JPH1174502A - シリコン機能性母体基板および光集積化酸化物装置 - Google Patents
シリコン機能性母体基板および光集積化酸化物装置Info
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- JPH1174502A JPH1174502A JP9234217A JP23421797A JPH1174502A JP H1174502 A JPH1174502 A JP H1174502A JP 9234217 A JP9234217 A JP 9234217A JP 23421797 A JP23421797 A JP 23421797A JP H1174502 A JPH1174502 A JP H1174502A
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- H01L31/162—Semiconductor device sensitive to radiation without a potential-jump or surface barrier, e.g. photoresistors the light source being a semiconductor device with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. a light emitting diode
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
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- H—ELECTRICITY
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- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 酸化物素子と半導体発光素子とを同一基板上
に最適構造でしかも高密度で集積化することができるシ
リコン機能性母体基板およびこのシリコン機能性母体基
板を用いた光集積化酸化物装置を提供する。 【解決手段】 単結晶Ｓｉ基板１上に、この単結晶Ｓｉ
基板１自身の清浄表面からなる第１の領域と、この単結
晶Ｓｉ基板１上に（１００）面方位に優先配向またはエ
ピタキシャル成長したＣｅＯ2 薄膜２からなる第２の領
域とを設ける。第１の領域上には半導体レーザー３をエ
ピタキシャル成長または原子層接着により集積化し、第
２の領域上には酸化物による光変調素子７や光検出素子
１６を設け、光集積化酸化物装置を構成する。ＣｅＯ2
薄膜２の代わりにＭｇＡｌ2 Ｏ4薄膜を用いてもよい。
に最適構造でしかも高密度で集積化することができるシ
リコン機能性母体基板およびこのシリコン機能性母体基
板を用いた光集積化酸化物装置を提供する。 【解決手段】 単結晶Ｓｉ基板１上に、この単結晶Ｓｉ
基板１自身の清浄表面からなる第１の領域と、この単結
晶Ｓｉ基板１上に（１００）面方位に優先配向またはエ
ピタキシャル成長したＣｅＯ2 薄膜２からなる第２の領
域とを設ける。第１の領域上には半導体レーザー３をエ
ピタキシャル成長または原子層接着により集積化し、第
２の領域上には酸化物による光変調素子７や光検出素子
１６を設け、光集積化酸化物装置を構成する。ＣｅＯ2
薄膜２の代わりにＭｇＡｌ2 Ｏ4薄膜を用いてもよい。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明はシリコン機能性母
体基板および光集積化酸化物装置に関し、特に、シリコ
ン上で展開される光集積化酸化物エレクトロニクスに適
用して好適なものである。
体基板および光集積化酸化物装置に関し、特に、シリコ
ン上で展開される光集積化酸化物エレクトロニクスに適
用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】酸化物薄膜材料は、１９８６年に報告さ
れた高温超伝導酸化物に端を発し((1)Z. Phys. B.,64,1
89-193(1986)) 、この数年で驚異的に発展してきている
ことは周知の事実である（例えば、(2)MRS Bulletin,XV
II,No.8,16-54(1992) 、(3)MRSBulletin,XIX,No.9,21-5
5(1994)）。
れた高温超伝導酸化物に端を発し((1)Z. Phys. B.,64,1
89-193(1986)) 、この数年で驚異的に発展してきている
ことは周知の事実である（例えば、(2)MRS Bulletin,XV
II,No.8,16-54(1992) 、(3)MRSBulletin,XIX,No.9,21-5
5(1994)）。
【０００３】一方、１９５０年代の一時期に精力的に研
究されながら、強誘電体薄膜の界面制御の難しさなどに
より産業に浸透しなかった、強誘電体を用いたメモリデ
バイス（例えば、(4)Electrical Engineering,71,916-9
22(1952)、(5)Bell Labs. Record,33,335-342(1955))
が、最近、強誘電体不揮発性メモリとして新たに脚光を
浴びるようになり、その研究開発が急速に展開されてき
ている。この強誘電体不揮発性メモリの現状について
は、詳細に報告されている（例えば、(6)Appl. Phys. L
ett.,48,1439-1440(1986) 、(7) 米国特許第４７１３１
５７号、(8)IEDM Tech. Dig.,850-851(1987)、(9)IEEE
J. Solid State Circuits,23,1171-1175(1988)、(10)Te
ch. Dig. ISSCC 88,130-131(1988) 、(11)応用物理、第
62巻、第12号、1212-1215(1993) 、(12)エレクトロニク
・セラミクス、第24巻、７月号、6-10(1993)、(13)電子
材料、第33巻、第８号（1994)(「強誘電体薄膜の不揮発
性メモリへの応用」特集号) 、(14)セラミックス、第27
巻、720-727(1992))。
究されながら、強誘電体薄膜の界面制御の難しさなどに
より産業に浸透しなかった、強誘電体を用いたメモリデ
バイス（例えば、(4)Electrical Engineering,71,916-9
22(1952)、(5)Bell Labs. Record,33,335-342(1955))
が、最近、強誘電体不揮発性メモリとして新たに脚光を
浴びるようになり、その研究開発が急速に展開されてき
ている。この強誘電体不揮発性メモリの現状について
は、詳細に報告されている（例えば、(6)Appl. Phys. L
ett.,48,1439-1440(1986) 、(7) 米国特許第４７１３１
５７号、(8)IEDM Tech. Dig.,850-851(1987)、(9)IEEE
J. Solid State Circuits,23,1171-1175(1988)、(10)Te
ch. Dig. ISSCC 88,130-131(1988) 、(11)応用物理、第
62巻、第12号、1212-1215(1993) 、(12)エレクトロニク
・セラミクス、第24巻、７月号、6-10(1993)、(13)電子
材料、第33巻、第８号（1994)(「強誘電体薄膜の不揮発
性メモリへの応用」特集号) 、(14)セラミックス、第27
巻、720-727(1992))。
【０００４】また、酸化物超伝導デバイス（文献(2) お
よび(3) を参照) は当然のことながら、酸化物非線形光
学素子などの応用についても同様に、近年多くの研究開
発が行われていることは、周知の通りである。しかしな
がら、超伝導デバイスや強誘電体不揮発性メモリの分野
が著しく発展してきている一方で、光学素子の分野で
は、依然としてバルク材料が使用されるなど、シリコン
デバイスで使用されているようなリソグラフィー技術と
の融合は図られてこなかった。
よび(3) を参照) は当然のことながら、酸化物非線形光
学素子などの応用についても同様に、近年多くの研究開
発が行われていることは、周知の通りである。しかしな
がら、超伝導デバイスや強誘電体不揮発性メモリの分野
が著しく発展してきている一方で、光学素子の分野で
は、依然としてバルク材料が使用されるなど、シリコン
デバイスで使用されているようなリソグラフィー技術と
の融合は図られてこなかった。
【０００５】これに対し、本発明者は、シリコン上への
酸化物のエピタキシャル薄膜の重要性が、上述の超伝導
デバイスや強誘電体不揮発性メモリだけに限ることでは
ないことに以前より着目し、これまでに、シリコン基板
上に酸化物薄膜を積層させた酸化物積層構造およびこれ
を用いた強誘電体不揮発性メモリについていくつかの報
告または提案をしてきている（(15)特開平８−３３０５
４０号公報、(16)特開平８−３３５６７２号公報、(17)
特開平８−３４００８７号公報、(18)特願平８−３３６
１５８号、(19)J. Ceram. Soc. Japan. Int. Edition,1
03,1088-1099(1995)、(20)Mater. Sci. Eng. B.,41,166
-173(1966)）。
酸化物のエピタキシャル薄膜の重要性が、上述の超伝導
デバイスや強誘電体不揮発性メモリだけに限ることでは
ないことに以前より着目し、これまでに、シリコン基板
上に酸化物薄膜を積層させた酸化物積層構造およびこれ
を用いた強誘電体不揮発性メモリについていくつかの報
告または提案をしてきている（(15)特開平８−３３０５
４０号公報、(16)特開平８−３３５６７２号公報、(17)
特開平８−３４００８７号公報、(18)特願平８−３３６
１５８号、(19)J. Ceram. Soc. Japan. Int. Edition,1
03,1088-1099(1995)、(20)Mater. Sci. Eng. B.,41,166
-173(1966)）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】一方、光集積化酸化物
エレクトロニクスにおいては、半導体レーザーなどの半
導体発光素子を酸化物光学素子などの酸化物素子ととも
に同一基板上に集積化する必要があるが、本発明者の知
る限り、これまでは、その具体的なデバイス構造につい
てはほとんど報告されておらず、特に、酸化物をエピタ
キシャル成長させることにより酸化物素子を形成した光
集積化酸化物装置についての報告は皆無であるといって
よい。
エレクトロニクスにおいては、半導体レーザーなどの半
導体発光素子を酸化物光学素子などの酸化物素子ととも
に同一基板上に集積化する必要があるが、本発明者の知
る限り、これまでは、その具体的なデバイス構造につい
てはほとんど報告されておらず、特に、酸化物をエピタ
キシャル成長させることにより酸化物素子を形成した光
集積化酸化物装置についての報告は皆無であるといって
よい。
【０００７】したがって、この発明の目的は、酸化物光
学素子、強誘電体不揮発性メモリ、酸化物超伝導デバイ
スなどの酸化物素子と半導体レーザーなどの半導体発光
素子とを同一基板上に最適構造でしかも高密度で集積化
することができるシリコン機能性母体基板およびこのシ
リコン機能性母体基板を用いた光集積化酸化物装置を提
供することにある。
学素子、強誘電体不揮発性メモリ、酸化物超伝導デバイ
スなどの酸化物素子と半導体レーザーなどの半導体発光
素子とを同一基板上に最適構造でしかも高密度で集積化
することができるシリコン機能性母体基板およびこのシ
リコン機能性母体基板を用いた光集積化酸化物装置を提
供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成すべく、酸化物光学素子、強誘電体不揮発性メモ
リ、酸化物超伝導デバイスなどの酸化物素子と半導体レ
ーザーなどの半導体発光素子とを同一基板上に集積化す
る場合に最適な構造、材料系、プロセスなどについて詳
細な検討を行った。以下にその概要を述べる。
達成すべく、酸化物光学素子、強誘電体不揮発性メモ
リ、酸化物超伝導デバイスなどの酸化物素子と半導体レ
ーザーなどの半導体発光素子とを同一基板上に集積化す
る場合に最適な構造、材料系、プロセスなどについて詳
細な検討を行った。以下にその概要を述べる。
【０００９】まず、基板としては、半導体メモリーの基
本材料として使用実績があり、安価かつ入手容易で結晶
性にも優れた単結晶シリコン基板が選択される。
本材料として使用実績があり、安価かつ入手容易で結晶
性にも優れた単結晶シリコン基板が選択される。
【００１０】次に、単結晶シリコン基板上に酸化物素子
を形成するためには、単結晶シリコン基板上に酸化物薄
膜をエピタキシャル成長させることが好ましいが、酸化
物薄膜を単結晶シリコン基板上に直接エピタキシャル成
長させることは一般には難しい。そこで、単結晶シリコ
ン基板上にまず、この単結晶シリコン基板と格子整合す
る材料からなるバッファ層をエピタキシャル成長または
優先配向させ、その上にこのバッファ層と格子整合する
酸化物薄膜をエピタキシャル成長させることを考える。
このようにすることにより、広範囲の酸化物の中から、
形成する酸化物素子に最適な材料を選択することができ
る。このバッファ層は、その上に酸化物薄膜をエピタキ
シャル成長させることができるようにするためには、酸
化物からなるものが好ましい。ここで、この酸化物から
なるバッファ層は、単結晶シリコン基板上に直接エピタ
キシャル成長させることができることが好ましい。
を形成するためには、単結晶シリコン基板上に酸化物薄
膜をエピタキシャル成長させることが好ましいが、酸化
物薄膜を単結晶シリコン基板上に直接エピタキシャル成
長させることは一般には難しい。そこで、単結晶シリコ
ン基板上にまず、この単結晶シリコン基板と格子整合す
る材料からなるバッファ層をエピタキシャル成長または
優先配向させ、その上にこのバッファ層と格子整合する
酸化物薄膜をエピタキシャル成長させることを考える。
このようにすることにより、広範囲の酸化物の中から、
