JP2014106397A - Electro-optical element - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electro-optical element formed as a thin film on a Si substrate by epitaxially growing a cladding layer and an electro-optical layer having an ilmenite type structure such as LiNbO, with favorable crystallinity on a single crystal Si substrate.SOLUTION: An electro-optical element comprises: a single crystal Si substrate; a buffer layer of ZrOepitaxially grown on the substrate; a cladding layer of YOepitaxially grown on the buffer layer; and an electro-optical layer having an ilmenite type structure epitaxially grown on the cladding layer.

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。   The present invention relates to an electro-optic element using an epitaxial thin film on a single crystal silicon substrate.

イルメナイト型構造のニオブ酸リチウム(LiNbO)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。 Ilmenite-type lithium niobate (LiNbO 3 ) has a large electro-optic constant, and has been applied to devices such as optical modulators, optical gyros, optical switches, and electric field sensors.

現在、LiNbO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。 Currently, LiNbO 3 is mainly used to produce devices using a bulk single crystal, but a technique for forming a LiNbO 3 thin film on a sapphire substrate or a silicon (Si) substrate has also been disclosed. In particular, the Si substrate is cheaper than the sapphire substrate and has a larger diameter, and if a good thin film can be formed on the Si substrate, it is very advantageous in mass production of devices.

LiNbOの屈折率はSiの屈折率よりも小さいため、LiNbO膜を光導波層とするには、Si上にLiNbOよりも屈折率の小さいクラッド層を成膜し、その上にLiNbOを成膜する必要がある。また、LiNbO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。 Since the refractive index of the LiNbO 3 is smaller than the refractive index of Si, to the LiNbO 3 film and the optical waveguide layer, forming a small clad layer refractive index than LiNbO 3 on Si, LiNbO 3 thereon It is necessary to form a film. Further, if the LiNbO 3 film is not an epitaxial film that is as close to a single crystal as possible, the expected electro-optical characteristics cannot be obtained.

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エピタキシャル膜、その上に(001)配向のLiNbO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膜、LiNbO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。 In Patent Document 1, an (001) -oriented Al 2 O 3 epitaxial film serving as a cladding layer is formed on a (111) -oriented Si substrate, and an (001) -oriented LiNbO 3 epitaxial film is formed thereon. Is formed. However, the orientation of the Al 2 O 3 film and the LiNbO 3 film by X-ray diffraction is not disclosed, and it is difficult to actually produce an epitaxial film with good crystallinity.

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。 Patent Document 2 discloses a (111) -oriented Si substrate in which a 3C-SiC epitaxial film and then an MgO epitaxial buffer layer are formed, and an LiNbO 3 epitaxial film is formed thereon. Yes. However, the orientation of the 3C—SiC film, the MgO film, and the LiNbO 3 film by X-ray diffraction is not disclosed, and it is difficult to actually form an epitaxial film with good crystallinity.

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。 The above two documents are epitaxial laminated thin films formed on a Si substrate, but electro-optical characteristics and light propagation characteristics are not evaluated, and it is unclear whether they can actually be used as optical devices. In addition, there have been no known reports of measuring electro-optical characteristics of LiNbO 3 epitaxially grown on a Si substrate.

特開平5−72428号公報JP-A-5-72428 特開2007−182335号公報JP 2007-182335 A

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。 The present invention epitaxially grows a clad layer having a good crystallinity on a single-crystal Si substrate and having a refractive index smaller than that of the electro-optic layer, and an electro-optic layer having an ilmenite structure such as LiNbO 3. An electro-optic element formed of a thin film is provided.

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。 The present invention includes a single crystal Si substrate, a ZrO 2 buffer layer epitaxially grown on the single crystal Si substrate, a Y 2 O 3 cladding layer epitaxially grown on the buffer layer, and an ilmenite structure epitaxially grown on the cladding layer. An electro-optic element having an electro-optic layer.

イルメナイト型構造を持つ電気光学層は、LiNbOであることが好ましい。 The electro-optic layer having an ilmenite structure is preferably LiNbO 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となっていることが好ましい。
Si(111)/ZrO(111)/Y(111)/イルメナイト型(001)
It is preferable that the crystal orientation of the Si substrate and the laminated film has a laminated structure that satisfies the conditions defined in the following directions.
Si (111) / ZrO 2 (111) / Y 2 O 3 (111) / Ilmenite type (001)

ZrO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。 The ZrO 2 film thickness is preferably 2 nm to 75 nm. With this film thickness, the crystallinity of the cladding layer is improved.

