または半導電性の単結晶基板としては、ＮｂやＬａなどをドープしたＳｒＴｉＯ_３、ＡｌドープＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＲｕＯ_２、ＢａＰｂＯ_３、ＳｒＲｕＯ_３、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ、ＳｒＶＯ_３、ＬａＮｉＯ_３、Ｌａ_０．_５Ｓｒ_０．_５ＣｏＯ_３、ＺｎＧａ_２Ｏ_４、ＣｄＧａ_２Ｏ_４、ＣｄＧａ_２Ｏ_４、Ｍｇ_２ＴｉＯ_４、ＭｇＴｉ_２Ｏ_４などの酸化物、Ｓｉ，Ｇｅ，ダイアモンドなどの単体半導体、ＡｌＡｓ，ＡｌＳｂ，ＡｌＰ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＡｌＧａＰ，ＡｌＬｎＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＡｓＳｂ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＳｂ，ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＡｓＳｂなどのＩＩＩ−Ｖ系の化合物半導体、ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＣａＳｅ，ＣｄＴｅ，ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅ，ＣｄＳなどのＩＩ−ＶＩ系の化合物半導体、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇなどの金属などが挙げられるが、上部に配置する光導波路の材料との相性が良いことから、酸化物を用いることが好ましい。
【００１０】
エピタキシャルまたは単一配向性の導電性または半導電性の薄膜を基板表面に設ける場合、表面に設けられる薄膜材料には、ＳｒＴｉＯ_３、ＢａＴｉＯ_３、ＢａＺｒＯ_３、ＬａＡｌＯ_３、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３８％−ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＯなどの酸化物、Ｓｉ，Ｇｅ，ダイアモンドなどの単体半導体、ＡｌＡｓ，ＡｌＳｂ，ＡｌＰ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＡｌＧａＰ，ＡｌＬｎＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＡｓＳｂ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＳｂ，ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＡｓＳｂなどのＩＩＩ−Ｖ系の化合物半導体、ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＣａＳｅ，ＣｄＴｅ，ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅ，ＣｄＳなどのＩＩ−ＶＩ系の化合物半導体などを用いることができるが、上部に配置する光導波路の材料との相性が良いことから、酸化物を用いることが好ましい。
これらの基板材料及び薄膜材料は、光導波路に用いられる強誘電体薄膜の結晶構造、偏向速度、スイッチング速度、または変調速度等、素子によって必要とされるキャリア・モビリティに応じて選ばれることが望ましい。
【００１１】
また、光導波路に用いられる強誘電体材料の比誘電率は、数１０から数１０００であるが、このような強誘電体材料からなる光導波路素子でも、１ｋＨｚ以上の応答を示すためには基板の抵抗率を１０^４Ω・ｃｍ以下とすることが必要であり、ＲＣ時定数及び電圧降下の点から、１０^２Ω・ｃｍ以下が好ましい。
【００１２】
本発明の光導波路に用いられる強誘電体材料は、具体的には、ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型では、例えば、正方晶、斜方晶または擬立方晶系材料としてはＢａＴｉＯ_３、ＰｂＴｉＯ_３、Ｐｂ_１−ｘＬａ_ｘ（Ｚｒ_ｙＴｉ_１−ｙ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３（ｘおよびｙの値によりＰＺＴ、ＰＬＴ、ＰＬＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、ＫＮｂＯ_３などが挙げられ、六方晶系としてはＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３などに代表される強誘電体などが挙げられる。