形成する酸化物素子に最適な材料を選択することができ
る。このバッファ層は、その上に酸化物薄膜をエピタキ
シャル成長させることができるようにするためには、酸
化物からなるものが好ましい。ここで、この酸化物から
なるバッファ層は、単結晶シリコン基板上に直接エピタ
キシャル成長させることができることが好ましい。
【００１１】このような単結晶シリコン基板上に直接エ
ピタキシャル成長可能な酸化物材料としては、表１に示
すように、現在、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化セ
リウム（セリア）（ＣｅＯ2 ）、α型アルミナ（α−Ａ
ｌ2 Ｏ3 ）、イットリウム安定化ジルコニウム（ＹＳ
Ｚ）およびマグネシウム・アルミニウム・スピネル（Ｍ
ｇＡｌ2 Ｏ4 ）の五種類に限られている。もちろん、こ
れ以外の酸化物が単結晶シリコン基板上に直接エピタキ
シャル成長しないことが明らかとなっているわけではな
く、これ以外に直接エピタキシャル成長可能なものがあ
る可能性はある。表１には、酸化物結晶の格子定数
（ａ、ｃ）および熱膨張率（α）を示してある（いくつ
かのデータはF.S.Galasso 著「Structure and Properti
es of Inorganic Solids」（Int.Series of Monographs
in Solid State Physics, Vol.7）に記載されているも
のを用いた）。なお、シリコン（Ｓｉ）の格子定数およ
び熱膨張率は、それぞれａ＝０．５４３０８８４ｎｍお
よびα＝３．０×１０-6／Ｋである。
ピタキシャル成長可能な酸化物材料としては、表１に示
すように、現在、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化セ
リウム（セリア）（ＣｅＯ2 ）、α型アルミナ（α−Ａ
ｌ2 Ｏ3 ）、イットリウム安定化ジルコニウム（ＹＳ
Ｚ）およびマグネシウム・アルミニウム・スピネル（Ｍ
ｇＡｌ2 Ｏ4 ）の五種類に限られている。もちろん、こ
れ以外の酸化物が単結晶シリコン基板上に直接エピタキ
シャル成長しないことが明らかとなっているわけではな
く、これ以外に直接エピタキシャル成長可能なものがあ
る可能性はある。表１には、酸化物結晶の格子定数
（ａ、ｃ）および熱膨張率（α）を示してある（いくつ
かのデータはF.S.Galasso 著「Structure and Properti
es of Inorganic Solids」（Int.Series of Monographs
in Solid State Physics, Vol.7）に記載されているも
のを用いた）。なお、シリコン（Ｓｉ）の格子定数およ
び熱膨張率は、それぞれａ＝０．５４３０８８４ｎｍお
よびα＝３．０×１０-6／Ｋである。
【００１２】
【表１】
【００１３】上述の五種類の酸化物材料、すなわちＭｇ
Ｏ、ＣｅＯ2 、α−Ａｌ2 Ｏ3 、ＹＳＺおよびＭｇＡｌ
2 Ｏ4 の中で、その構成元素の拡散による問題が少ない
ことや、その上へのペロブスカイト型酸化物のエピタキ
シャル成長の可能性が高いことなどにより最も有力なの
がＣｅＯ2 およびＭｇＡｌ2 Ｏ4 である。ところが、こ
の両者には一長一短がある。図１に、これらのＣｅＯ2
およびＭｇＡｌ2 Ｏ4の格子定数の温度依存性をＳｉの
格子定数の温度依存性とともに示す。
Ｏ、ＣｅＯ2 、α−Ａｌ2 Ｏ3 、ＹＳＺおよびＭｇＡｌ
2 Ｏ4 の中で、その構成元素の拡散による問題が少ない
ことや、その上へのペロブスカイト型酸化物のエピタキ
シャル成長の可能性が高いことなどにより最も有力なの
がＣｅＯ2 およびＭｇＡｌ2 Ｏ4 である。ところが、こ
の両者には一長一短がある。図１に、これらのＣｅＯ2
およびＭｇＡｌ2 Ｏ4の格子定数の温度依存性をＳｉの
格子定数の温度依存性とともに示す。
【００１４】図１より、単結晶シリコン基板（ただし、
面方位は（１００））との格子整合の観点からは断然、
ＣｅＯ2 の方がＭｇＡｌ2 Ｏ4 よりも優れている。しか
しながら、格子整合した場合の結晶学的積層配置に関し
ては、図２および図３に示すように、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 で
は、その上へのペロブスカイト型酸化物（ＡＢＯ3 ）の
エピタキシャル成長が非常に容易であるが、ＣｅＯ2 に
関しては大きな技術上の壁が存在していた。
面方位は（１００））との格子整合の観点からは断然、
ＣｅＯ2 の方がＭｇＡｌ2 Ｏ4 よりも優れている。しか
しながら、格子整合した場合の結晶学的積層配置に関し
ては、図２および図３に示すように、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 で
は、その上へのペロブスカイト型酸化物（ＡＢＯ3 ）の
エピタキシャル成長が非常に容易であるが、ＣｅＯ2 に
関しては大きな技術上の壁が存在していた。
【００１５】すなわち、従来は、Ｓｉ（１００）上でも
ＣｅＯ2 （１００）はエピタキシャル成長せず、ＣｅＯ
2 （１１０）がエピタキシャル成長すると多くの論文で
報告されている。実際にこれらの論文のうちＣｅＯ2 に
関係するもののほとんどが、ＣｅＯ2 （１１０）／Ｓｉ
（１００）構造しか得られないという結果を示している
（(21)Appl. Phys. Lett.,59,3604-3606(1991)) 。した
がって、この結晶学的積層配置では、まず、その上にペ
ロブスカイト型酸化物を（１００）面方位にエピタキシ
ャル成長させることは難しいと考えられる。
ＣｅＯ2 （１００）はエピタキシャル成長せず、ＣｅＯ
2 （１１０）がエピタキシャル成長すると多くの論文で
報告されている。実際にこれらの論文のうちＣｅＯ2 に
関係するもののほとんどが、ＣｅＯ2 （１１０）／Ｓｉ
（１００）構造しか得られないという結果を示している
（(21)Appl. Phys. Lett.,59,3604-3606(1991)) 。した
がって、この結晶学的積層配置では、まず、その上にペ
ロブスカイト型酸化物を（１００）面方位にエピタキシ
ャル成長させることは難しいと考えられる。
【００１６】しかしながら、本発明者らは最近、ＣｅＯ
2 （１００）／Ｓｉ（１００）の高配向膜をＭＯＣＶＤ
（有機金属化学気相成長）法で作製することに成功し
た。この研究内容についてはすでに報告されている（(1
8)特願平８−３３６１５８号、(22)3rd TIT Internatio
nal Symposium on Oxide Electronics(Yokohama,Dec.18
-20,1996) 、(23)特願平８−３３７２４１号）。
2 （１００）／Ｓｉ（１００）の高配向膜をＭＯＣＶＤ
（有機金属化学気相成長）法で作製することに成功し
た。この研究内容についてはすでに報告されている（(1
8)特願平８−３３６１５８号、(22)3rd TIT Internatio
nal Symposium on Oxide Electronics(Yokohama,Dec.18
-20,1996) 、(23)特願平８−３３７２４１号）。
【００１７】したがって、本発明者の知見によれば、Ｃ
ｅＯ2 （１００）／Ｓｉ（１００）の実現に技術的な障
害はほとんど存在しないと言える。この結果、図４に示
すように、ＣｅＯ2 （１００）上にペロブスカイト型酸
化物のＡＢＯ3 （１００）を結晶学的に完全にエピタキ
シャル成長させることが可能となった。
ｅＯ2 （１００）／Ｓｉ（１００）の実現に技術的な障
害はほとんど存在しないと言える。この結果、図４に示
すように、ＣｅＯ2 （１００）上にペロブスカイト型酸
化物のＡＢＯ3 （１００）を結晶学的に完全にエピタキ
シャル成長させることが可能となった。
【００１８】このような背景から、特願平８−３３６１
５８号において本発明者が提案したＣｅＯ2 （１００）
／Ｓｉ（１００）構造およびその製造方法が重要にな
る。この技術は、単結晶シリコン基板上に酸化物素子を
集積化する場合に、十分に活かされるはずである。
５８号において本発明者が提案したＣｅＯ2 （１００）
／Ｓｉ（１００）構造およびその製造方法が重要にな
る。この技術は、単結晶シリコン基板上に酸化物素子を
集積化する場合に、十分に活かされるはずである。
【００１９】一方、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 に関しては、ＭｇＡ
ｌ2 Ｏ4 薄膜は、ＧａＡｓ系半導体レーザー、ＧａＮ系
半導体レーザー、ＺｎＯ系半導体レーザーなどを単結晶
シリコン基板上に搭載する際の良好な下地となるので、
これを使用すれば、後述のような原子層接着を行わず
に、薄膜の成長のみで単結晶シリコン基板上に集積化す
る全ての素子を形成することが可能である。
ｌ2 Ｏ4 薄膜は、ＧａＡｓ系半導体レーザー、ＧａＮ系
半導体レーザー、ＺｎＯ系半導体レーザーなどを単結晶
シリコン基板上に搭載する際の良好な下地となるので、
これを使用すれば、後述のような原子層接着を行わず
に、薄膜の成長のみで単結晶シリコン基板上に集積化す
る全ての素子を形成することが可能である。
【００２０】次に、酸化物素子の上部電極についてであ
るが、一般には強誘電体に対する電極として白金（Ｐ
ｔ）電極が知られている（例えば、(24)J. Appl. Phy
s.,70,382-388(1991))。このＰｔ電極を用いた強誘電体
不揮発性メモリの代表例に、ＰＺＴ薄膜を一対のＰｔ電
極間にはさんだ構造を有するＦｅＲＡＭがあるが、Ｐｔ
電極のはがれが起きやすかったり、経時変化を示すいわ
ゆるファティーグ特性が悪いものが多かった。これは、
Ｐｔ電極との界面の近傍におけるＰＺＴ薄膜の酸素欠損
や、ＰＺＴの自発分極値が大きいこと、すなわち格子変
位量が大きいことに由来する結合力の疲労などの因子が
複雑に絡んで起こるものと考えられている（例えば、(2
5)J. Appl. Phys.,70,382-388(1991))。
るが、一般には強誘電体に対する電極として白金（Ｐ
ｔ）電極が知られている（例えば、(24)J. Appl. Phy
s.,70,382-388(1991))。このＰｔ電極を用いた強誘電体
不揮発性メモリの代表例に、ＰＺＴ薄膜を一対のＰｔ電
極間にはさんだ構造を有するＦｅＲＡＭがあるが、Ｐｔ
電極のはがれが起きやすかったり、経時変化を示すいわ
ゆるファティーグ特性が悪いものが多かった。これは、
Ｐｔ電極との界面の近傍におけるＰＺＴ薄膜の酸素欠損
や、ＰＺＴの自発分極値が大きいこと、すなわち格子変
位量が大きいことに由来する結合力の疲労などの因子が
複雑に絡んで起こるものと考えられている（例えば、(2
5)J. Appl. Phys.,70,382-388(1991))。
【００２１】また、Ｐｔはその加工性にも問題があるだ
けでなく、界面の酸素欠損防止の面からも次に述べる酸
化物電極群が注目されている。
けでなく、界面の酸素欠損防止の面からも次に述べる酸
化物電極群が注目されている。
【００２２】すなわち、例えば、強誘電体不揮発性メモ
リ用の電極として、ＳｒＲｕＯ3 電極に関して多くの研
究がなされている（(26)Science,258,1766-1769(1992)
、(27)Mater. Res. Soc. Symp. Proc.,310,145-150(19
93)、(28)Appl. Phys. Lett.,63,2570-2572(1993)、(2
9)Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 341,229-240 (199
3)、(30)E6.8, MRS Fall Meeting at Boston (Nov.28,1
995)、(31)Appl. Phys. Lett., 66, 2197-2199 (199
5))。
リ用の電極として、ＳｒＲｕＯ3 電極に関して多くの研
究がなされている（(26)Science,258,1766-1769(1992)
、(27)Mater. Res. Soc. Symp. Proc.,310,145-150(19
93)、(28)Appl. Phys. Lett.,63,2570-2572(1993)、(2
9)Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 341,229-240 (199
3)、(30)E6.8, MRS Fall Meeting at Boston (Nov.28,1
995)、(31)Appl. Phys. Lett., 66, 2197-2199 (199
5))。
【００２３】また、同じく強誘電体不揮発性メモリ用の
電極として、ＬａＳｒＣｏＯ3 電極についても多くの研
究がなされている（(32)Appl. Phys. Lett.,63,3592-35
94(1993)、(33)Appl. Phys. Lett.,64,1588-1590(199
4)、(34)Appl. Phys. Lett.,64,2511-2513(1994)、(35)
Appl. Phys. Lett.,66,1337-1339(1995)) 。
電極として、ＬａＳｒＣｏＯ3 電極についても多くの研
究がなされている（(32)Appl. Phys. Lett.,63,3592-35
94(1993)、(33)Appl. Phys. Lett.,64,1588-1590(199
4)、(34)Appl. Phys. Lett.,64,2511-2513(1994)、(35)
Appl. Phys. Lett.,66,1337-1339(1995)) 。
【００２４】さらに、同じく強誘電体不揮発性メモリ用
の電極として、ＹＢＣＯ相やＬＳＣＯ相などの超伝導酸
化物電極についても多くの研究がなされている（(36)Sc
ience,252,944-946(1991) 、(37)Appl. Phys. Lett.,6
1,1537-1539(1992)、(38)Appl. Phys. Lett.,63,27-29
(1993)、(39)Appl. Phys. Lett.,63,30-32(1993)、(40)