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。 The Y 2 O 3 film thickness is preferably 500 nm to 2000 nm. With this thickness, the electro-optic layer is excellent in crystallinity, the average surface roughness can be kept small, and light can be confined in the electro-optic layer.

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。 The Y 2 O 3 film thickness is more preferably 800 nm to 1600 nm. In the film thickness, the electro-optic layer is excellent in crystallinity, and the variation in average surface roughness can be reduced.

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。   A Si oxide layer is preferably present on the surface of the Si substrate.

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。 The Si oxide layer is formed by thermal oxidation of a Si substrate, and the thickness is preferably 0.5 nm or more and 10 nm or less.

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。   In the ilmenite structure film, it is preferable that the half width of the rocking curve of (006) reflection measured by X-ray diffraction is 0.58 ° or less.

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。   The average surface roughness of the surface of the ilmenite structure film is preferably 9.2 nm or less.

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。 According to the present invention, it is possible to provide an electro-optic element formed by epitaxially growing a clad layer having good crystallinity on a single-crystal Si substrate and an electro-optic layer having an ilmenite structure such as LiNbO 3 and forming a thin film on the Si substrate.

実施形態に係る電気光学素子を示す側断面図である。1 is a side sectional view showing an electro-optical element according to an embodiment. 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。It is a schematic diagram of an electric force line at the time of arranging an electrode only in the upper part. 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。It is a schematic diagram of electric lines of force when one electrode is connected to a conductive substrate. 実施形態に係る電気光学素子を示す側断面図である。1 is a side sectional view showing an electro-optical element according to an embodiment. ZrO膜厚の異なるSi(111)/ZrO/Y 40nm膜において、Y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。In different Si (111) / ZrO 2 / Y 2 O 3 40nm film of ZrO 2 film thickness, a graph of the half width and the surface average surface roughness of the X-ray diffraction rocking curve of Y 2 O 3 film. 実施例1のX線回折2θ−θスキャン図である。1 is an X-ray diffraction 2θ-θ scan diagram of Example 1. FIG. 実施例1のYでのX線回折ロッキングカーブ図である。 2 is an X-ray diffraction rocking curve diagram of Y 2 O 3 in Example 1. FIG. 実施例1のLiNbOでのX線回折ロッキングカーブ図である。 2 is an X-ray diffraction rocking curve diagram of LiNbO 3 of Example 1. FIG. 実施例1のX線回折LiNbO(014)の極点図である。 3 is a pole figure of X-ray diffraction LiNbO 3 (014) of Example 1. FIG. 散乱検出法による伝播損失測定の模式図である。It is a schematic diagram of the propagation loss measurement by a scattering detection method. 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。3 is a light propagation intensity graph in the scattering detection method of Example 1. プリズムカプラ法による電気光学測定の模式図である。It is a schematic diagram of the electro-optic measurement by the prism coupler method. 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。3 is a graph showing a change in refractive index in the prism coupler method of Example 1. 実施例2のY膜厚を変化させたときのLiNbO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。It is a graph of the half value width and surface average surface roughness of the X-ray diffraction rocking curve of the LiNbO 3 film when the Y 2 O 3 film thickness of Example 2 is changed. 比較例2について、Y膜厚を変化させたときのLiNbO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。It is a graph of the half value width and surface average surface roughness of the X-ray diffraction rocking curve of the LiNbO 3 film when the Y 2 O 3 film thickness is changed in Comparative Example 2.

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。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. The subject of the present invention is not limited to the following embodiment. In addition, the constituent elements described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art and substantially the same elements, and the constituent elements can be appropriately combined. Further, the explanatory diagram is schematic, and for convenience of explanation, the relationship between the thickness and the planar dimension may be different from the actual structure within a range in which the effect of the present embodiment can be obtained.

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。   Note that the epitaxial film in this embodiment is such that the crystal is aligned along the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions when the film plane is the XY plane and the film thickness direction is the Z-axis. Is. In order to prove this, first, the peak intensity at the orientation position by 2θ-θ X-ray diffraction is confirmed, and second, the pole is confirmed.