タングステンブロンズ型では、例えば、Ｓｒ_ｘＢａ_１−ｘＮｂ_２Ｏ_６、Ｐｂ_ｘＢａ_１−ｘＮｂ_２Ｏ_６などが挙げられる。この他に、Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２、Ｐｂ_２ＫＮｂ_５Ｏ_１５、Ｋ_３Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ_１５、さらに以上列挙した強誘電体の置換誘導体などから選択される、鉛を含むＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物も好適に用いられる。
【００１３】
薄膜光導波路は、単結晶基板に対してエピタキシャルまたは単一配向性を有することが必要とされることから、光導波路材料には、単結晶基板材料の結晶構造に類似で、格子定数の差が１０％以下の材料を用いることが望ましい。但し、必ずしもこの関係に従わなくともエピタキシ関係を保持できれば良い。また、薄膜光導波路に光を閉じ込めるために、光導波路材料の屈折率が単結晶基板よりも大きくなるように設計される。
【００１４】
基板上に強誘電体薄膜を成膜することにより光導波路を形成する。強誘電体薄膜の成膜方法としては、電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸着、イオン・プレーティング、Ｒｆ−マグネトロン・スパッタリング、イオン・ビーム・スパッタリング、レーザー・アブレーション、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル）、ＣＶＤ（気相成長法）、プラズマＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）などの気相法、ゾルゲル法、及びＭＯＤ法などのウエット・プロセスのいずれの方法をも用いることができる。強誘電体薄膜の膜厚は、目的に応じて適宜選択されるが、通常は０．１μｍから１０μｍの間に設定される。
【００１５】
（電極形成工程）
本発明の光導波路素子の製造方法の第２の工程は、光導波路に接触するインジウム含有透明酸化物電極を、キャリア密度は１×１０^１９ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３未満でかつ（２２２）の結晶面が基板表面に対して優先的に配向し、
結晶面（２１１）／結晶面（２２２）のＸ線回折強度比が１／５０未満である
ように形成する電極形成工程である。
本発明では、電極材料として、導電性のインジウム含有透明酸化物を用いる。導電性のインジウム含有透明酸化物としては、ＩｎＳｎＯ、ＩｎＧａＯ_２、ＭｇＩｎ_２Ｏ_４、Ｉｎ_２Ｏ_３、等のインジウムを含む酸化物に、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｆ、Ｚｎ、Ｆ、Ｇｅ、Ｓｉの少なくとも１種を０．１重量％〜３０重量％、好ましくは
１重量％〜１０重量％添加することで導電性としたものが、良好な電気光特性と容易なパターニング形成を行うことが可能な点で好ましい。
【００１６】
透明酸化物電極を所定形状に形成する方法としては、透明酸化物薄膜を成膜した後、不要部分をエッチングにより除去するエッチング法と、透明酸化物電極を形成しない部分にマスクを形成し、このマスクを用いて透明酸化物薄膜を成膜した後マスクを除去するリフトオフ法とがある。
【００１７】
エッチング法の場合は、透明酸化物薄膜を成膜した後、薄膜上にフォトレジストあるいは電子線レジストを塗布、露光してマスクを形成し、このマスクを用いてエッチングを行う。エッチング方法としては、ＨＣｌ、ＨＮＯ_３、ＨＦ、Ｈ_２ＳＯ_４、Ｈ_３ＰＯ_４、Ｃ_２Ｈ_２Ｏ_２、ＮＨ_４Ｆなどの水溶液やその混合水溶液によるウエット・エッチング、ＣＣｌ_４、ＣＣｌ_２Ｆ_２、ＣＨＣｌＦＣＦ_３やそれらのＯ_２との混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチング、またはイオンビーム・エチングなどのドライ・エッチングなどが好適である。
【００１８】
リフトオフ法の場合は、光導波路上にフォトレジストあるいは電子線レジストを塗布し、ネガパターンを露光してマスクを形成し、このマスクを用いて透明酸化物薄膜を成膜する。その後、マスク上の堆積物と共にマスクを除去する。
透明酸化物電極の形成は、上記エッチング法とリフトオフ法のいずれによっても可能である。