J. Am. Ceram. Soc.,76,3141-3143(1993) 、(41)Appl.
Phys. Lett.,64,1050-1052(1994)、(42)Appl. Phys. Le
tt.,64,3646-3648(1994)、(43)Appl. Phys. Lett.,66,2
493-2495(1995)、(44)Appl. Phys. Lett.,64,3181-3183
(1994)、(45)Appl. Phys. Lett.,66,2069-2071(1995)、
(46)Appl. Phys. Lett.,67,554-556(1995)、(47)J. App
l. Phys.,77,6466-6471(1995) 、(48)J. Appl. Phys.,7
8,4591-4595(1995) 、(49)5th Int. Supercond. Ele.Co
nf./ISEC'95(Sept.18-21,Nagoya,Japan)(1995)pp.246-2
48、(50)Jpn. J. Appl. Phys.,33,5182-5186(1994)、(5
1)Physica C,235-240,739-740(1994) 、(52)Appl. Phy
s. Lett.,66,299-301(1995)、(53)Appl. Phys. Lett.,6
6,1172-1174(1995)、(54)Appl. Phys. Lett.,67,58-60
(1995)) 。
の電極として、ＹＢＣＯ相やＬＳＣＯ相などの超伝導酸
化物電極についても多くの研究がなされている（(36)Sc
ience,252,944-946(1991) 、(37)Appl. Phys. Lett.,6
1,1537-1539(1992)、(38)Appl. Phys. Lett.,63,27-29
(1993)、(39)Appl. Phys. Lett.,63,30-32(1993)、(40)
J. Am. Ceram. Soc.,76,3141-3143(1993) 、(41)Appl.
Phys. Lett.,64,1050-1052(1994)、(42)Appl. Phys. Le
tt.,64,3646-3648(1994)、(43)Appl. Phys. Lett.,66,2
493-2495(1995)、(44)Appl. Phys. Lett.,64,3181-3183
(1994)、(45)Appl. Phys. Lett.,66,2069-2071(1995)、
(46)Appl. Phys. Lett.,67,554-556(1995)、(47)J. App
l. Phys.,77,6466-6471(1995) 、(48)J. Appl. Phys.,7
8,4591-4595(1995) 、(49)5th Int. Supercond. Ele.Co
nf./ISEC'95(Sept.18-21,Nagoya,Japan)(1995)pp.246-2
48、(50)Jpn. J. Appl. Phys.,33,5182-5186(1994)、(5
1)Physica C,235-240,739-740(1994) 、(52)Appl. Phy
s. Lett.,66,299-301(1995)、(53)Appl. Phys. Lett.,6
6,1172-1174(1995)、(54)Appl. Phys. Lett.,67,58-60
(1995)) 。
【００２５】特に、電極材料として、強誘電体層と同じ
ペロブスカイト関連構造を有する導電性酸化物を使用す
れば、残留分極値の向上（例えば、(55)Mater. Res. So
c. Symp. Proc.,401,139-149(1996)) だけでなく、ファ
ティーグ特性の回復および向上も図ることができること
が報告されている（例えば、(56)Jpn. J. Appl. Phys.,
33,5207(1994))。
ペロブスカイト関連構造を有する導電性酸化物を使用す
れば、残留分極値の向上（例えば、(55)Mater. Res. So
c. Symp. Proc.,401,139-149(1996)) だけでなく、ファ
ティーグ特性の回復および向上も図ることができること
が報告されている（例えば、(56)Jpn. J. Appl. Phys.,
33,5207(1994))。
【００２６】しかしながら、上述の強誘電体不揮発性メ
モリや酸化物超伝導デバイス、さらにはＬｉＮｂＯ3 、
ＬｉＴａＯ3 、ＫＴａ1-x Ｎｂx Ｏ3 などを用いた酸化
物光学素子などのこれまでの研究開発（例えば、(57)Ma
ter. Res. Soc. Symp. Proc.,341,253(1994)、(58)Mate
r. Res. Soc. Symp. Proc.,341,265(1994)）では、それ
らの基板に関する考察がほとんどなされておらず、問題
があった。実際に、例えば酸化物光学素子は、これまで
はほとんど単体のものであり、単結晶シリコン基板上に
成長された膜を用いたものに関しては、ほとんど知られ
ていないのが現状である。また、強誘電体バルク単結晶
の物性値はほとんど知られており、バルク材料として新
たな物性を今後見い出すのは極めて難しい状況にある。
しかしながら、この発明におけるようなエピタキシャル
単結晶化の技術思想の下では、電極に酸化物を使用する
ことにより、より一層強調させることになると考えられ
るが、膜面内に二次元的な圧縮応力（ＧＰａ級）が生じ
るため、従来知られていないような、光偏向、光変調、
高調波（２倍波、３倍波など）、あるいは、ラマンナー
ス散乱などの超音波物性などの非線形効果を引き出し得
る可能性を秘めている。
モリや酸化物超伝導デバイス、さらにはＬｉＮｂＯ3 、
ＬｉＴａＯ3 、ＫＴａ1-x Ｎｂx Ｏ3 などを用いた酸化
物光学素子などのこれまでの研究開発（例えば、(57)Ma
ter. Res. Soc. Symp. Proc.,341,253(1994)、(58)Mate
r. Res. Soc. Symp. Proc.,341,265(1994)）では、それ
らの基板に関する考察がほとんどなされておらず、問題
があった。実際に、例えば酸化物光学素子は、これまで
はほとんど単体のものであり、単結晶シリコン基板上に
成長された膜を用いたものに関しては、ほとんど知られ
ていないのが現状である。また、強誘電体バルク単結晶
の物性値はほとんど知られており、バルク材料として新
たな物性を今後見い出すのは極めて難しい状況にある。
しかしながら、この発明におけるようなエピタキシャル
単結晶化の技術思想の下では、電極に酸化物を使用する
ことにより、より一層強調させることになると考えられ
るが、膜面内に二次元的な圧縮応力（ＧＰａ級）が生じ
るため、従来知られていないような、光偏向、光変調、
高調波（２倍波、３倍波など）、あるいは、ラマンナー
ス散乱などの超音波物性などの非線形効果を引き出し得
る可能性を秘めている。
【００２７】このような背景から、単結晶シリコン基板
上に酸化物薄膜を積層していく途中あるいは最終段階
で、電極として導電性酸化物薄膜を積極的に使用するこ
とが考えられるわけである（文献(15)〜(20)を参照) 。
上に酸化物薄膜を積層していく途中あるいは最終段階
で、電極として導電性酸化物薄膜を積極的に使用するこ
とが考えられるわけである（文献(15)〜(20)を参照) 。
【００２８】さて、酸化物素子の電極材料としての導電
性酸化物については、ペロブスカイト型結晶構造を有す
る酸化物には多くの導電性酸化物群があり、これら全て
がその候補と言える。これらの導電性酸化物のうち、一
般式ＡＢＯ3 で表される単純ペロブスカイト型酸化物の
具体例を挙げると、下記の通りである。
性酸化物については、ペロブスカイト型結晶構造を有す
る酸化物には多くの導電性酸化物群があり、これら全て
がその候補と言える。これらの導電性酸化物のうち、一
般式ＡＢＯ3 で表される単純ペロブスカイト型酸化物の
具体例を挙げると、下記の通りである。
【００２９】
【化１】
【００３０】
【化２】
【００３１】
【化３】
【００３２】
【化４】
【００３３】
【化５】
【００３４】
【化６】
【００３５】
【化７】
【００３６】また、導電性酸化物のうち層状ペロブスカ
イト型酸化物としては、
イト型酸化物としては、
【００３７】
【化８】
【００３８】が挙げられる。その具体例をいくつか挙げ
ると、ＳｒＲｕＯ3 、ＳｒＩｒＯ3 、Ｓｒ2 ＲｕＯ4 、
Ｓｒ2 ＩｒＯ4 などである。
ると、ＳｒＲｕＯ3 、ＳｒＩｒＯ3 、Ｓｒ2 ＲｕＯ4 、
Ｓｒ2 ＩｒＯ4 などである。
【００３９】層状ペロブスカイト型酸化物としては、こ
れらのほかに例えばＢａ2 ＲｕＯ4などもある。
れらのほかに例えばＢａ2 ＲｕＯ4などもある。
【００４０】電極材料としては、上に挙げたもののほか
に、いわゆる高温超伝導酸化物も候補と考えられる。そ
の具体例をいくつか挙げると、下記の通りである。
に、いわゆる高温超伝導酸化物も候補と考えられる。そ
の具体例をいくつか挙げると、下記の通りである。
【００４１】
【化９】
【００４２】
【化１０】
【００４３】
【化１１】
【００４４】
【化１２】
【００４５】
【化１３】
【００４６】このように、電極材料としては実に多くの
候補があるが、このうち特に興味深いのは、その非拡散
性によるＳｒ−Ｒｕ（Ｉｒ）−Ｏ系および超伝導酸化物
群である。前者では、ＳｒＲｕＯ3 、Ｓｒ2 ＲｕＯ4 、
ＳｒＩｒＯ3 、Ｓｒ2 ＩｒＯ4 などがそのペロブスカイ
ト型結晶構造のコヒーレンシーを維持し、拡散も少ない
ことから最良の電極材料の一つである。後者の超伝導酸
化物を電極として使用した場合、動作温度が超伝導転移
温度以下であればサイズ効果を少なくし得るという報告
もあり、今後に期待がもてる材料である（(59)Phys. So
lid State,36,1778-1781(1994)) 。
候補があるが、このうち特に興味深いのは、その非拡散
性によるＳｒ−Ｒｕ（Ｉｒ）−Ｏ系および超伝導酸化物
群である。前者では、ＳｒＲｕＯ3 、Ｓｒ2 ＲｕＯ4 、
ＳｒＩｒＯ3 、Ｓｒ2 ＩｒＯ4 などがそのペロブスカイ
ト型結晶構造のコヒーレンシーを維持し、拡散も少ない
ことから最良の電極材料の一つである。後者の超伝導酸
化物を電極として使用した場合、動作温度が超伝導転移
温度以下であればサイズ効果を少なくし得るという報告
もあり、今後に期待がもてる材料である（(59)Phys. So
lid State,36,1778-1781(1994)) 。
【００４７】特に、（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4-d 、
すなわちいわゆるＴ´相は、本発明者らによって、Ｎｄ
2 ＣｕＯ4 からなる母体材料へのＣｅ固溶と酸素欠陥と
の導入により超伝導になることが発見された物質でもあ
り（例えば、(60)特許第２５６９７８０号）、高真空を
要するデバイスプロセスには好適な材料系である。
すなわちいわゆるＴ´相は、本発明者らによって、Ｎｄ
2 ＣｕＯ4 からなる母体材料へのＣｅ固溶と酸素欠陥と
の導入により超伝導になることが発見された物質でもあ
り（例えば、(60)特許第２５６９７８０号）、高真空を
要するデバイスプロセスには好適な材料系である。
【００４８】次に、ＣｅＯ2 からなるバッファ層上に積
層される強誘電性酸化物薄膜材料に関しては、格子定数
がＣｅＯ2 の格子定数に近いこと、ペロブスカイト関連
結晶構造を有していること、誘電率が高い、あるいは強
誘電性に優れていること、そして、現実的な問題ではあ
るが、下地であるＣｅＯ2 からなるバッファ層との間で
拡散の問題が生じないこと、の四点を満足する必要があ
る。これに関しては、多くのペロブスカイト型誘電性酸
化物ＡＢＯ3 がこれらの諸条件を満足し得ると考えられ
る。このことは上述の通りである。
層される強誘電性酸化物薄膜材料に関しては、格子定数
がＣｅＯ2 の格子定数に近いこと、ペロブスカイト関連
結晶構造を有していること、誘電率が高い、あるいは強
誘電性に優れていること、そして、現実的な問題ではあ
るが、下地であるＣｅＯ2 からなるバッファ層との間で
拡散の問題が生じないこと、の四点を満足する必要があ
る。これに関しては、多くのペロブスカイト型誘電性酸
化物ＡＢＯ3 がこれらの諸条件を満足し得ると考えられ
る。このことは上述の通りである。
【００４９】特に、シリコン上に基本結晶学的積層配置
ＡＢＯ3 （００１）／ＣｅＯ2 （１００）／Ｓｉ（１０
０）を実現し得ることは、後述するいくつかの種類の強
誘電体不揮発性メモリに十分適合するものであるだけで
なく、これによって、多くの利点が得られる。