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。 Specifically, first, when measurement by 2θ-θ X-ray diffraction is performed, all peak intensities other than the target surface are 10% or less, preferably 5% or less of the maximum peak intensity of the target surface. There must be. For example, in the c-axis oriented epitaxial film of LiNbO 3 , the peak intensity other than the (00L) plane is 10% or less, preferably 5% or less of the maximum peak intensity of the (00L) plane. (00L) is a display collectively referring to equivalent surfaces such as (001) and (002).

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は三方晶系の結晶構造であるため、単結晶におけるLiNbO(014)の極点は3つとなる。 Second, in pole measurement, it is necessary to see the pole. The condition for confirming the peak intensity at the first orientation position described above shows only the orientation in one direction. Even if the first condition is obtained, the crystal orientation is aligned in the plane. If not, the intensity of the X-ray does not increase at a specific angular position, and no pole is seen. Since LiNbO 3 has a trigonal crystal structure, there are three pole points of LiNbO 3 (014) in the single crystal.

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。   By obtaining both the first and second conditions described above, it proves that the crystals are aligned along the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, and can be said to be an epitaxial film. .

また、LiNbO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。 In the case of LiNbO 3 , it is known that epitaxial growth occurs in a so-called twin state in which crystals rotated by 180 ° about the c-axis are symmetrically coupled. In this case, since three poles are symmetrically coupled, the number of poles is six.

なお、LiNbO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。 The crystal structure of LiNbO 3 is pseudo ilmenite, ilmenite similar type, variant ilmenite, as such LiNbO 3 type, in the notation, there is a case to be distinguished from ilmenite, in this embodiment, collectively referred to And defined as the ilmenite type.

(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。
(Embodiment 1)
The structure of the electro-optic element of Embodiment 1 is shown using FIG. The electro-optic element according to the first embodiment includes a single crystal Si substrate 1, a buffer layer 2, a cladding layer 3, an electro-optic layer 4, and an electrode 6.

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。   The single crystal Si substrate 1 in Embodiment 1 preferably uses a (111) plane. The ilmenite type structure is a trigonal system, and the crystal orientation of the buffer layer and the cladding layer formed on Si can be optimized.

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。   Single crystal Si substrates having various electrical resistances are commercially available, but the electrical resistance of the substrate is not limited from the viewpoint of epitaxial growth of the laminated film. When the present invention is used as a high-frequency device, a high-resistance device is preferable, and when used at a low frequency or DC, a low-resistance Si substrate may be used.

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。   The crystal orientation axis in the single crystal Si substrate 1 is perpendicular to the substrate surface or tilted within several degrees.

Si基板1面上に形成されたバッファ層2はZrO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。 The buffer layer 2 formed on the surface of the Si substrate 1 is a ZrO 2 epitaxial film. Compared with the case without the buffer layer 2, the crystallinity of the cladding layer 3 and the electro-optic layer 4 is improved. Since the surface of the Si substrate at a high temperature is very reactive, an unnecessary compound is formed before the epitaxial growth, thereby inhibiting the epitaxial growth on the Si substrate. However, ZrO 2 can be formed on a Si substrate as a thin film having high crystallinity and excellent surface flatness. By forming this base film, epitaxial layers of higher quality cladding layers and electro-optic layers can be formed. A membrane can be obtained.

実施形態1におけるバッファ層2のZrO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。 ZrO 2 of the buffer layer 2 in Embodiment 1 has a thickness of 2 nm to 75 nm, and more preferably 5 nm to 50 nm. If it is too thin, sufficient crystalline ZrO 2 cannot be obtained, and if it is too thick, it causes deterioration of crystallinity and surface flatness, cracks due to increased stress, and the like.

図5はSi(111)基板に厚さの異なるZrOを成膜し、さらにYを40nm成膜したサンプルについて、X線回折におけるY(222)のロッキング半値幅と、AFM(原子間力顕微鏡)によるY表面の平均面粗さを示したものである。グラフにはZrO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。 FIG. 5 shows a rocking half-value width of Y 2 O 3 (222) in X-ray diffraction for a sample in which ZrO 2 having a different thickness is formed on a Si (111) substrate and Y 2 O 3 is formed to a thickness of 40 nm. shows the average surface roughness of Y 2 O 3 surface by AFM (atomic force microscope). The graph plots points where the thickness of ZrO 2 is 0 nm, 2 nm, 5 nm, 15 nm, 50 nm, 75 nm, and 100 nm. The average surface roughness (Ra) was 4.70 nm, 2.09 nm, 0.82 nm, 0.32 nm, 0.52 nm, 0.94 nm, and 1.68 nm, respectively.