透明酸化物薄膜を成膜する方法としては、電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸着、イオン・プレーティング、Ｒｆ−マグネトロン・スパッタリング、ＤＣ−マグネトロン・スパッタリング、イオン・ビーム・スパッタリング、レーザー・アブレーション、ＭＢＥ等が挙げられるが、スループットを上げることができ、平滑な膜を効率良く得られる点で、スパッタリング法を用いることが好ましい。
【００１９】
本発明においては、透明酸化物薄膜を成膜する際にキャリア密度を低下させると共に、（２２２）高配向な結晶性を持たせることが重要である。通常、インジウム含有透明酸化物導電膜は、ウェットエッチングによるパターン制御性と、欠陥によるキャリアの生成での低抵抗化の観点から多結晶状態で使われることが多い。本発明によりキャリア密度を低下させ赤外領域での吸収を低減させることができるが、それに相反して抵抗率は大きくなる。それを補償し抵抗率を低減させる為には移動度を向上させる必要がある。その移動度の向上を実現する為に（２２２）の結晶面が基板表面に対して優先的に配向し、結晶面（２１１）／結晶面（２２２）のＸ線回折強度比が１／５０未満であるような結晶性を持たせることで、面内の欠陥を低減し移動度を向上させると共に、１×１０^１９ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３未満のキャリア密度を確保することが可能となり、電子デバイスとして充分使用可能な電極抵抗を得ることができる。
【００２０】
結晶面（２１１）／結晶面（２２２）のＸ線回折強度比は、小さい程、移動度を向上させることができ、導波性特が良好となるため、結晶面（２１１）／結晶面（２２２）のＸ線回折強度比は１／１００未満で、かつキァリア密度で
３×１０^１９ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３未満が好ましく、特に結晶面（２１１）／結晶面（２２２）のＸ線回折強度比はほぼゼロで、かつキァリア密度で５×１０^１９ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３未満が好ましい。
【００２１】
キャリア密度は、１×１０^１９ｃｍ^−３未満であると、抵抗率が増加して電極としての機能を果たさない等の問題が生じ、一方、１×１０^２１ｃｍ^−３以上の場合、赤外領域での光学的吸収が増大し、光素子としての機能を果たさなくない等の問題が生じ、導波路素子として好ましくない。
【００２２】
本発明において、キャリア密度は、ホール測定により測定した値を意味する。
【００２３】
透明酸化物電極を作製する場合、例えば、スパッタリング法を用いる場合には、良好な電気的光学的特性を得るためには、酸素とアルゴンの流量比（酸素流量／アルゴン流量）を０．１より大きくすることが好ましい。該当条件によって酸素が充分供給されることで、薄膜中の酸素欠陥は減少し、それに伴いキャリア密度は１×１０^２１ｃｍ^−３未満に低減して、赤外での吸収も低減してくる。しかしながらキャリア密度を低減させるだけでは抵抗率は大きくなり、電極として充分機能しなくなるという問題が生じる。この問題に対して酸素流量が増大した条件でかつ成膜速度を０．１μｍ／ｈｒ以上とすることで、（２２２）単一配向とし結晶性を向上させ、移動度を向上させることで電極として充分な性能を得ることが出来た。
しかし、酸素とアルゴンの流量比（酸素流量／アルゴン流量）が１０を超えると、スパッタリング中の酸素イオンの膜への衝突が増加し、膜が劣化することで、抵抗率の増大と膜面内でのバラツキの増大等が不具合が生じることがあるので、酸素とアルゴンの流量比〈酸素流量／アルゴン流量）は１０未満が好ましく、より好ましくい酸素とアルゴンの流量比（酸素流量／アルゴン流量）は０．０１〜５、さらに好ましくは１〜３である。
【００２４】
更に本発明においては、透明酸化物薄膜を成膜する際の基板温度を０℃以上１５０℃未満としてリフトオフプロセスを用い、パターニング終了後２００℃以上４００℃未満の温度でアニーリング処理することにより、結晶性向上によるウェットエッチング制御性の困難を回避することができる。ここで、最終的な熱処理温度が２００℃未満の場合は光導波路と透明酸化物電極との界面の欠陥状態を十分に改善することができず、良好な電気特性を得ることができず、４００℃以上であると、電極材料の微結晶化が大幅に進み、逆に界面での欠陥を増大させてしまう。
【００２５】
更にドライエッチングプロセスを用いる場合には、透明酸化物薄膜を成膜する際の基板温度を１５０℃以上４００℃未満にして、グレインの異常成長／多結晶化を押さえ、良好な電気的・光学的特性を持つ高結晶性を得ることもできる。