ＡＢＯ3 （００１）／ＣｅＯ2 （１００）／Ｓｉ（１０
０）を実現し得ることは、後述するいくつかの種類の強
誘電体不揮発性メモリに十分適合するものであるだけで
なく、これによって、多くの利点が得られる。
【００５０】さらに、ＡＢＯ3 （００１）／ＣｅＯ
2 （１００）の界面を良好なものにすることが、電気的
に問題となるトラップを生じさせないためにも必要であ
るという観点から、これらの界面に、第２のバッファ層
として、同じペロブスカイト型結晶構造を有し、しかも
ＢサイトがＣｅで占められている物質、すなわちＲＣｅ
Ｏ3 （Ｒ＝Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｐｂ，Ｍｇ，Ｂｉ，Ｌ
ｉ，Ａｇ，Ｎａ，Ｋ，Ｙ，Ｌｎ）を形成すれば、良好な
界面を形成することができるはずである。これは格子整
合の観点からも元素拡散の観点からも支持される材料設
計である。このようなより改善されたＳｉ上の基本結晶
学的積層配置はＡＢＯ3 （００１）／ＲＣｅＯ3 （００
１）／ＣｅＯ2 （１００）／Ｓｉ（１００）となる。こ
の積層配置は、ＣｅＯ2 からなるバッファ層の最表面に
最初に堆積させる元素をＲ原子とすることにより実現す
ることができる。その際、あまりＲ原子のみを堆積させ
すぎないことが肝要であり、また、適度な基板温度ある
いは熱処理温度により、Ｃｅ原子の拡散を促進させるこ
とも重要である。
2 （１００）の界面を良好なものにすることが、電気的
に問題となるトラップを生じさせないためにも必要であ
るという観点から、これらの界面に、第２のバッファ層
として、同じペロブスカイト型結晶構造を有し、しかも
ＢサイトがＣｅで占められている物質、すなわちＲＣｅ
Ｏ3 （Ｒ＝Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｐｂ，Ｍｇ，Ｂｉ，Ｌ
ｉ，Ａｇ，Ｎａ，Ｋ，Ｙ，Ｌｎ）を形成すれば、良好な
界面を形成することができるはずである。これは格子整
合の観点からも元素拡散の観点からも支持される材料設
計である。このようなより改善されたＳｉ上の基本結晶
学的積層配置はＡＢＯ3 （００１）／ＲＣｅＯ3 （００
１）／ＣｅＯ2 （１００）／Ｓｉ（１００）となる。こ
の積層配置は、ＣｅＯ2 からなるバッファ層の最表面に
最初に堆積させる元素をＲ原子とすることにより実現す
ることができる。その際、あまりＲ原子のみを堆積させ
すぎないことが肝要であり、また、適度な基板温度ある
いは熱処理温度により、Ｃｅ原子の拡散を促進させるこ
とも重要である。
【００５１】次に、半導体レーザーなどの半導体発光素
子を単結晶シリコン基板上に搭載する技術としては、ま
ず第１に、その搭載部位における単結晶シリコン基板の
表面を清浄化しておき、この清浄化された領域上に半導
体層を直接エピタキシャル成長させて半導体発光素子を
形成する方法がある。単結晶シリコン基板上に半導体層
を直接エピタキシャル成長させるのが難しければ、第２
の方法として、原子層接着技術により半導体発光素子を
単結晶シリコン基板上に接着する方法がある。
子を単結晶シリコン基板上に搭載する技術としては、ま
ず第１に、その搭載部位における単結晶シリコン基板の
表面を清浄化しておき、この清浄化された領域上に半導
体層を直接エピタキシャル成長させて半導体発光素子を
形成する方法がある。単結晶シリコン基板上に半導体層
を直接エピタキシャル成長させるのが難しければ、第２
の方法として、原子層接着技術により半導体発光素子を
単結晶シリコン基板上に接着する方法がある。
【００５２】この原子層接着技術（圧縮接合ともいう）
について説明する。この技術は最近注目されつつある技
術である（例えば、(61)機械技術研究所報Vol.50(1996)
No.3,53-58、(62)日本金属学会誌、第55巻、第９号、10
02-1010(1991) 、(63)エレクトロニク・セラミクス、第
22巻、第113 号、20-26(1991))。この技術は二つの物体
を接着剤なしに強固に接着することができる方法であ
り、簡単に言うと、高真空中で、両者の接合面を一旦ア
ルゴンイオンなどでイオンミリング（イオンエッチン
グ）することにより清浄表面を出し、高真空中で両者を
ゆっくりと目的の位置に位置決めして圧着するものであ
り、この圧着によって、一方の物体の最表面原子層にあ
る原子の結合が他方の物体の最表面原子層にある原子の
結合手と結び付き、通常の原子間力以上に強固の力で接
合されるというものである。この原子層接着のために
は、蒸着機やスパッタリング装置、あるいは分子線エピ
タキシー（ＭＢＥ）装置などの高真空または超高真空装
置が必要であり、さらに、内部に位置合わせを行うこと
ができる工夫が施されていること、イオンエッチングを
同時に行うことができることが必要不可欠である。この
原子層接着技術によれば、あらかじめ形成された半導体
発光素子を単結晶シリコン基板上の所望の部位に搭載す
ることができる。
について説明する。この技術は最近注目されつつある技
術である（例えば、(61)機械技術研究所報Vol.50(1996)
No.3,53-58、(62)日本金属学会誌、第55巻、第９号、10
02-1010(1991) 、(63)エレクトロニク・セラミクス、第
22巻、第113 号、20-26(1991))。この技術は二つの物体
を接着剤なしに強固に接着することができる方法であ
り、簡単に言うと、高真空中で、両者の接合面を一旦ア
ルゴンイオンなどでイオンミリング（イオンエッチン
グ）することにより清浄表面を出し、高真空中で両者を
ゆっくりと目的の位置に位置決めして圧着するものであ
り、この圧着によって、一方の物体の最表面原子層にあ
る原子の結合が他方の物体の最表面原子層にある原子の
結合手と結び付き、通常の原子間力以上に強固の力で接
合されるというものである。この原子層接着のために
は、蒸着機やスパッタリング装置、あるいは分子線エピ
タキシー（ＭＢＥ）装置などの高真空または超高真空装
置が必要であり、さらに、内部に位置合わせを行うこと
ができる工夫が施されていること、イオンエッチングを
同時に行うことができることが必要不可欠である。この
原子層接着技術によれば、あらかじめ形成された半導体
発光素子を単結晶シリコン基板上の所望の部位に搭載す
ることができる。
【００５３】この発明は、本発明者による上記考察に基
づいて、案出されたものである。
づいて、案出されたものである。
【００５４】すなわち、上記目的を達成するために、こ
の発明の第１の発明は、単結晶シリコン基板上に、単結
晶シリコン基板自身の表面からなる第１の領域と、単結
晶シリコン基板上に（１００）面方位に優先配向または
エピタキシャル成長した酸化セリウム層からなる第２の
領域とを有することを特徴とするシリコン機能性母体基
板である。
の発明の第１の発明は、単結晶シリコン基板上に、単結
晶シリコン基板自身の表面からなる第１の領域と、単結
晶シリコン基板上に（１００）面方位に優先配向または
エピタキシャル成長した酸化セリウム層からなる第２の
領域とを有することを特徴とするシリコン機能性母体基
板である。
【００５５】この発明の第２の発明は、単結晶シリコン
基板上に、単結晶シリコン基板自身の表面からなる第１
の領域と、単結晶シリコン基板上に（１００）面方位に
優先配向またはエピタキシャル成長したマグネシウム・
アルミニウム・スピネル層からなる第２の領域とを有す
ることを特徴とするシリコン機能性母体基板である。
基板上に、単結晶シリコン基板自身の表面からなる第１
の領域と、単結晶シリコン基板上に（１００）面方位に
優先配向またはエピタキシャル成長したマグネシウム・
アルミニウム・スピネル層からなる第２の領域とを有す
ることを特徴とするシリコン機能性母体基板である。
【００５６】この発明の第３の発明は、単結晶シリコン
基板上に酸化セリウム層が（１００）面方位に優先配向
またはエピタキシャル成長し、酸化セリウム層上に部分
的にマグネシウム・アルミニウム・スピネル層がエピタ
キシャル成長していることを特徴とするシリコン機能性
母体基板である。
基板上に酸化セリウム層が（１００）面方位に優先配向
またはエピタキシャル成長し、酸化セリウム層上に部分
的にマグネシウム・アルミニウム・スピネル層がエピタ
キシャル成長していることを特徴とするシリコン機能性
母体基板である。
【００５７】この発明の第４の発明は、単結晶シリコン
基板上に酸化セリウム層が（１００）面方位に優先配向
またはエピタキシャル成長し、酸化セリウム層上にマグ
ネシウム・アルミニウム・スピネル層がエピタキシャル
成長していることを特徴とするシリコン機能性母体基板
である。
基板上に酸化セリウム層が（１００）面方位に優先配向
またはエピタキシャル成長し、酸化セリウム層上にマグ
ネシウム・アルミニウム・スピネル層がエピタキシャル
成長していることを特徴とするシリコン機能性母体基板
である。
【００５８】この発明の第５の発明は、単結晶シリコン
基板上に、単結晶シリコン基板自身の表面からなる第１
の領域と、単結晶シリコン基板上に（１００）面方位に
優先配向またはエピタキシャル成長した酸化セリウム層
からなる第２の領域とを有し、第１の領域上に半導体発
光素子がエピタキシャル成長により形成されていること
を特徴とする光集積化酸化物装置である。
基板上に、単結晶シリコン基板自身の表面からなる第１
の領域と、単結晶シリコン基板上に（１００）面方位に
優先配向またはエピタキシャル成長した酸化セリウム層
からなる第２の領域とを有し、第１の領域上に半導体発
光素子がエピタキシャル成長により形成されていること
を特徴とする光集積化酸化物装置である。
【００５９】この発明の第６の発明は、単結晶シリコン
基板上に、単結晶シリコン基板自身の表面からなる第１
の領域と、単結晶シリコン基板上に（１００）面方位に
優先配向またはエピタキシャル成長したマグネシウム・
アルミニウム・スピネル層からなる第２の領域とを有
し、第１の領域上に半導体発光素子がエピタキシャル成
長により形成されていることを特徴とする光集積化酸化
物装置である。
基板上に、単結晶シリコン基板自身の表面からなる第１
の領域と、単結晶シリコン基板上に（１００）面方位に
優先配向またはエピタキシャル成長したマグネシウム・
アルミニウム・スピネル層からなる第２の領域とを有
し、第１の領域上に半導体発光素子がエピタキシャル成
長により形成されていることを特徴とする光集積化酸化
物装置である。
【００６０】この発明の第７の発明は、単結晶シリコン
基板上に、単結晶シリコン基板自身の表面からなる第１
の領域と、単結晶シリコン基板上に（１００）面方位に
優先配向またはエピタキシャル成長した酸化セリウム層
からなる第２の領域とを有し、第１の領域上に半導体発
光素子が原子層接着されていることを特徴とする光集積
化酸化物装置である。
基板上に、単結晶シリコン基板自身の表面からなる第１
の領域と、単結晶シリコン基板上に（１００）面方位に
優先配向またはエピタキシャル成長した酸化セリウム層
からなる第２の領域とを有し、第１の領域上に半導体発
光素子が原子層接着されていることを特徴とする光集積
化酸化物装置である。
【００６１】この発明の第７の発明においては、典型的
には、酸化セリウム層上に光変調素子および光検出素子
のうちの少なくとも一方がエピタキシャル成長により形
成される。
には、酸化セリウム層上に光変調素子および光検出素子
のうちの少なくとも一方がエピタキシャル成長により形
成される。
【００６２】この発明の第８の発明は、単結晶シリコン
基板上に、単結晶シリコン基板自身の表面からなる第１
の領域と、単結晶シリコン基板上に（１００）面方位に
優先配向またはエピタキシャル成長したマグネシウム・
アルミニウム・スピネル層からなる第２の領域とを有
し、第１の領域上に半導体発光素子が原子層接着されて
いることを特徴とする光集積化酸化物装置である。
基板上に、単結晶シリコン基板自身の表面からなる第１
の領域と、単結晶シリコン基板上に（１００）面方位に
優先配向またはエピタキシャル成長したマグネシウム・
アルミニウム・スピネル層からなる第２の領域とを有
し、第１の領域上に半導体発光素子が原子層接着されて
いることを特徴とする光集積化酸化物装置である。
【００６３】この発明の第８の発明においては、典型的
には、マグネシウム・アルミニウム・スピネル層上に光
変調素子および光検出素子のうちの少なくとも一方がエ
ピタキシャル成長により形成される。
には、マグネシウム・アルミニウム・スピネル層上に光
変調素子および光検出素子のうちの少なくとも一方がエ
ピタキシャル成長により形成される。
【００６４】この発明の第９の発明は、単結晶シリコン
基板上に酸化セリウム層が（１００）面方位に優先配向