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膜の結晶性が良好となる。また、ZrO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。 The rocking half-widths were 3.69 degrees, 1.77 degrees, 1.67 degrees, 1.58 degrees, 1.38 degrees, 1.90 degrees, and 3.07 degrees, respectively. When the thickness of ZrO 2 is 2 nm to 75 nm, the locking half-value width is reduced to 1.38 degrees or more and 1.90 degrees or less, and the crystallinity of the Y 2 O 3 film is improved. Moreover, in the measurement by AFM (atomic force microscope) when the thickness of ZrO 2 is 5 nm to 50 nm, the variation of the average surface roughness (Ra) of the Y 2 O 3 surface is in the range of 0.32 nm to 0.82 nm. It can be made smaller. In addition, the rocking half-value width is also 1.38 degrees or more and 1.67 degrees or less, and the fluctuation is small. Therefore, it is possible to stably maintain good crystallinity.

このZrO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(111)となる。 This ZrO 2 can be formed, for example, by depositing metal Zr under a high temperature condition of a substrate temperature of 600 ° C. to 1200 ° C. in an oxidizing atmosphere. When a Si (111) substrate is used, the crystal growth surface is ZrO 2 (111).

実施形態1におけるZrO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とHfOとの分離は難しいので、ZrOの純度は、通常、Zr+Hfでの純度を指しているが、HfOは本発明における酸化ジルコニウム系層においてZrO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。 In order to obtain good crystallinity and surface properties, ZrO 2 in Embodiment 1 is preferably such that the ratio of Zr in the constituent elements excluding oxygen in the zirconium oxide-based layer is 98 mol% or more, more preferably 99.5 mol. % Or more. Further, since the difficult separation of ZrO 2 and HfO 2 with the current high purification technique, the purity of ZrO 2 is usually refers to purity with Zr + Hf, the zirconium oxide based layer in HfO 2 is present invention Since it functions in exactly the same way as ZrO 2 , there is no problem. Compared to a stabilized zirconia, which is added with a rare earth such as yttrium, the high-purity zirconia has higher internal stress but better crystallinity and surface properties.

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のエピタキシャル膜である。酸化物でLiNbOよりも屈折率が小さいものは、Al、MgO、Y、SiO、La、Ga、など限られており、Yは下地のZrO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。 The clad layer 3 is necessary for confining light in the electro-optic layer 4, and the refractive index must be smaller than that of the electro-optic layer 4. The cladding layer 3 in this embodiment is a Y 2 O 3 epitaxial film. An oxide having a refractive index smaller than that of LiNbO 3 is limited to Al 2 O 3 , MgO, Y 2 O 3 , SiO 2 , La 2 O 3 , Ga 2 O 3 , etc., and Y 2 O 3 is Good crystallinity can be obtained with a small mismatch in lattice constant with the underlying ZrO 2 .

実施形態1におけるY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。 Y 2 O 3 in Embodiment 1 has a thickness of 500 nm to 2000 nm. Although depending on the wavelength of the light used and the thickness of the electro-optic layer 4, the Y 2 O 3 film thickness is preferably 500 nm or more in order to confine light in the electro-optic layer. In order to prevent deterioration of crystallinity and surface flatness, the film thickness is preferably 2000 nm or less. In order to reduce the variation of the average surface roughness (Ra) of the electro-optic layer 4, the film thickness is more preferably 800 nm or more and 1600 nm or less.

このY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(111)となる。 This Y 2 O 3 can be formed, for example, by vapor-depositing metal yttrium (Y) under a high temperature condition of a substrate temperature of 600 ° C. to 1200 ° C. in an oxidizing atmosphere. The crystal growth surface when using the Si (111) substrate is Y 2 O 3 (111).

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。 An additive may be introduced into Y 2 O 3 for improving characteristics. By adding an additive, the resistivity, dielectric constant, and lattice constant of the film can be controlled. For example, Al and Si have an effect of improving the resistivity of the film. Transition metal elements such as Mn, Fe, Co, and Ni can form a level (trap level) due to impurities in the film, and conductivity can be controlled by using this level.