また、透明酸化物電極の膜厚は、充分な抵抗値を得る為に１０ｎｍ以上の膜厚にすることが好ましく。グレインの異常成長を押さえる意味から１０μｍ未満の膜厚とすることが好まし、より好ましくは０．１μｍ以上１μｍ未満である。
【００２６】
電極材料の抵抗は、偏向速度、スイッチング速度、及び変調速度等、素子によって必要とされるキャリア・モビリティに応じて選択される。ＲＣ時定数及び電圧降下を考慮しても、実際に素子の動作速度として１ｋＨｚ以上の応答を示すためには、抵抗率を１０^−６Ω・ｃｍ以上１０^２Ω・ｃｍ未満の範囲とすることが好ましい。
電極材料の屈折率は、薄膜光導波路に光を閉じ込めるために、薄膜光導波路材料の屈折率よりも小さいことが必要である。
【００２７】
また、透明酸化物電極の抵抗を低下させ、素子の動作速度を向上させるために、透明酸化物電極の上側に、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｗ，Ｎｉ，Ｔａ，Ｇａ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ等の金属、またはＴｉ−Ａｌ，Ａｌ−Ｃｕ，Ｔｉ−Ｎ，Ｎｉ−Ｃｒ等の合金を、単層もしくは２層以上の多層構造に積層することが好ましく、金属としてはＡｕ，Ｔｉ，Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ、及びこれらの合金が特に好ましい。また、この金属層の膜厚は、１ｎｍ以上１０μｍ未満とすることが好ましい。
また、この金属層は、金属層を電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸着、イオン・プレーティング、Ｒｆ−マグネトロン・スパッタリング、ＤＣ−マグネトロン・スパッタリング、イオン・ビーム・スパッタリング、レーザー・アブレーション、ＭＢＥ等によって形成した後、透明酸化物電極と同時にアニール処理を行う。
【００２８】
上記した通り、本発明の製造方法により得られる光導波路素子は、レーザー・プリンター、デジタル複写機、ファクシミリ用の光偏向素子、光通信や光コンピューター用の光スイッチおよび光変調素子、光ディスク用のピックアップなどの各種用途に使用され、良好な電気光学特性を示す。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明の製造方法を、実施例に基づいて詳細に説明する。
（実施例１）
本発明の製造方法を用い、図１に示す光偏向素子を作製した。
この光偏向素子は、図１に示すように、下部電極でもある単結晶基板１２上に、２つの円形レンズ１４ａ、１４ｂが設けられ、単結晶基板１２と円形レンズ１４ａ、１４ｂとを覆うように光導波路１６が設けられている。光導波路１６上には、透明酸化物電極としてプリズム型のＩＴＯ電極２２が設けられている。光偏向素子の入射側にはチャンネル型光導波路２４ａ、２４ｂ、２４ｃが設けられ、出射側にはチャンネル型光導波路２８ａ、２８ｂ、２８ｃが設けられている。
この光偏光素子の製造例を示す。
まず、洗浄、エッチング、乾燥を予め行ったＮｂドープＳｒＴｉＯ_３（１００）からなる単結晶基板１２上に、Ｐｂ濃度で０．６ＭのＰＺＴ（３０／７０）用前駆体溶液をスピンコーティングにより塗布した。塗布膜をＯ_２雰囲気中で３００℃まで昇温し同温度にて保持する処理を５回繰り返すことによりアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜を得た。これを直径８００μｍの円形レンズ形状にエッチングして、焼成処理することによって、膜厚５００ｎｍのエピタキシャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜からなる円形レンズ１４ａ、１４ｂを形成した。
【００３０】
次に、円形レンズ１４ａ、１４ｂが形成された単結晶基板１２上に、Ｐｂ濃度で０．６ＭのＰＬＺＴ（９／６５／３５）用前駆体溶液をスピンコーティングにより塗布した。塗布後に焼成することで膜厚６００ｎｍのエピタキシャルＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜からなる光導波路１６を形成した。結晶学的関係は、単一配向のＰＬＺＴ（１００）／／ＰＺＴ（１００）／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ_３（１００）、面内方位ＰＬＺＴ［００１］／／ＰＺＴ［００１］／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ_３［００１］の構造が得られた。次に、この薄膜光導波路１６のポーリングを行った。