またはエピタキシャル成長し、酸化セリウム層上に部分
的にマグネシウム・アルミニウム・スピネル層がエピタ
キシャル成長し、マグネシウム・アルミニウム・スピネ
ル層上に半導体発光素子がエピタキシャル成長により形
成され、酸化セリウム層上に光変調素子および光検出素
子のうちの少なくとも一方がエピタキシャル成長により
形成されていることを特徴とする光集積化酸化物装置で
ある。
基板上に酸化セリウム層が（１００）面方位に優先配向
またはエピタキシャル成長し、酸化セリウム層上に部分
的にマグネシウム・アルミニウム・スピネル層がエピタ
キシャル成長し、マグネシウム・アルミニウム・スピネ
ル層上に半導体発光素子がエピタキシャル成長により形
成され、酸化セリウム層上に光変調素子および光検出素
子のうちの少なくとも一方がエピタキシャル成長により
形成されていることを特徴とする光集積化酸化物装置で
ある。
【００６５】この発明の第１０の発明は、単結晶シリコ
ン基板上に酸化セリウム層が（１００）面方位に優先配
向またはエピタキシャル成長し、酸化セリウム層上にマ
グネシウム・アルミニウム・スピネル層がエピタキシャ
ル成長し、マグネシウム・アルミニウム・スピネル層上
に半導体発光素子、光変調素子および光検出素子のうち
の少なくとも二つがエピタキシャル成長により形成され
ていることを特徴とする光集積化酸化物装置である。
ン基板上に酸化セリウム層が（１００）面方位に優先配
向またはエピタキシャル成長し、酸化セリウム層上にマ
グネシウム・アルミニウム・スピネル層がエピタキシャ
ル成長し、マグネシウム・アルミニウム・スピネル層上
に半導体発光素子、光変調素子および光検出素子のうち
の少なくとも二つがエピタキシャル成長により形成され
ていることを特徴とする光集積化酸化物装置である。
【００６６】この発明において、単結晶シリコン基板
は、好適には（１００）面方位であるが、第２および第
６の発明においては（１１１）面方位であってもよい。
は、好適には（１００）面方位であるが、第２および第
６の発明においては（１１１）面方位であってもよい。
【００６７】この発明において、光変調素子および光検
出素子は、典型的には、強誘電性、圧電性または焦電性
酸化物薄膜を含む。これらの強誘電性、圧電性または焦
電性酸化物薄膜は、ペロブスカイト型結晶構造、イルメ
ナイト型結晶構造またはＧｄＦｅＯ3 型結晶構造を有す
る（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｐｂ，Ｍｇ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｎ
ａ，Ｋ，Ｙ，Ｓｂ，Ｌｉ，Ｌｎ）（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｓｎ，
Ｔｈ，Ｃｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ｇａ，Ａｌ，Ｎ
ｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｐｂ）Ｏ3 （ただし、Ｂａ＋Ｓ
ｒ＋Ｃａ＋Ｐｂ＋Ｍｇ＋Ｂｉ＋Ａｇ＋Ｎａ＋Ｋ＋Ｙ＋Ｓ
ｂ＋Ｌｉ＋Ｌｎ＝１、Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ｓｎ＋Ｔｈ＋Ｃｅ＋
Ｒｕ＋Ｒｈ＋Ｉｒ＋Ｃｕ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｎｂ＋Ｔａ＋Ｓ
ｂ＋Ｂｉ＋Ｐｂ＝１）からなる酸化物薄膜によって構成
してもよいし、これらのうちの二種類以上の酸化物薄膜
からなる酸化物人工超格子によって構成してもよい。
出素子は、典型的には、強誘電性、圧電性または焦電性
酸化物薄膜を含む。これらの強誘電性、圧電性または焦
電性酸化物薄膜は、ペロブスカイト型結晶構造、イルメ
ナイト型結晶構造またはＧｄＦｅＯ3 型結晶構造を有す
る（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｐｂ，Ｍｇ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｎ
ａ，Ｋ，Ｙ，Ｓｂ，Ｌｉ，Ｌｎ）（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｓｎ，
Ｔｈ，Ｃｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ｇａ，Ａｌ，Ｎ
ｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｐｂ）Ｏ3 （ただし、Ｂａ＋Ｓ
ｒ＋Ｃａ＋Ｐｂ＋Ｍｇ＋Ｂｉ＋Ａｇ＋Ｎａ＋Ｋ＋Ｙ＋Ｓ
ｂ＋Ｌｉ＋Ｌｎ＝１、Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ｓｎ＋Ｔｈ＋Ｃｅ＋
Ｒｕ＋Ｒｈ＋Ｉｒ＋Ｃｕ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｎｂ＋Ｔａ＋Ｓ
ｂ＋Ｂｉ＋Ｐｂ＝１）からなる酸化物薄膜によって構成
してもよいし、これらのうちの二種類以上の酸化物薄膜
からなる酸化物人工超格子によって構成してもよい。
【００６８】この発明において、半導体発光素子は、典
型的には半導体レーザーであり、具体的には、例えば、
赤色発光のＧａＡｓ系半導体レーザー、青緑色発光のＺ
ｎＳｅ系半導体レーザー、青色発光のＧａＮ系半導体レ
ーザー、紫外ＺｎＯ系半導体レーザー（(64)23rd Int.
Conf. on the Physics of Semiconductors,2,1453-1456
(1996)、(65)第25回薄膜・表面物理セミナー（応用物理
学会主催）、1997年７月24日〜25日、39-44)などであ
る。これらのうちＧａＡｓ系半導体レーザーおよびＺｎ
Ｓｅ系半導体レーザーは、単結晶シリコン基板上へのエ
ピタキシャル成長によって形成することは難しいので原
子層接着技術により搭載するのが好ましいが、ＧａＮ系
半導体レーザーおよびＺｎＯ系半導体レーザーは、単結
晶シリコン基板上にエピタキシャル成長を行うことによ
り形成することができるので、それらを単結晶シリコン
基板上に搭載するのに原子層接着技術を用いる必要は、
必ずしもない。また、例えば、ＺｎＯ系半導体レーザー
を単結晶シリコン基板上にエピタキシャル成長により形
成する場合、（１００）面方位の単結晶Ｓｉ基板上に
（０００１）面方位のサファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）薄膜を
まずエピタキシャル成長させ、その上に（０００１）面
方位のＺｎＯ薄膜をエピタキシャル成長させることがで
きる。
型的には半導体レーザーであり、具体的には、例えば、
赤色発光のＧａＡｓ系半導体レーザー、青緑色発光のＺ
ｎＳｅ系半導体レーザー、青色発光のＧａＮ系半導体レ
ーザー、紫外ＺｎＯ系半導体レーザー（(64)23rd Int.
Conf. on the Physics of Semiconductors,2,1453-1456
(1996)、(65)第25回薄膜・表面物理セミナー（応用物理
学会主催）、1997年７月24日〜25日、39-44)などであ
る。これらのうちＧａＡｓ系半導体レーザーおよびＺｎ
Ｓｅ系半導体レーザーは、単結晶シリコン基板上へのエ
ピタキシャル成長によって形成することは難しいので原
子層接着技術により搭載するのが好ましいが、ＧａＮ系
半導体レーザーおよびＺｎＯ系半導体レーザーは、単結
晶シリコン基板上にエピタキシャル成長を行うことによ
り形成することができるので、それらを単結晶シリコン
基板上に搭載するのに原子層接着技術を用いる必要は、
必ずしもない。また、例えば、ＺｎＯ系半導体レーザー
を単結晶シリコン基板上にエピタキシャル成長により形
成する場合、（１００）面方位の単結晶Ｓｉ基板上に
（０００１）面方位のサファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）薄膜を
まずエピタキシャル成長させ、その上に（０００１）面
方位のＺｎＯ薄膜をエピタキシャル成長させることがで
きる。
【００６９】この発明において、単結晶シリコン基板上
の酸化セリウム層上にペロブスカイト型結晶構造のＡＢ
Ｏ3 層を成長させる場合、酸化セリウム層上に第２のバ
ッファ層として同じペロブスカイト型結晶構造を有し、
しかもＢサイトがＣｅであるような物質であるＲＣｅＯ
3 層（ただし、Ｒ＝Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ）を成長さ
せてから、その上にＡＢＯ3 層を成長させるのが好まし
い。これは、格子整合の観点からも、元素拡散の観点か
らも支持される。この場合、第２のバッファ層としての
ＲＣｅＯ3 層は、第１のバッファ層としてのＣｅＯ2 層
とＡＢＯ3 層との結晶学的コヒーレンシーを維持しつ
つ、結晶欠陥をなくすことにより、電気的なトラップを
消滅させる働きがある。さらに、ＡＢＯ3 層上に導電性
酸化物薄膜を電極として積層する場合、この導電性酸化
物薄膜のＡＢＯ3 層に対する密着性および結晶学的コヒ
ーレンシーは良好であるので、はがれの問題や、空間電
荷層などに由来すると考えられている疲労（ファティー
グ）の問題はない。このことは、酸化物素子のみなら
ず、強誘電体不揮発性メモリや超伝導デバイスなどにも
同様に言える。
の酸化セリウム層上にペロブスカイト型結晶構造のＡＢ
Ｏ3 層を成長させる場合、酸化セリウム層上に第２のバ
ッファ層として同じペロブスカイト型結晶構造を有し、
しかもＢサイトがＣｅであるような物質であるＲＣｅＯ
3 層（ただし、Ｒ＝Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ）を成長さ
せてから、その上にＡＢＯ3 層を成長させるのが好まし
い。これは、格子整合の観点からも、元素拡散の観点か
らも支持される。この場合、第２のバッファ層としての
ＲＣｅＯ3 層は、第１のバッファ層としてのＣｅＯ2 層
とＡＢＯ3 層との結晶学的コヒーレンシーを維持しつ
つ、結晶欠陥をなくすことにより、電気的なトラップを
消滅させる働きがある。さらに、ＡＢＯ3 層上に導電性
酸化物薄膜を電極として積層する場合、この導電性酸化
物薄膜のＡＢＯ3 層に対する密着性および結晶学的コヒ
ーレンシーは良好であるので、はがれの問題や、空間電
荷層などに由来すると考えられている疲労（ファティー
グ）の問題はない。このことは、酸化物素子のみなら
ず、強誘電体不揮発性メモリや超伝導デバイスなどにも
同様に言える。
【００７０】この発明において、単結晶シリコン基板と
その上の酸化セリウム層またはマグネシウム・アルミニ
ウム・スピネル層との間には厚さが２０ｎｍ以下、典型
的には厚さが数ｎｍ〜十数ｎｍのアモルファス層が存在
することもある。
その上の酸化セリウム層またはマグネシウム・アルミニ
ウム・スピネル層との間には厚さが２０ｎｍ以下、典型
的には厚さが数ｎｍ〜十数ｎｍのアモルファス層が存在
することもある。
【００７１】この発明においては、必要に応じて、光集
積化酸化物装置を、小型のペルティエ素子などの電子冷
凍装置に接合して冷却を行うようにしてもよい。
積化酸化物装置を、小型のペルティエ素子などの電子冷
凍装置に接合して冷却を行うようにしてもよい。
【００７２】上述のように構成されたこの発明において
は、単結晶シリコン基板上にバッファ層として酸化セリ
ウム層またはマグネシウム・アルミニウム・スピネル層
が設けられたシリコン機能性母体基板を用い、その上に
エピタキシャル成長技術や原子層接着技術により半導体
発光素子、光変調素子、光検出素子などの酸化物素子を
集積化することができる。この場合、少なくとも酸化物
素子については、酸化物薄膜をエピタキシャル成長させ
た後、これらの酸化物薄膜をリソグラフィー技術を用い
てパターニングすることにより形成することができるた
め、高密度に集積化することができる。また、単結晶シ
リコン基板上へのエピタキシャル成長によっては形成す
ることが難しい半導体発光素子、例えばＧａＡｓ系半導
体レーザーやＺｎＳｅ系半導体レーザーは原子層接着に
より単結晶シリコン基板上に搭載することができるの
で、所望の半導体発光素子を集積化することができる。
そして、同一の単結晶シリコン基板上に半導体発光素
子、光変調素子、光検出素子などの素子を集積化するこ
とができるため、光信号処理を極めて容易に行うことが
できる。また、光変調素子や光検出素子の機能性薄膜を
構成する酸化物薄膜として酸化物薄膜超格子を用いた
り、大きな二次元圧縮応力が存在するものを用いたりす
ることにより、素子特性を大幅に向上させることがで