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である。同じイルメナイト構造のLiTaO3、または、LiNbOとLiTaOの固溶体、すなわちLiNb1−xTa(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。 The electro-optical layer 4 in Embodiment 1 is a dielectric film having an ilmenite structure. The dielectric film having an ilmenite structure is preferably LiNbO 3 . LiTaO 3 having the same ilmenite structure, or a solid solution of LiNbO 3 and LiTaO 3, i.e. LiNb 1-x Ta x O 3 (0 <x <1) may also be used. Moreover, a small amount of an additive of another element may be replaced with Li, Nb, or Ta. When Li is A, Nb or Ta is B and expressed by the chemical formula of the general formula ABOx, the molar ratio of A / B ions is 0.9 to 1.1, and further 0.95 to 1.05. It is preferable.

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。   X is not limited to 3, but may be an oxygen defect or an oxygen excess state. The value of X is usually 2.8 or more and 3.2 or less. The value of X can vary depending on the type, amount and valence of the element to be added. As an example of replacement of the A and B ions, examples of the A ions include K, Na, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, and Ba. B ions include Ti, Zr, Hf, V, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, Zn, and the like. It is also possible to replace part of X with one or more of these listed elements.

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。   The electro-optic layer 4 in Embodiment 1 is 500 nm to 2000 nm. A certain amount of thickness is required to confine light, but if it is too thick, it may cause cracks due to increased stress. The substrate temperature during film formation is 400 ° C. to 700 ° C., and the crystal growth surface in the case of using a Si (111) substrate is the c-axis orientation of ilmenite (001).

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。   The electrode 6 may be disposed only on the upper portion as shown in FIG. 2 or may be connected to the Si substrate 1 as shown in FIG. In the latter case, a substrate having a low resistance can be used for the Si substrate 1 and the substrate itself can be used as the lower electrode. By applying an electric field α to the electro-optic layer 4, the refractive index changes and can be used as an electro-optic element. In addition, in the portion 11 in which light is guided in the drawing, a three-dimensional optical waveguide that confines light in the lateral direction may be formed by ion diffusion or ridge formation.

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。   The material of the electrode 6 may be anything such as gold or platinum. Of course, a multilayer structure may be formed by combining with a layer for improving adhesion. Moreover, there is no limitation also in thickness.

膜の配向がSi(111)/ZrO(111)/Y(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。 When the orientation of the film is Si (111) / ZrO 2 (111) / Y 2 O 3 (111) / ilmenite type (001), one of the electrodes is directly above the portion 11 where light is guided. To place. This is because applying the electric field 10 in the c-axis direction maximizes the electro-optic effect.

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、ラジカル酸素等のいずれであってもよい。 In the first embodiment, the buffer layer 2 and the clad layer 3 are produced by a vacuum deposition method, and the electro-optic layer 4 is produced by a sputtering method, but the film formation method can be any method such as a laser deposition method, a chemical vapor deposition method (CVD), or a sol-gel method. May be used. In addition, the oxidizing gas may be any of oxygen, ozone, atomic oxygen, NO x , radical oxygen, and the like.

(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。
(Embodiment 2)
In the case of Embodiment 1 shown in FIG. 1, light propagation loss occurs due to the electrodes. By inserting the buffer layer 5 between the electro-optic layer 4 and the electrode 6 as shown in FIG. 4, light can be confined in the electro-optic layer 4 and propagation loss can be reduced. The buffer layer 5 is made of a material having a refractive index lower than that of the electro-optic layer 4, such as silica or alumina. The thickness is 500 nm to 5000 nm. If the buffer layer 5 is thin, the light propagation loss increases, and if the buffer layer 5 is thick, the voltage applied to the electro-optic layer is reduced. Therefore, it is necessary to set the thickness appropriately. The buffer layer 5 may be formed by any method such as sputtering, laser deposition, chemical vapor deposition (CVD), and sol-gel method.

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。   In the following, an electro-optic element was actually fabricated and evaluated, which will be described in detail.

(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。
Example 1
As a substrate on which an oxide thin film is epitaxially grown, a Si single crystal substrate having a resistivity of 0.05 ohm · cm or less and being mirror-polished by cutting so that the substrate surface becomes a (111) plane was used.

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。 The Si substrate is fixed to a holder equipped with a heating mechanism installed in a vacuum chamber, the chamber is evacuated to 1 × 10 −4 [Pa] or less by a vacuum pump, and then the substrate is introduced while introducing oxygen gas. The temperature was heated to 600 ° C. to 1200 ° C., and a native oxide of about 5 nm was formed on the Si substrate surface.