光導波路１６の薄膜表面に、フォトレジストをスピンコートし、プリベークの後、底辺５００μｍ、高さ１０００μｍのプリズム形状に露光した。さらにポストベークを行い、これに続いて現像を行うことにより、プリズム形状のテーパ状レジストパターンを形成した。
【００３１】
このレジストパターンを用いて、ＤＣ−マグネトロンスパッタリング装置により、Ｏ_２／Ａｒガス流量比が０．２、圧力０．５Ｐａ、基板温度１００℃成膜速度０．３μｍ／ｈｒの条件で、酸化インジウムに錫を５重量％添加した密度９０％以上のターゲットからＩＴＯ薄膜をスパッタリング形成した。ここでリフトオフを行い、膜厚１００ｎｍ、底辺５００μｍ、高さ１０００μｍのプリズム型のＩＴＯ電極２２を形成した。
ＩＴＯ電極２２がパターニング形成された基板を、３００℃の温度にてアニール処理し、その後、単結晶基板１２の裏面にＡｌ−Ｃｕからなる電極（図示せず）を形成し、オーミックコンタクトを得た。
このようにして作製されたＩＴＯ薄膜のキャリア密度は８×１０^２０ｃｍ^−３で、ＸＲＤにより結晶性を評価したところ（２２２）単一配向の薄膜となった。
【００３２】
これらにより得られた光偏向素子を用い、チャンネル導波路２４ｂの端面に６３３ｎｍの波長のレーザービームを集光し、光導波路１６内へ導入した。入射したレーザービームはチャンネル導波路２４ｂから出射すると光導波路１６内で発散し、円形レンズ１４ａを通過すると０．４ｍｍにコリメートされた。下部電極でもある単結晶基板１２とＩＴＯ電極２２との間に電圧を印加しない場合には、コリメートされたレーザービームは、実線で示す通り、二つめの円形レンズ１４ｂを通過すると集光され、チャンネル導波路２８ｃの端面を通じて出射した。単結晶基板１２とＩＴＯ電極２２との間に電圧を印加した場合には、電気光学効果によって、光導波路１６のうちＩＴＯ電極２２が接触する部分とそれ以外の部分とにおいて屈折率差が生じ、破線で示す通り、レーザービームが偏向され、偏向されたレーザービームは二つめの円形レンズ１４ｂを通過すると集光されて、チャンネル導波路２８ｂの端面を通じて出射した。
【００３３】
（比較例１）
光導波路１６の薄膜表面に、ＩＴＯ薄膜をスパッタリング形成する際の成膜速度を０．０１μｍ／ｈｒとした以外は、実施例１と同様にして、図１に示す構造の光偏向素子を作製した。
作製されたＩＴＯ薄膜のキャリア密度は８×１０^２０ｃｍ^−３で、ＸＲＤにより結晶性を評価したところ明確なピークは観測されずアモルファス状態の薄膜となった。
得られた光偏向素子の電気特性をＣＶ（容量Ｃと電位Ｖとの関係を示す）特性により評価した。図２（Ａ）に示すように、比較例１の光偏向素子ではヒステリシスが崩れた形が現れた。このように水平部分が少ないヒステリシス曲線は、光導波路１６とＩＴＯ電極２２との界面に欠陥が多く存在する場合に見られるものであり、容量が小さく、リーク電流も大きくなった。一方、実施例１の光偏向素子のＣＶ特性は、図２（Ｂ）に示すように、整ったヒステリシス曲線を示した。
この光偏向素子に６３３ｎｍの波長のレーザービームをチャンネル導波路２４ｂの端面に集光し、光導波路１６へ導入した。単結晶基板１２とＩＴＯ電極２２との間に実施例１と同じ電圧を印加しても、入射したレーザービームは通常の偏向角度の１／５程度しか偏向せず、偏向効率が落ちており、印加電圧に対して充分な偏向角度を得ることができなかった。
【００３４】
（実施例２）
本発明の製造方法を用い、図１に示す光偏向素子を作製した。まず、エッチング、乾燥を予め行ったＳｒＴｉＯ_３（１００）からなる単結晶基板１２上に、スパッタリングによりアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜を形成した。これを直径８００μｍの円形レンズ形状にエッチングして、焼成処理することによって、膜厚８００ｎｍのエピタキシャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜からなる円形レンズ１４ａ、１４ｂを形成した。次に、円形レンズ１４ａ、１４ｂが形成された単結晶基板１２上に、スパッタリングによりＰＺＴ（５２／４８）薄膜をエピタキシャル成長して、エピタキシャルＰＺＴ（５２／４８）薄膜からなる光導波路１６を形成した。結晶学的関係は、単一配向のＰＺＴ（１００）／／ＰＺＴ（１００）／／ＳｒＴｉＯ_３（１００）、面内方位ＰＺＴ［００１］／／ＰＺＴ［００１］／／ＳｒＴｉＯ_３［００１］の構造が得られた。次に、この薄膜光導波路１６のポーリングを行った。光導波路１６の薄膜表面に、ＤＣ−マグネトロン・スパッタリング装置を用い、Ｏ_２／Ａｒガス流量比が０．３、圧力０．５Ｐａ、基板温度２５０℃、成膜速度０．２μｍ／ｈｒの条件で、酸化インジウムに錫を５重量％添加した密度９０％以上のターゲットから１５０ｎｍの膜厚のＩＴＯ薄膜をスパッタリング形成した。