き、ひいては光集積化酸化物装置の高性能化を図ること
ができる。
は、単結晶シリコン基板上にバッファ層として酸化セリ
ウム層またはマグネシウム・アルミニウム・スピネル層
が設けられたシリコン機能性母体基板を用い、その上に
エピタキシャル成長技術や原子層接着技術により半導体
発光素子、光変調素子、光検出素子などの酸化物素子を
集積化することができる。この場合、少なくとも酸化物
素子については、酸化物薄膜をエピタキシャル成長させ
た後、これらの酸化物薄膜をリソグラフィー技術を用い
てパターニングすることにより形成することができるた
め、高密度に集積化することができる。また、単結晶シ
リコン基板上へのエピタキシャル成長によっては形成す
ることが難しい半導体発光素子、例えばＧａＡｓ系半導
体レーザーやＺｎＳｅ系半導体レーザーは原子層接着に
より単結晶シリコン基板上に搭載することができるの
で、所望の半導体発光素子を集積化することができる。
そして、同一の単結晶シリコン基板上に半導体発光素
子、光変調素子、光検出素子などの素子を集積化するこ
とができるため、光信号処理を極めて容易に行うことが
できる。また、光変調素子や光検出素子の機能性薄膜を
構成する酸化物薄膜として酸化物薄膜超格子を用いた
り、大きな二次元圧縮応力が存在するものを用いたりす
ることにより、素子特性を大幅に向上させることがで
き、ひいては光集積化酸化物装置の高性能化を図ること
ができる。
【００７３】なお、酸化物素子を強誘電体薄膜のエピタ
キシャル成長により形成することには、いわゆるサイズ
効果を克服することができるという意味がある。このサ
イズ効果とは、強誘電体薄膜の膜厚を減少させたとき、
この強誘電体薄膜は強誘電性を保持することができる
か、というものである。これは、室温で正方晶（強誘電
性）が安定である物質の粒径が非常に小さくなると、あ
る値を境にしてそれ以下の粒径で急激に立方晶に変化し
て強誘電性を失う現象で、従来はもっぱら微粒子に対し
て議論されてきた。つまり、これは三次元的なサイズ縮
小による物性変化と言える。このサイズ効果は、具体的
には、例えばＢａＴｉＯ3 多結晶薄膜の場合は０．１μ
ｍ以下である。ＰＺＴ多結晶薄膜の場合も、同様な結果
が得られている。このサイズ効果は、エピタキシャル成
長層に人工超格子のような格子歪を適度に導入する材料
設計を施すことにより大幅に抑制することが可能であ
る。
キシャル成長により形成することには、いわゆるサイズ
効果を克服することができるという意味がある。このサ
イズ効果とは、強誘電体薄膜の膜厚を減少させたとき、
この強誘電体薄膜は強誘電性を保持することができる
か、というものである。これは、室温で正方晶（強誘電
性）が安定である物質の粒径が非常に小さくなると、あ
る値を境にしてそれ以下の粒径で急激に立方晶に変化し
て強誘電性を失う現象で、従来はもっぱら微粒子に対し
て議論されてきた。つまり、これは三次元的なサイズ縮
小による物性変化と言える。このサイズ効果は、具体的
には、例えばＢａＴｉＯ3 多結晶薄膜の場合は０．１μ
ｍ以下である。ＰＺＴ多結晶薄膜の場合も、同様な結果
が得られている。このサイズ効果は、エピタキシャル成
長層に人工超格子のような格子歪を適度に導入する材料
設計を施すことにより大幅に抑制することが可能であ
る。
【００７４】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態につい
て図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図
において、同一または対応する部分には同一の符号を付
す。
て図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図
において、同一または対応する部分には同一の符号を付
す。
【００７５】図５は、この発明の第１の実施形態による
光集積化酸化物装置を示す。図１に示すように、この第
１の実施形態による光集積化酸化物装置においては、
（１００）面方位の単結晶Ｓｉ基板１上に、この単結晶
Ｓｉ基板１自身の清浄表面からなる領域Ａと、この単結
晶Ｓｉ基板１上に（１００）面方位に優先配向またはエ
ピタキシャル成長したＣｅＯ2 薄膜２からなる領域Ｂと
が設けられている。ＣｅＯ2 薄膜２はバッファ層を構成
する。単結晶Ｓｉ基板１は、不純物をドープしたもので
あっても、ノンドープのものであってもよい。また、こ
れらの領域Ａ、Ｂは実際には単結晶Ｓｉ基板１上に多数
設けられているが、ここではそれぞれ一つのみ示してあ
る。
光集積化酸化物装置を示す。図１に示すように、この第
１の実施形態による光集積化酸化物装置においては、
（１００）面方位の単結晶Ｓｉ基板１上に、この単結晶
Ｓｉ基板１自身の清浄表面からなる領域Ａと、この単結
晶Ｓｉ基板１上に（１００）面方位に優先配向またはエ
ピタキシャル成長したＣｅＯ2 薄膜２からなる領域Ｂと
が設けられている。ＣｅＯ2 薄膜２はバッファ層を構成
する。単結晶Ｓｉ基板１は、不純物をドープしたもので
あっても、ノンドープのものであってもよい。また、こ
れらの領域Ａ、Ｂは実際には単結晶Ｓｉ基板１上に多数
設けられているが、ここではそれぞれ一つのみ示してあ
る。
【００７６】単結晶Ｓｉ基板１自身の清浄表面からなる
領域Ａ上には、ＧａＡｓ基板上にレーザー構造を構成す
る半導体層が積層されたＧａＡｓ系半導体レーザー３が
そのＧａＡｓ基板の裏面が原子層接着されることにより
搭載されている。符号３ａは活性層を示す。
領域Ａ上には、ＧａＡｓ基板上にレーザー構造を構成す
る半導体層が積層されたＧａＡｓ系半導体レーザー３が
そのＧａＡｓ基板の裏面が原子層接着されることにより
搭載されている。符号３ａは活性層を示す。
【００７７】ＣｅＯ2 薄膜２の所定領域の上には（１０
０）面方位のＳｒＲｕＯ3 薄膜４、（００１）面方位の
ＰＬＺＴ薄膜５および（１００）面方位のＳｒＲｕＯ3
薄膜６が順次積層されており、これらのＳｒＲｕＯ3 薄
膜４、ＰＬＺＴ薄膜５およびＳｒＲｕＯ3 薄膜６により
光変調素子７が構成されている。ここで、ＳｒＲｕＯ3
薄膜４およびＳｒＲｕＯ3 薄膜６は、それぞれ下部電極
および上部電極を構成する。これらのＳｒＲｕＯ3 薄膜
４およびＳｒＲｕＯ3 薄膜６の比抵抗値は１００〜３０
０μΩ・ｃｍであり、電極として用いるのに十分低い値
である。ＰＬＺＴ薄膜５は非線形光学特性を有する光変
調用の光学薄膜を構成する。
０）面方位のＳｒＲｕＯ3 薄膜４、（００１）面方位の
ＰＬＺＴ薄膜５および（１００）面方位のＳｒＲｕＯ3
薄膜６が順次積層されており、これらのＳｒＲｕＯ3 薄
膜４、ＰＬＺＴ薄膜５およびＳｒＲｕＯ3 薄膜６により
光変調素子７が構成されている。ここで、ＳｒＲｕＯ3
薄膜４およびＳｒＲｕＯ3 薄膜６は、それぞれ下部電極
および上部電極を構成する。これらのＳｒＲｕＯ3 薄膜
４およびＳｒＲｕＯ3 薄膜６の比抵抗値は１００〜３０
０μΩ・ｃｍであり、電極として用いるのに十分低い値
である。ＰＬＺＴ薄膜５は非線形光学特性を有する光変
調用の光学薄膜を構成する。
【００７８】ＣｅＯ2 薄膜２の別の所定領域の上には、
（００１）面方位の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜
８、（００１）面方位のＰｂＴｉＯ3 薄膜９、（００
１）面方位の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１０、
（１００）面方位のＣｅＯ2 薄膜１１、（００１）面方
位の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１２、（００
１）面方位のＰｂＴｉＯ3 薄膜１３および（００１）面
方位の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１４が順次積
層されている。そして、（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4
薄膜８、ＰｂＴｉＯ3 薄膜９および（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）
2 ＣｕＯ4 薄膜１０により焦電素子からなる光検出素子
１５が構成されている。また、（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 Ｃ
ｕＯ4 薄膜１２、ＰｂＴｉＯ3 薄膜１３および（Ｎｄ
1-x Ｃｅx ）2ＣｕＯ4 薄膜１４により焦電素子からな
るもう一つの光検出素子１６が構成されている。ここ
で、（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜８および（Ｎｄ
1-x Ｃｅx）2 ＣｕＯ4 薄膜１０は、それぞれ光検出素
子１５の下部電極および上部電極を構成し、ＰｂＴｉＯ
3 薄膜９は焦電体薄膜を構成する。同様に、（Ｎｄ1-x
Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１２および（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）
2 ＣｕＯ4 薄膜１４は、それぞれ光検出素子１６の下部
電極および上部電極を構成し、ＰｂＴｉＯ3 薄膜１３は
焦電体薄膜を構成する。ＣｅＯ2 薄膜１１は光検出素子
１５と光検出素子１６とを互いに電気的に絶縁するため
の絶縁層を構成する。
（００１）面方位の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜
８、（００１）面方位のＰｂＴｉＯ3 薄膜９、（００
１）面方位の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１０、
（１００）面方位のＣｅＯ2 薄膜１１、（００１）面方
位の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１２、（００
１）面方位のＰｂＴｉＯ3 薄膜１３および（００１）面
方位の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１４が順次積
層されている。そして、（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4
薄膜８、ＰｂＴｉＯ3 薄膜９および（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）
2 ＣｕＯ4 薄膜１０により焦電素子からなる光検出素子
１５が構成されている。また、（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 Ｃ
ｕＯ4 薄膜１２、ＰｂＴｉＯ3 薄膜１３および（Ｎｄ
1-x Ｃｅx ）2ＣｕＯ4 薄膜１４により焦電素子からな
るもう一つの光検出素子１６が構成されている。ここ
で、（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜８および（Ｎｄ
1-x Ｃｅx）2 ＣｕＯ4 薄膜１０は、それぞれ光検出素
子１５の下部電極および上部電極を構成し、ＰｂＴｉＯ
3 薄膜９は焦電体薄膜を構成する。同様に、（Ｎｄ1-x
Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１２および（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）
2 ＣｕＯ4 薄膜１４は、それぞれ光検出素子１６の下部
電極および上部電極を構成し、ＰｂＴｉＯ3 薄膜１３は
焦電体薄膜を構成する。ＣｅＯ2 薄膜１１は光検出素子
１５と光検出素子１６とを互いに電気的に絶縁するため
の絶縁層を構成する。
【００７９】上述のように構成されたこの第１の実施形
態による光集積化酸化物装置においては、半導体レーザ
ー３の活性層３ａから発生する光Ｌがこの光変調素子７
に入射する。このとき、光変調素子７の下部電極である
ＳｒＲｕＯ3 薄膜４と上部電極であるＳｒＲｕＯ3 薄膜
６との間に電圧を印加することにより、光Ｌの進行方向
に垂直な方向のＰＬＺＴ薄膜５の屈折率が変化する結
果、光Ｌは偏向される。このときの光Ｌの屈折角は、光
変調素子７を通る光の光路超格子と電気光学定数とによ
る。したがって、後述のようなＰＬＺＴ薄膜５における
二次元歪みを利用することにより、従来達成されていな
かったような大きな偏向角を得ることができ、信号処理
を確実に行うことができるようになる。
態による光集積化酸化物装置においては、半導体レーザ
ー３の活性層３ａから発生する光Ｌがこの光変調素子７