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のエピタキシャル下地膜15nmを形成した。 Thereafter, while introducing the oxygen gas while maintaining the substrate temperature, the metal Zr having a purity of 99.8% is evaporated toward the substrate surface, whereby the ZrO 2 epitaxial base film 15 nm as a buffer layer is formed on the Si substrate. Formed.

次いで、ZrO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のエピタキシャル膜1200nmを形成した。 Next, while maintaining the substrate temperature and the introduction of oxygen gas in the chamber in which the ZrO 2 film is formed, the metal Y having a purity of 99.9% is evaporated toward the substrate surface, thereby the Y 2 O 3 epitaxial film. 1200 nm was formed.

ここで、Y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。 Here, when the refractive index of the Y 2 O 3 film was measured by the prism coupler method, it was 1.906 at a wavelength of 632.8 nm.

このZrOとY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。 LiNbO 3 was formed on a Si substrate on which an epitaxial film of ZrO 2 and Y 2 O 3 was formed using a sputtering apparatus equipped with a substrate heating apparatus. A sputtering gas in which 20% to 50% O 2 and Ar are mixed is introduced into a vacuum chamber evacuated to 1 × 10 −4 [Pa] or less, the gas pressure is set to 0.1 Pa to 1.0 Pa, and the substrate temperature is set. Formed a 1000 nm film under the conditions of 400 ° C. to 700 ° C.

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。 The sputter target used in Example 1 is a LiNbO 3 sintered body manufactured with a Li / Nb molar ratio of 1.0. Although the molar ratio of Li / Nb in the film varies depending on the film forming conditions, the crystallinity was generally good when the molar ratio was about 0.9 to 1.1.

実施例1における成膜の構成は基板側から、Si(111)/ZrO(15nm)/Y(1200nm)/LiNbO(1000nm)となる。 The structure of film formation in Example 1 is Si (111) / ZrO 2 (15 nm) / Y 2 O 3 (1200 nm) / LiNbO 3 (1000 nm) from the substrate side.

LiNbO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の文献値に近い。 Regarding the LiNbO 3 film, the refractive index at a laser wavelength of 632.8 nm was measured by the prism coupler method, and found to be 2.289 in the TE mode and 2.205 in the TM mode. This value is close to the literature value of single crystal LiNbO 3 .

また、原子力間顕微鏡(AFM)にてLiNbO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。 Further, when the surface of the LiNbO 3 film was measured with an atomic force microscope (AFM), the average surface roughness (Ra) was 6.6 nm, which was good flatness.

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。   The average surface roughness was measured using AFM: DIMENSION 3100 manufactured by Digital Instruments. The probe used was UCHV-A manufactured by BRUKER and measured in a tapping mode with a scan rate of 0.5 Hz. The measurement area is 10 μm square.

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(006)およびLiNbO(0012)のピークが観察され、それ以外の配向のLiNbOのピークは見られない。また、図7aと図7bは、それぞれ、Y(222)とLiNbO(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(222)の半値幅は0.65度、LiNbO(006)の半値幅は0.50度であり、結晶性は良好であった。 FIG. 6 shows an X-ray diffraction 2θ-θ scan of the laminated film of Example 1. In the figure, the vertical axis is logarithmic so that all peaks are visible. The peaks of LiNbO 3 (006) and LiNbO 3 (0012) that are c-axis oriented are observed, and the peaks of LiNbO 3 of other orientations are not seen. 7a and 7b show the rocking curves measured for the peaks of Y 2 O 3 (222) and LiNbO 3 (006), respectively. Y 2 O 3 (222) had a full width at half maximum of 0.65 degrees, and LiNbO 3 (006) had a full width at half maximum of 0.50 degrees. The crystallinity was good.

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。   X-ray diffraction was measured with ATX-E manufactured by Rigaku Corporation. The optical system used was a Ge (220) channel cut monochromator, and 0.2 mm slits were inserted before and after the Ge single crystal on the incident side, and 1 mm slits were inserted before the detector. The X-ray tube voltage / current was 40 kV / 40 mA, the scan was in steps of 0.02 degrees, and the speed was 2 degrees per minute.

図8は、実施例1の、LiNbO(014)の極点12を示す図である。本来、三方晶のLiNbO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。 FIG. 8 is a diagram illustrating the pole 12 of LiNbO 3 (014) in Example 1. Originally, the trigonal LiNbO 3 single crystal shows three poles in this pole measurement, but in the case of Example 1, it shows six poles, indicating that it is in a twin crystal state. This is a twin epitaxial film in which crystals rotated by 180 ° around the c-axis are combined in a symmetric state.