【００３５】
ＩＴＯ薄膜の上に、フォトレジストをスピンコートし、リベークの後、底辺５００μｍ、高さ４０００μｍのプリズム形状に露光した。さらにポストベークを行い、これに続いて現像を行うことにより、プリズム形状のレジストパターンを形成した。
このレジストパターンを用い、ＨＣｌ水溶液でエピタキシャルＰＺＴ（５２／４８）薄膜をエッチングすることで、膜厚１５０ｎｍ、底辺５００μｍ、高さ４０００μｍのプリズム型のＩＴＯ電極２２を形成した。
このようにして作製されたＩＴＯ薄膜のキャリア密度は９×１０^２０ｃｍ^−３で、ＸＲＤにより結晶性を評価したところ（２２２）単一配向の薄膜となった。
これらによって得られた光偏向素子を用い、実施例１と同様に、チャンネル導波路２４ｂの端面に６３３ｎｍの波長のレーザービームを集光し、光導波路１６内へ導入した。下部電極でもある単結晶基板１２とＩＴＯ電極２２との間に電圧を印加した場合には、破線で示す通り、レーザービームが偏向され、偏向されたレーザービームは円形レンズ１４ｂを通過すると集光されて、チャンネル導波路２８ｂの端面を通じて出射し、偏向素子として充分な特性を得ることができた。
【００３６】
（比較例２）
光導波路１６の薄膜表面に、ＩＴＯ薄膜をスパッタリング形成する際の酸素／Ａｒ流量比を０．０１とした以外は、実施例２と同様にして、図１に示す構造の光偏向素子を作製した。
作製されたＩＴＯ薄膜のキャリア密度は５×１０^２１ｃｍ^−３で、ＸＲＤにより結晶性を評価したところ（２２２）（２２１）等多数のピークが観測され多結晶状態の薄膜となった。
この光偏向素子に６３３ｎｍの波長のレーザービームをチャンネル導波路２４ｂの端面に集光し、光導波路１６へ導入した。単結晶基板１２とＩＴＯ電極２２との間に電圧を印加しても、入射したレーザービームはＩＴＯ電極２２において吸収され、光偏向素子としての動作を得ることができなかった。
【００３７】
（実施例３）
本発明の製造方法を用い、図３に示す光スイッチを作製した。
この光スイッチは、図３に示すように、下部電極でもある単結晶基板３２上へ、第１バッファ層３４を固相エピタキシャル成長させ、次に、第１バッファ層３４上に第２バッファ層３６をアモルファス状に形成した後、５μｍ幅の開口を有するＹ分岐チャンネル３８を形成、焼成し、その表面に光導波路４０を固相エピタキシャル成長させたものであり、Ｙ分岐チャンネル３８の上方に位置する光導波路４０上には、分岐した各枝に対応して、透明酸化物電極としてＩＴＯ電極４２ａ、４２ｂが設けられている。
ＮｂドープＳｒＴｉＯ_３（１００）からなる単結晶基板３２上へ、ＰＺＴ第１バッファ層３４を１２００ｎｍの膜厚で固相エピタキシャル成長させ、次に、ＰＺＴ第１バッファ層３４上に、ＰＺＴ第２バッファ層３６をアモルファス状に２３０ｎｍの膜厚で形成の後、５μｍ幅の開口を有するＹ分岐チャンネル３８を形成し、焼成によりエピタキシャル化した後、その表面にＰＺＴ光導波路４０を１３７０ｎｍの膜厚で固相エピタキシャル成長させた。
【００３８】
次に、光導波路４０の薄膜表面に、フォトレジストをスピンコートし、プリベークの後、図３に斜線を付して示す所定の電極形状に露光した。さらにポストベークを行い、これに続いて現像を行うことにより、所定形状のテーパ状レジストパターンを形成した。
このレジストパターンを用いて、ＤＣ−マグネトロンスパッタリング装置により、Ｏ_２／Ａｒガス流量比が０．２５、圧力０．５Ｐａ、基板温度１４０℃、成膜速度０．２３μｍ／ｈｒの条件で、酸化インジウムに錫を７重量％添加した密度９０％以上のターゲットからＩＴＯ薄膜を２００ｎｍの膜厚でスパッタリング形成した。ＩＴＯ薄膜の上に、さらに１００ｎｍの膜厚のＡｕ薄膜（図示せず）を、Ａｒガス流量が２００ｓｃｃｍ、圧力０．５Ｐａ、基板温度１００℃の条件でスパッタリング形成した。ここでリフトオフを行い、Ａｕ薄膜が積層されたＩＴＯ電極４２ａ、４２ｂを形成した。
Ａｕ薄膜が積層されたＩＴＯ電極４２ａ、４２ｂが形成された基板を、３８０℃の温度にてアニール処理し、その後、単結晶基板１２の裏面にＡｌ−Ｃｕからなる電極（図示せず）を形成し、オーミックコンタクトを得た。
このようにして作製されたＩＴＯ薄膜のキャリア密度は９×１０^２０ｃｍ^−３で、ＸＲＤにより結晶性を評価したところ（２２２）単一配向の薄膜となった。
【００３９】
得られた光スイッチを用い、チャンネル導波路の端面４４に６３３ｎｍの波長のレーザービームを集光し、光導波路４０内へ導入した。入射したレーザービームはチャンネル導波路の各端面４６、４８から出射した。