に入射する。このとき、光変調素子７の下部電極である
ＳｒＲｕＯ3 薄膜４と上部電極であるＳｒＲｕＯ3 薄膜
６との間に電圧を印加することにより、光Ｌの進行方向
に垂直な方向のＰＬＺＴ薄膜５の屈折率が変化する結
果、光Ｌは偏向される。このときの光Ｌの屈折角は、光
変調素子７を通る光の光路超格子と電気光学定数とによ
る。したがって、後述のようなＰＬＺＴ薄膜５における
二次元歪みを利用することにより、従来達成されていな
かったような大きな偏向角を得ることができ、信号処理
を確実に行うことができるようになる。
【００８０】次に、この第１の実施形態による光集積化
酸化物装置の製造方法について説明する。
酸化物装置の製造方法について説明する。
【００８１】まず、図６に示すように、単結晶Ｓｉ基板
１を用意する。この単結晶Ｓｉ基板１のサイズは必要に
応じて選択することができるが、例えば直径８インチ程
度の大口径のものを用いることができる。
１を用意する。この単結晶Ｓｉ基板１のサイズは必要に
応じて選択することができるが、例えば直径８インチ程
度の大口径のものを用いることができる。
【００８２】次に、図７に示すように、単結晶Ｓｉ基板
１に例えばいわゆるＲＣＡ洗浄を施して表面を清浄化し
た後、この清浄表面をマスク１７で覆う。このマスク１
７の材料は必要に応じて選ぶことができるが、例えばＡ
ｕを用いることができる。
１に例えばいわゆるＲＣＡ洗浄を施して表面を清浄化し
た後、この清浄表面をマスク１７で覆う。このマスク１
７の材料は必要に応じて選ぶことができるが、例えばＡ
ｕを用いることができる。
【００８３】次に、図８に示すように、マスク１７で覆
われていない部分の単結晶Ｓｉ基板１の表面に水素終端
処理を施す。
われていない部分の単結晶Ｓｉ基板１の表面に水素終端
処理を施す。
【００８４】次に、図９に示すように、マスク１７で覆
われていない部分の単結晶Ｓｉ基板１の水素終端処理が
施された表面にＭＯＣＶＤ法によりＣｅＯ2 薄膜２を
（１００）面方位にエピタキシャル成長させる。このＭ
ＯＣＶＤ法によるＣｅＯ2 薄膜２のエピタキシャル成長
は具体的には次のようにして行う。すなわち、成長には
ホットウォール型反応容器を用い、有機金属化合物原料
であるＣｅ（ＤＰＭ）4（これはＣｅ（ｔｈｄ）4 と略
記されることがある。ＤＰＭはジピバロイルメタン、ｔ
ｈｄは２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタ
ンジオンを意味する。）をＣｅ原料として用いる。キャ
リアガスとしてはアルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ2 ）との
混合ガスを用いる。反応容器は通常、１０Ｔｏｒｒ以下
に減圧される。このＭＯＣＶＤ法によるＣｅＯ2 薄膜２
のエピタキシャル成長においては、成長時の基板温度が
７００℃を超えると、その上にエピタキシャル成長され
るＣｅＯ2 薄膜２の面方位は徐々に（１００）ではなく
なり、（１１１）面方位のＣｅＯ2 薄膜２が成長するよ
うになる。したがって、成長時の基板温度は、７００℃
以下が好ましい。一方、基板温度が６００℃を下回る
と、その上に成長するＣｅＯ2 薄膜の結晶性が著しく悪
化する。このため、基板温度は６００〜７００℃の範囲
が最適である。このようにして成長されるＣｅＯ2 薄膜
２の膜厚は３０〜１００ｎｍ程度である。
われていない部分の単結晶Ｓｉ基板１の水素終端処理が
施された表面にＭＯＣＶＤ法によりＣｅＯ2 薄膜２を
（１００）面方位にエピタキシャル成長させる。このＭ
ＯＣＶＤ法によるＣｅＯ2 薄膜２のエピタキシャル成長
は具体的には次のようにして行う。すなわち、成長には
ホットウォール型反応容器を用い、有機金属化合物原料
であるＣｅ（ＤＰＭ）4（これはＣｅ（ｔｈｄ）4 と略
記されることがある。ＤＰＭはジピバロイルメタン、ｔ
ｈｄは２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタ
ンジオンを意味する。）をＣｅ原料として用いる。キャ
リアガスとしてはアルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ2 ）との
混合ガスを用いる。反応容器は通常、１０Ｔｏｒｒ以下
に減圧される。このＭＯＣＶＤ法によるＣｅＯ2 薄膜２
のエピタキシャル成長においては、成長時の基板温度が
７００℃を超えると、その上にエピタキシャル成長され
るＣｅＯ2 薄膜２の面方位は徐々に（１００）ではなく
なり、（１１１）面方位のＣｅＯ2 薄膜２が成長するよ
うになる。したがって、成長時の基板温度は、７００℃
以下が好ましい。一方、基板温度が６００℃を下回る
と、その上に成長するＣｅＯ2 薄膜の結晶性が著しく悪
化する。このため、基板温度は６００〜７００℃の範囲
が最適である。このようにして成長されるＣｅＯ2 薄膜
２の膜厚は３０〜１００ｎｍ程度である。
【００８５】次に、図１０に示すように、例えばＭＢＥ
法により、ＣｅＯ2 薄膜２上に（００１）面方位の（Ｎ
ｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜８をエピタキシャル成長
させる。このときの基板温度は例えば６００〜８００℃
とする。また、成長後に例えば８００℃程度の温度でポ
ストアニールを行うことにより、ＣｅＯ2 薄膜２からこ
の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜８にＣｅが自己拡
散して高い電気伝導性を帯びるようになる。
法により、ＣｅＯ2 薄膜２上に（００１）面方位の（Ｎ
ｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜８をエピタキシャル成長
させる。このときの基板温度は例えば６００〜８００℃
とする。また、成長後に例えば８００℃程度の温度でポ
ストアニールを行うことにより、ＣｅＯ2 薄膜２からこ
の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜８にＣｅが自己拡
散して高い電気伝導性を帯びるようになる。
【００８６】次に、ＭＢＥ法により、（００１）面方位
のＰｂＴｉＯ3 薄膜９をエピタキシャル成長させる。こ
のＭＢＥ法によるＰｂＴｉＯ3 薄膜９のエピタキシャル
成長は具体的には例えば次のようにして行うことができ
る。すなわち、ＭＢＥ装置の超高真空容器において、電
子ビームによるＴｉの蒸発源とクヌーセンセル（Ｋセ
ル）によるＰｂの蒸発源とを用意する。そして、この超
高真空容器内にＯ2 ガスを制御性よく導入し、全圧を１
０-4Ｔｏｒｒ程度に保持して、電子ビームによるＴｉの
蒸発速度とＰｂのＫセルのシャッターとを適度に制御し
て、反射高速電子回折（ＲＨＥＥＤ）振動を検出し、フ
ィードバックさせながら成長を行う。この成長時の基板
温度は、例えば５００〜９００℃の範囲であるが、より
良質な膜を得るには、７００℃以上が好ましい。
のＰｂＴｉＯ3 薄膜９をエピタキシャル成長させる。こ
のＭＢＥ法によるＰｂＴｉＯ3 薄膜９のエピタキシャル
成長は具体的には例えば次のようにして行うことができ
る。すなわち、ＭＢＥ装置の超高真空容器において、電
子ビームによるＴｉの蒸発源とクヌーセンセル（Ｋセ
ル）によるＰｂの蒸発源とを用意する。そして、この超
高真空容器内にＯ2 ガスを制御性よく導入し、全圧を１
０-4Ｔｏｒｒ程度に保持して、電子ビームによるＴｉの
蒸発速度とＰｂのＫセルのシャッターとを適度に制御し
て、反射高速電子回折（ＲＨＥＥＤ）振動を検出し、フ
ィードバックさせながら成長を行う。この成長時の基板
温度は、例えば５００〜９００℃の範囲であるが、より
良質な膜を得るには、７００℃以上が好ましい。
【００８７】次に、上述と同様な方法により、（００
１）面方位の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１０、
（１００）面方位のＣｅＯ2 薄膜１１、（００１）面方
位の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１２、（００
１）面方位のＰｂＴｉＯ3 薄膜１３および（００１）面
方位の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１４を順次エ
ピタキシャル成長させる。
１）面方位の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１０、
（１００）面方位のＣｅＯ2 薄膜１１、（００１）面方
位の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１２、（００
１）面方位のＰｂＴｉＯ3 薄膜１３および（００１）面
方位の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１４を順次エ
ピタキシャル成長させる。
【００８８】次に、（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜
１４上に例えばＳｉＯ2 膜からなるマスク（図示せず）
を形成した後、このマスクを用いて、（Ｎｄ1-x Ｃ
ｅx ）2ＣｕＯ4 薄膜１４、ＰｂＴｉＯ3 薄膜１３、
（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１２、ＣｅＯ2 薄膜
１１、（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１０、ＰｂＴ
ｉＯ3 薄膜９および（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜
８をエッチングすることによりパターニングする。これ
によって、図１０に示すように、光検出素子１５、１６
が形成される。
１４上に例えばＳｉＯ2 膜からなるマスク（図示せず）
を形成した後、このマスクを用いて、（Ｎｄ1-x Ｃ
ｅx ）2ＣｕＯ4 薄膜１４、ＰｂＴｉＯ3 薄膜１３、
（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１２、ＣｅＯ2 薄膜
１１、（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１０、ＰｂＴ
ｉＯ3 薄膜９および（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜
８をエッチングすることによりパターニングする。これ
によって、図１０に示すように、光検出素子１５、１６
が形成される。
【００８９】次に、光検出素子１５、１６の表面を例え
ばＳｉＯ2 膜のようなマスク（図示せず）で覆った状態
で、例えばＭＢＥ法により、（１００）面方位のＳｒＲ
ｕＯ3 薄膜４をエピタキシャル成長させる。このＳｒＲ
ｕＯ3 薄膜４は元来斜方晶であるが、エピタキシャル成
長時には、その結晶構造がペロブスカイト類似構造から
ペロブスカイト構造となって成長する。
ばＳｉＯ2 膜のようなマスク（図示せず）で覆った状態
で、例えばＭＢＥ法により、（１００）面方位のＳｒＲ
ｕＯ3 薄膜４をエピタキシャル成長させる。このＳｒＲ
ｕＯ3 薄膜４は元来斜方晶であるが、エピタキシャル成
長時には、その結晶構造がペロブスカイト類似構造から
ペロブスカイト構造となって成長する。
【００９０】次に、同様にして、ＭＢＥ法により、ＰＬ
ＺＴ薄膜４およびＳｒＲｕＯ3 薄膜５を順次エピタキシ
ャル成長させる。
ＺＴ薄膜４およびＳｒＲｕＯ3 薄膜５を順次エピタキシ
ャル成長させる。
【００９１】次に、マスク１７を除去してこのマスク１
７で覆われていた部分の単結晶Ｓｉ基板１の表面を露出
させる。
７で覆われていた部分の単結晶Ｓｉ基板１の表面を露出
させる。
【００９２】次に、図１２に示すように、この露出した
部分の単結晶Ｓｉ基板１の表面をアルゴンイオンエッチ
ングして清浄化する。一方、あらかじめＧａＡｓ基板上
にＧａＡｓ系半導体層をエピタキシャル成長させてレー
ザー構造を形成し、さらに上部電極まで形成したＧａＡ
ｓ系半導体レーザー３を用意し、同一の高真空チャンバ
ー内でこのＧａＡｓ系半導体レーザー３のＧａＡｓ基板
の裏面をアルゴンイオンエッチングにより清浄化する。
この後、高真空チャンバー内で、露出した単結晶Ｓｉ基
板１の表面の所定位置にＧａＡｓ系半導体レーザー３を
位置決めし、そのＧａＡｓ基板の裏面を単結晶Ｓｉ基板
１の表面に接合し、圧着する。これによって、単結晶Ｓ
ｉ基板１の表面とＧａＡｓ系半導体レーザー３のＧａＡ
ｓ基板の裏面とが原子層接着される。
部分の単結晶Ｓｉ基板１の表面をアルゴンイオンエッチ