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)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。 With respect to the laminated thin film, the propagation loss of light β was measured by the scattering detection method schematically shown in FIG. Using a semiconductor laser with a wavelength of 1550 nm and a prism 7 of a rutile (TiO 2 ) single crystal, changes in the amount of scattered light γ in the TE mode and TM mode were measured by changing the distance of the probe 8 (the moving distance is Zmm). The results are shown in FIG. The horizontal axis is the distance Z from the reference point, and the vertical axis is the change in the amount of scattered light γ from the reference point. The propagation loss was obtained from the slope of the graph. The propagation loss was 1.1 dB / cm in the TE mode and 0.9 dB / cm in the TM mode.

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)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とYにかかる電圧を考慮して、計算で求めたものを使用した。 Further, the refractive index was measured with an electric field applied by the prism coupler method schematically shown in FIG. The upper electrode for applying an electric field was formed by depositing Pt 10 nm on LiNbO 3 by vapor deposition, and the lower electrode was a low-resistance Si substrate. The amount of change in the refractive index in the TM mode when a voltage of −10 V to +10 V was applied was measured. For the measurement, a semiconductor laser having a wavelength of 1550 nm and a rutile (TiO 2 ) single crystal prism 7 were used. The results are shown in FIG. The horizontal axis represents the electric field E applied to LiNbO 3 , and the vertical axis represents the refractive index change. The refractive index is linearly changed with respect to the applied voltage (electric field), and the electro-optic coefficient r is 15 pm / V as derived from Equation 1 shown below. Here, n represents the refractive index before the electric field E is applied, and Δn represents the change in the refractive index when the electric field E is applied. The electric field used was obtained by calculation in consideration of the voltage applied to ZrO 2 and Y 2 O 3 .

Figure 2014106397
Figure 2014106397

(実施例2)
実施例1のY膜厚を40nm〜2400nmと変えて、LiNbO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。
(Example 2)
The Y 2 O 3 film thickness of Example 1 was changed from 40 nm to 2400 nm, and the X-ray diffraction rocking half-width and average surface roughness (Ra) of the LiNbO 3 film were measured. The result was as shown in FIG. The graph plots the Y 2 O 3 film thickness at points of 40 nm, 100 nm, 400 nm, 800 nm, 1200 nm, 1600 nm, 2000 nm, and 2400 nm. The average surface roughness (Ra) was 2.6 nm, 3.3 nm, 4.2 nm, 6.0 nm, 6.6 nm, 7.2 nm, 9.2 nm, and 15.3 nm, respectively. Moreover, the half widths of rocking are 0.72, 0.56, 0.53, 0.51, 0.50, 0.53, 0.58, and 0.92 degrees, respectively. there were.

平均面粗さ(Ra)はYの膜厚が増加するにつれて悪化するが、Y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の膜厚の変動に応じたLiNbO膜の結晶性は変動を受けやすくなる。 The average surface roughness (Ra) deteriorates as the film thickness of Y 2 O 3 increases, but when Y 2 O 3 is 100 nm or more and 2000 nm or less, the average surface roughness (Ra) is 3.3 nm or more, 9 The half width (degree) of rocking is 0.50 degree or more and 0.58 degree or less at 2 nm or less, and both surface properties and crystallinity are good. When the film thickness of Y 2 O 3 exceeds 2000 nm, the full width at half maximum of rocking increases rapidly, so that the crystallinity of the LiNbO 3 film according to the fluctuation of the film thickness of Y 2 O 3 is easily affected.

また、Y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の膜厚の変動に応じたLiNbO膜の結晶性は変動を受けやすくなる。さらに、Yが800nm以上1600nm以下の場合は、Y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。 Also, when the film thickness of Y 2 O 3 is less than 100 nm, the full width at half maximum of rocking increases rapidly, so that the crystallinity of the LiNbO 3 film according to the variation in the film thickness of Y 2 O 3 is susceptible to fluctuations. . Furthermore, when Y 2 O 3 is 800 nm or more and 1600 nm or less, the average surface roughness (Ra) according to the variation in the film thickness of Y 2 O 3 is in the range of 6.0 nm or more and 7.2 nm or less. It is possible to reduce the variation of the roughness (Ra). Therefore, even if the film thickness of Y 2 O 3 varies, it is considered that the output ratio of the emitted light with respect to the incident light, that is, the fluctuation of the light propagation loss can be reduced when used as an optical modulation element.