下部電極でもある単結晶基板３２とＩＴＯ電極４２ａとの間に電圧を印加し、単結晶基板３２とＩＴＯ電極４２ｂとの間には電圧を印加しなかった。電気光学効果によって、光導波路４０のうちＩＴＯ電極４２ａが接触するチャンネルと電圧の印加されていないＩＴＯ電極４２ｂが接触するチャンネルとの間で屈折率差が生じ、チャンネル導波路の端面４６からは出射されなくなり、端面４８からのみ出射した。
【００４０】
（実施例４）
本発明の製造方法を用い、図３に示す光スイッチを作製した。
ＮｂドープＳｒＴｉＯ_３（１００）からなる単結晶基板３２上へ、ＰＺＴ第１バッファ層３４を１２００ｎｍの膜厚で固相エピタキシャル成長させ、次に、ＰＺＴ第１バッファ層３４上に、ＰＺＴ第２バッファ層３６をアモルファス状に２３０ｎｍの膜厚で形成の後、５μｍ幅の開口を有するＹ分岐チャンネル３８を形成し、焼成によりエピタキシャル化した後、その表面にＰＺＴ光導波路４０を１３７０ｎｍの膜厚で固相エピタキシャル成長させた。
光導波路４０の薄膜表面に、ＤＣ−マグネトロン・スパッタリング装置を用い、Ｏ_２／Ａｒガス流量比が０．４、圧力０．５Ｐａ、基板温度２００℃、成膜速度０．１５μｍ／ｈｒの条件で、酸化インジウムに錫を１０重量％添加した密度９０％以上のターゲットから５μｍの膜厚のＩＴＯ薄膜をスパッタリング形成した。
ＩＴＯ薄膜の上に、フォトレジストをスピンコートし、プリベークの後、図３に斜線を付して示す所定の電極形状に露光した。さらにポストベークを行い、これに続いて現像を行うことにより所定形状のレジストパターンを形成した。ここで、ＨＣｌ水溶液でＩＴＯ薄膜をエッチングすることで、膜厚５μｍのＩＴＯ電極４２ａ、４２ｂを形成した。
パターニングされたＩＴＯ電極４２ａ、４２ｂの上に、さらに５ｎｍの膜厚のＴｉ薄膜（図示せず）と１μｍの膜厚のＡｌ薄膜（図示せず）とを、Ａｒガス流量が２００ｓｃｃｍ、圧力０．５Ｐａ、基板温度１００℃の条件でスパッタリング形成し、最終的に、５ｎｍの膜厚のＴｉ薄膜と１μｍの膜厚のＡｌ薄膜とが積層された５μｍの膜厚のＩＴＯ電極４２ａ、４２ｂを形成した。
【００４１】
このようにして作製されたＩＴＯ薄膜のキャリア密度は９×１０^２０ｃｍ^−３で、ＸＲＤにより結晶性を評価したところ（２２２）単一配向の薄膜となった。
成膜後のＩＴＯ薄膜の表面をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で観察した結果を図４に示す。図４から分かるように、表面のグレインの大きさは０．１μｍ程度で薄膜表面の凹凸の高さは数ｎｍ〜２０ｎｍと平滑な膜となっていた。
その後、単結晶基板３２の裏面にＡｌ−Ｃｕからなる電極（図示せず）を形成し、オーミック・コンタクトを得た。
得られた光スイッチを用い、チャンネル導波路の端面４４に６３３ｎｍの波長のレーザービームを集光し、光導波路４０内へ導入した。入射したレーザービームはチャンネル導波路の各端面４６、４８から出射した。
下部電極でもある単結晶基板３２とＩＴＯ電極４２ａとの間に電圧を印加すると、電気光学効果によって、光導波路４０のうちＩＴＯ電極４２ａが接触するチャンネルと電圧の印加されていないＩＴＯ電極４２ｂが接触するチャンネルとの間で屈折率差が生じ、チャンネル導波路の端面４６からは出射されなくなり、端面４８からのみ出射した。
【００４２】
（比較例３）
ＩＴＯ薄膜をスパッタリング形成する際の基板温度を４５０℃とした以外は、実施例４と同様にして、図３に示す光スイッチを作製した。
この条件で形成されたＩＴＯ薄膜のキャリア密度は５×１０^２１ｃｍ^−３で、ＸＲＤにより結晶性を評価したところ（２２２）（２２１）等多数のピークが観測され多結晶状態の薄膜となった。
また、ＩＴＯ薄膜の表面をＡＦＭで観察した結果を図５に示す。表面のグレインの大きさは０．２〜０．４μｍと大きくなり、また薄膜表面の凹凸の高さは１０ｎｍ〜８０ｎｍと数倍大きくなり、得られた光スイッチを用い、チャンネル導波路の端面４４に６３３ｎｍの波長のレーザービームを集光し、光導波路４０内へ導入したが、導波光の散乱が観測され、導波損失が大きくなった。
【００４３】
（実施例５）
本発明の製造方法を用い、図３に示す光スイッチを作製した。
ＮｂドープＳｒＴｉＯ_３（１００）からなる単結晶基板３２上へ、ＰＺＴ第１バッファ層３４を１２００ｎｍの膜厚で固相エピタキシャル成長させ、次に、ＰＺＴ第１バッファ層３４上に、ＰＺＴ第２バッファ層３６をアモルファス状に２３０ｎｍの膜厚で形成の後、５μｍ幅の開口を有するＹ分岐チャンネル３８を形成し、焼成によりエピタキシャル化した後、その表面にＰＺＴ光導波路４０を１３７０ｎｍの膜厚で固相エピタキシャル成長させた。
次に、光導波路４０の薄膜表面に、フォトレジストをスピンコートし、プリベークの後、図３に斜線を付して示す所定の電極形状に露光した。さらにポストベークを行い、これに続いて現像を行うことにより、所定形状のテーパ状レジスト・パターンを形成した。
このレジスト・パターンを用いて、ＤＣ−マグネトロン・スパッタリング装置により、Ｏ_２／Ａｒガス流量比が０．１６、圧力０．５Ｐａ、基板温度６０℃、成膜速度０．５μｍ／ｈｒの条件で、酸化インジウムに錫を５重量％添加した密度９０％以上のターゲットからＩＴＯ薄膜を０．６μｎｍの膜厚でスパッタリング形成した。
【００４４】
図３には示されていないが、そのＩＴＯ薄膜の上に、ＤＣ−マグネトロン・スパッタリング装置を用い、さらにＴｉを５ｎｍ、Ａｕを０．５μｎｍの膜厚でスパッタリング形成した。スパッタリングの条件は、Ａｒガス流量が２００ｓｃｃｍ、圧力０．５Ｐａ、基板温度１００℃である。ここでリフトオフを行い、５００ｎｍのＡｕ薄膜、１０ｎｍのＴｉ薄膜、及び６００ｎｍのＩＴＯ薄膜が積層された構造の上部電極としてのＩＴＯ電極４２ａ、４２ｂを形成した。
その後、Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ_３単結晶基板３２の裏面に、Ｔｉ−Ａｕからなる電極によってオーミック・コンタクトを形成した後、ＩＴＯ電極４２ａ、４２ｂが形成された基板を、３００℃の温度にてアニール処理した。
このようにして作製されたＩＴＯ薄膜のキャリア密度は９×１０^２０ｃｍ^−３で、ＸＲＤにより結晶性を評価したところ（２２２）単一配向の薄膜となった。
得られた光スイッチを用い、チャンネル導波路の端面４４に６３３ｎｍの波長のレーザービームを集光し、光導波路４０内へ導入した。入射したレーザービームはチャンネル導波路の各端面４６、４８から出射した。ＩＴＯ薄膜が平滑であるため、導波損失が少なく良好な導波特性を示した。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の光素子は、光導波路構造を有する偏向素子、スイッチング素子、または変調素子等の各種の光制御素子において良好な導波路特性を得ることが可能となる。
また、本発明の光素子の製造方法により、光導波路素子の電気光学特性を損なうことなく、強誘電体薄膜からなる光導波路に接触するインジウム含有透明酸化物電極を形成することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で作製した光偏向素子の構造を示す斜視図である。
【図２】（Ａ）は実施例１の光偏向素子を駆動した場合のＣＶ特性を表すグラフであり、（Ｂ）は比較例１の光偏向素子を駆動した場合のＣＶ特性を表すグラフである。
【図３】実施例３で作製した光スイッチの構造を示す斜視図である。
【図４】基板温度２００℃の場合のＩＴＯ表面のＡＦＭ観察像である。
【図５】基板温度４５０℃の場合のＩＴＯ表面のＡＦＭ観察像である。
【符号の説明】
１２、３２単結晶基板
１４ａ、１４ｂ円形レンズ
１６、４０光導波路
２２、４２ａ、４２ｂＩＴＯ電極
２４ａ、２４ｂ、２４ｃチャンネル型光導波路
２８ａ、２８ｂ、２８ｃチャンネル型光導波路
３４第１バッファ層
３６第２バッファ層
３８Ｙ分岐チャンネル
４４、４６、４８端面

Claims

基板上に形成された導波路上に電極を形成した構造の光素子において、該電極はインジウム含有透明酸化物からなりそのキャリア密度は１×１０^１９ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３未満で、かつ（２２２）の結晶面が基板表面に対して優先的に配向し、結晶面（２１１）／結晶面（２２２）のＸ線回折強度比が１／５０未満であることを特徴とする光素子。
請求項１に記載の光素子の製造方法であって、基板上に形成された導波路上にインジウム含有透明酸化物からなる電極を形成することを特徴とする光素子の製造方法。
前記透明酸化物電極をスパッタリングにより形成することを特徴とする請求項２に記載の光素子の製造方法。
前記スパッタリングは、成膜速度が０．１μｍ／ｈｒ以上１０μｍ／ｈｒ未満の条件下で行われる請求項２または請求項３に記載の光素子の製造方法。
前記スパッタリングは、酸素流量のアルゴン流量に対する比（酸素流量／アルゴン流量）が０．１以上１０未満の条件下で行われる請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の光素子の製造方法。
パターニングされた前記透明酸化物電極を２００℃〜４００℃の範囲をアニール処理することを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の光素子の製造方法。
前記電極形成工程において、透明酸化物電極を１０ｎｍ以上１０μｍ未満の膜厚で形成する請求項２乃至請求項６のいずれかに記載の光素子の製造方法。