(比較例1)
実施例のクラッド層3をYに代えてアルミナ(Al)を試してみたが、Al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も配向しなかった。
(Comparative Example 1)
Alumina (Al 2 O 3 ) was tried instead of the cladding layer 3 of the example in place of Y 2 O 3 , but Al 2 O 3 became an amorphous layer. Even if the temperature, film forming speed, etc. were changed, the epitaxial growth could not be performed. The LiNbO 3 of the electro-optic layer 4 was not oriented.

(比較例2)
実施例のバッファ層2のZrO省略した構成である。成膜の構成は基板側から、Si(111)/Y(1200nm)/LiNbO(1000nm)となる。X線回折による測定では、Y(222)のロッキング半値幅は2.6度、LiNbO(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。
(Comparative Example 2)
This is a configuration in which ZrO 2 is omitted from the buffer layer 2 of the example. The structure of film formation is Si (111) / Y 2 O 3 (1200 nm) / LiNbO 3 (1000 nm) from the substrate side. In measurement by X-ray diffraction, the rocking half width of Y 2 O 3 (222) was 2.6 degrees, and the rocking half width of LiNbO 3 (006) was 2.1 degrees. The average surface roughness by an atomic force microscope was 18.3 nm, and the refractive index measured by the prism coupler method was 2.276 in the TE mode and 2.216 in the TM mode. The electro-optic coefficient (r33) by the prism coupler method was 1 pm / V. Further, the refractive index difference between the TE mode and the TM mode was smaller than that in Example 1. Since the electro-optic coefficient (r33) is considered to increase as the difference in refractive index between the TE mode and TM mode increases, the difference in refractive index between the TE mode and TM mode is an index of the electro-optic coefficient (r33). It is effective as

比較例2についても実施例2と同様にY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。 Also in Comparative Example 2, when the Y 2 O 3 film thickness was changed as in Example 2, it was as shown in FIG. Compared to the examples, both the average surface roughness and the rocking half width were bad. When the average surface roughness increases, the light propagation loss increases.

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。   Table 1 summarizes the examples and comparative examples. This example had better crystallinity and surface properties than the comparative example, and had the only large electro-optic coefficient.

Figure 2014106397
Figure 2014106397

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。   The present invention can be applied to devices such as an optical modulator, an optical fiber gyro element, an optical switch, and an electric field sensor.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Single-crystal Si substrate 2 Buffer layer 3 Cladding layer 4 Electro-optic layer 5 Buffer layer 6 Electrode 7 Prism 8 Probe 9 Detector 11 Light guide part 12 Pole

Claims (9)

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。 A single crystal Si substrate, a ZrO 2 buffer layer epitaxially grown on the substrate, a Y 2 O 3 cladding layer epitaxially grown on the buffer layer, and an electro-optic layer having an ilmenite structure epitaxially grown on the cladding layer An electro-optic element comprising: 前記イルメナイト型構造を持つ電気光学層は、LiNbO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。 The electro-optic element according to claim 1, wherein the electro-optic layer having the ilmenite structure is LiNbO 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(111)/Y(111)/イルメナイト型(001)
The electro-optical element according to claim 1, wherein the crystal orientation of the Si substrate and the laminated film satisfies a condition defined in the following direction.
Si (111) / ZrO 2 (111) / Y 2 O 3 (111) / Ilmenite type (001)
前記ZrO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。 The electro-optic element according to claim 1, wherein the ZrO 2 film thickness is 2 nm to 75 nm. 前記Y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。 The electro-optic element according to claim 1, wherein the Y 2 O 3 film thickness is 500 nm to 2000 nm. 前記Y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。 The electro-optical element according to claim 5, wherein the Y 2 O 3 film thickness is 800 nm to 1600 nm. 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。   The electro-optic element according to claim 1, wherein a Si oxide layer is present on the surface of the Si substrate. 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。   The electro-optic element according to any one of claims 1 to 7, wherein in the ilmenite structure film, a half width of a rocking curve of (006) reflection measured by X-ray diffraction is 0.58 ° or less. . 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。

The electro-optic element according to claim 1, wherein the ilmenite structure film has an average surface roughness of the electro-optic layer of 9.2 nm or less.

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