ングして清浄化する。一方、あらかじめＧａＡｓ基板上
にＧａＡｓ系半導体層をエピタキシャル成長させてレー
ザー構造を形成し、さらに上部電極まで形成したＧａＡ
ｓ系半導体レーザー３を用意し、同一の高真空チャンバ
ー内でこのＧａＡｓ系半導体レーザー３のＧａＡｓ基板
の裏面をアルゴンイオンエッチングにより清浄化する。
この後、高真空チャンバー内で、露出した単結晶Ｓｉ基
板１の表面の所定位置にＧａＡｓ系半導体レーザー３を
位置決めし、そのＧａＡｓ基板の裏面を単結晶Ｓｉ基板
１の表面に接合し、圧着する。これによって、単結晶Ｓ
ｉ基板１の表面とＧａＡｓ系半導体レーザー３のＧａＡ
ｓ基板の裏面とが原子層接着される。
【００９３】この後、単結晶Ｓｉ基板１をチップ化す
る。これによって、図５に示す目的とする光集積化酸化
物装置が製造される。
る。これによって、図５に示す目的とする光集積化酸化
物装置が製造される。
【００９４】この第１の実施形態によれば、以下のよう
な種々の利点を得ることができる。すなわち、単結晶Ｓ
ｉ基板１上に基本的な光関連素子、具体的には、ＧａＡ
ｓ系半導体レーザー３、光変調素子７および光検出素子
１５、１６を高密度で集積化することができる。しか
も、ＧａＡｓ系半導体レーザー３は、通常の製造プロセ
スによりあらかじめ製造されたものを単結晶Ｓｉ基板１
に原子層接着しているので、単結晶Ｓｉ基板１上に半導
体層をエピタキシャル成長させることにより形成する場
合に比べて、集積化が容易である。さらに、光変調素子
７および光検出素子１５、１６を構成する酸化物薄膜は
エピタキシャル成長により形成していることにより、そ
の機能性薄膜部分、具体的には光変調素子７のＰＬＺＴ
薄膜５や光検出素子１５、１６のＰｂＴｉＯ3 薄膜９、
１３には、従来では考えられないような数ＧＰａ級の極
めて大きな二次元圧縮応力が生じるので、非線形光学特
性の大幅な向上を図ることができる。これに関し、格子
歪誘起強誘電性の概念のイメージを図１３および図１４
に示す。これは、下地格子との格子不整合により導入さ
れた二次元圧縮応力によるキュリー点の著しい上昇の結
果現れる驚異的な強誘電性が期待されるからである。こ
の物性は一般には下地からの膜厚に依存するため、格子
緩和しない範囲での超格子の周期が好適である。
な種々の利点を得ることができる。すなわち、単結晶Ｓ
ｉ基板１上に基本的な光関連素子、具体的には、ＧａＡ
ｓ系半導体レーザー３、光変調素子７および光検出素子
１５、１６を高密度で集積化することができる。しか
も、ＧａＡｓ系半導体レーザー３は、通常の製造プロセ
スによりあらかじめ製造されたものを単結晶Ｓｉ基板１
に原子層接着しているので、単結晶Ｓｉ基板１上に半導
体層をエピタキシャル成長させることにより形成する場
合に比べて、集積化が容易である。さらに、光変調素子
７および光検出素子１５、１６を構成する酸化物薄膜は
エピタキシャル成長により形成していることにより、そ
の機能性薄膜部分、具体的には光変調素子７のＰＬＺＴ
薄膜５や光検出素子１５、１６のＰｂＴｉＯ3 薄膜９、
１３には、従来では考えられないような数ＧＰａ級の極
めて大きな二次元圧縮応力が生じるので、非線形光学特
性の大幅な向上を図ることができる。これに関し、格子
歪誘起強誘電性の概念のイメージを図１３および図１４
に示す。これは、下地格子との格子不整合により導入さ
れた二次元圧縮応力によるキュリー点の著しい上昇の結
果現れる驚異的な強誘電性が期待されるからである。こ
の物性は一般には下地からの膜厚に依存するため、格子
緩和しない範囲での超格子の周期が好適である。
【００９５】以上のように、この第１の実施形態によれ
ば、構造の最適化により、優れた特性を有し、かつ信頼
性の高い高集積かつ高密度の光集積化酸化物装置を実現
することができる。
ば、構造の最適化により、優れた特性を有し、かつ信頼
性の高い高集積かつ高密度の光集積化酸化物装置を実現
することができる。
【００９６】図１５はこの第２の実施形態による光集積
化酸化物装置を示す。図１５に示すように、この第２の
実施形態による光集積化酸化物装置においては、光変調
素子７はＰＬＺＴ薄膜５からなり、このＰＬＺＴ薄膜５
上にくし型電極１８ａ、１８ｂが設けられている。この
光変調素子７においては、そのくし型電極１８ａ、１８
ｂの間に電圧を印加することにより、ＰＬＺＴ薄膜５の
面内に屈折率分布を生じさせることができるため、この
光変調素子７に入射する光の進行方向を面内で変化させ
ることができる。そこで、これに応じて、光検出素子１
５、１６は、横方向（基板面に平行な方向）に配置され
ている。その他のことは第１の実施形態による光集積化
酸化物装置と同様であるので、説明を省略する。
化酸化物装置を示す。図１５に示すように、この第２の
実施形態による光集積化酸化物装置においては、光変調
素子７はＰＬＺＴ薄膜５からなり、このＰＬＺＴ薄膜５
上にくし型電極１８ａ、１８ｂが設けられている。この
光変調素子７においては、そのくし型電極１８ａ、１８
ｂの間に電圧を印加することにより、ＰＬＺＴ薄膜５の
面内に屈折率分布を生じさせることができるため、この
光変調素子７に入射する光の進行方向を面内で変化させ
ることができる。そこで、これに応じて、光検出素子１
５、１６は、横方向（基板面に平行な方向）に配置され
ている。その他のことは第１の実施形態による光集積化
酸化物装置と同様であるので、説明を省略する。
【００９７】この第２の実施形態による光集積化酸化物
装置によれば、第１の実施形態による光集積化酸化物装
置と同様な利点を得ることができるほか、横方向への光
信号の伝達により信号処理を行うことができるという利
点をも得ることができる。
装置によれば、第１の実施形態による光集積化酸化物装
置と同様な利点を得ることができるほか、横方向への光
信号の伝達により信号処理を行うことができるという利
点をも得ることができる。
【００９８】図１６はこの発明の第３の実施形態による
光集積化酸化物装置を示す。図１６に示すように、この
第３の実施形態による光集積化酸化物装置においては、
（１１１）面方位の単結晶Ｓｉ基板２１上にＭｇＡｌ2
Ｏ4 薄膜２２が（１１１）面方位にエピタキシャル成長
している。このＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜２２はバッファ層を
構成する。
光集積化酸化物装置を示す。図１６に示すように、この
第３の実施形態による光集積化酸化物装置においては、
（１１１）面方位の単結晶Ｓｉ基板２１上にＭｇＡｌ2
Ｏ4 薄膜２２が（１１１）面方位にエピタキシャル成長
している。このＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜２２はバッファ層を
構成する。
【００９９】ＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜２２の所定領域の上に
は、ＧａＮ系半導体レーザー２３がエピタキシャル成長
により形成されている。
は、ＧａＮ系半導体レーザー２３がエピタキシャル成長
により形成されている。
【０１００】ＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜２２の別の所定領域の
上にはＳｒＲｕＯ3 薄膜２４が積層され、このＳｒＲｕ
Ｏ3 薄膜２４上にＬｉＮｂＯ3 薄膜２５が積層されてい
る。このＬｉＮｂＯ3 薄膜２５の上部には周期的ドメイ
ン反転層２６が作り込まれている。これらのＳｒＲｕＯ
3 薄膜２４、ＬｉＮｂＯ3 薄膜２５および周期的ドメイ
ン反転層２６により、第２高調波発生素子２７が構成さ
れている。ここで、ＳｒＲｕＯ3 薄膜２４は電極を構成
する。
上にはＳｒＲｕＯ3 薄膜２４が積層され、このＳｒＲｕ
Ｏ3 薄膜２４上にＬｉＮｂＯ3 薄膜２５が積層されてい
る。このＬｉＮｂＯ3 薄膜２５の上部には周期的ドメイ
ン反転層２６が作り込まれている。これらのＳｒＲｕＯ
3 薄膜２４、ＬｉＮｂＯ3 薄膜２５および周期的ドメイ
ン反転層２６により、第２高調波発生素子２７が構成さ
れている。ここで、ＳｒＲｕＯ3 薄膜２４は電極を構成
する。
【０１０１】上述のように構成されたこの第３の実施形
態による光集積化酸化物装置においては、ＧａＮ系半導
体レーザー２３から発生する周波数ωのレーザー光が第
２高調波発生素子２７を通ることにより、周波数２ωの
光、すなわち第２高調波が得られる。
態による光集積化酸化物装置においては、ＧａＮ系半導
体レーザー２３から発生する周波数ωのレーザー光が第
２高調波発生素子２７を通ることにより、周波数２ωの
光、すなわち第２高調波が得られる。
【０１０２】次に、この第３の実施形態による光集積化
酸化物装置の製造方法について説明する。
酸化物装置の製造方法について説明する。
【０１０３】まず、図１７に示すように、（１１１）面
方位の単結晶Ｓｉ基板２１に例えばＲＣＡ洗浄を施すこ
とにより表面を清浄化した後、この清浄表面に水素終端
処理を施す。
方位の単結晶Ｓｉ基板２１に例えばＲＣＡ洗浄を施すこ
とにより表面を清浄化した後、この清浄表面に水素終端
処理を施す。
【０１０４】次に、図１８に示すように、単結晶Ｓｉ基
板２１上にＭＯＣＶＤ法により（１１１）面方位のＭｇ
Ａｌ2 Ｏ4 薄膜２２をエピタキシャル成長させる。この
ＭＯＣＶＤ法によるＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜２２のエピタキ
シャル成長は具体的には次のようにして行う。このエピ
タキシャル成長においては、有機金属化合物としてマグ
ネシウム・ジアルミニウム・イソプロポキシド（ＭｇＡ
ｌ2 （ＯＣ3 Ｈ7 ）8）という複合金属アルコキシドを
用いる。この複合金属アルコキシドによれば、単一のソ
ース源で極めて容易に化学量論組成に成長を行うことが
できる。すなわち、Ｍｇ用の有機金属化合物原料とＡｌ
用の有機金属化合物原料とをそれぞれ別個に制御するの
は容易ではないが、上述の複合金属アルコキシドを原料
として用いれば、その分解温度までは単一の蒸気圧を制
御すればよいので、成長を極めて容易に行うことができ
る。具体的には、ＭｇＡｌ2 （ＯＣ3 Ｈ7 ）8 の単体を
所定の温度に保持することにより、一定の蒸気圧を維持
し、それにより得られる原料ガスを用いて成長を行う。
この成長時の基板温度は例えば７００℃である。
板２１上にＭＯＣＶＤ法により（１１１）面方位のＭｇ
Ａｌ2 Ｏ4 薄膜２２をエピタキシャル成長させる。この
ＭＯＣＶＤ法によるＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜２２のエピタキ
シャル成長は具体的には次のようにして行う。このエピ
タキシャル成長においては、有機金属化合物としてマグ
ネシウム・ジアルミニウム・イソプロポキシド（ＭｇＡ
ｌ2 （ＯＣ3 Ｈ7 ）8）という複合金属アルコキシドを
用いる。この複合金属アルコキシドによれば、単一のソ
ース源で極めて容易に化学量論組成に成長を行うことが
できる。すなわち、Ｍｇ用の有機金属化合物原料とＡｌ
用の有機金属化合物原料とをそれぞれ別個に制御するの
は容易ではないが、上述の複合金属アルコキシドを原料
として用いれば、その分解温度までは単一の蒸気圧を制
御すればよいので、成長を極めて容易に行うことができ
る。具体的には、ＭｇＡｌ2 （ＯＣ3 Ｈ7 ）8 の単体を
所定の温度に保持することにより、一定の蒸気圧を維持
し、それにより得られる原料ガスを用いて成長を行う。
この成長時の基板温度は例えば７００℃である。
【０１０５】なお、上述の複合金属アルコキシドＭｇＡ
ｌ2 （ＯＣ3 Ｈ7 ）8 を一旦有機溶媒に溶かしてそれを
噴霧機に導入し、これにより原料ガスを得る方法が提案
されているが（(66)J. Mater. Res.，9,1333-1336(199
4))、この方法は成長の高速性においては優れているも
のの、良質な膜が得られるかどうかは不明である。確か
にこの論文では、Ｓｉ（１００）およびＭｇＯ（１０
０）上へのＭｇＡｌ2 Ｏ4薄膜のエピタキシャル成長が
報告されているが、得られた膜はいずれも厚い。これ
は、最終的に厚く成長させた膜が下地とエピタキシャル
な関係を保っているにすぎず、薄膜のエピタキシャル性
に関してはこれだけでは何とも言えない。
ｌ2 （ＯＣ3 Ｈ7 ）8 を一旦有機溶媒に溶かしてそれを
噴霧機に導入し、これにより原料ガスを得る方法が提案
されているが（(66)J. Mater. Res.，9,1333-1336(199
4))、この方法は成長の高速性においては優れているも
のの、良質な膜が得られるかどうかは不明である。確か
にこの論文では、Ｓｉ（１００）およびＭｇＯ（１０
０）上へのＭｇＡｌ2 Ｏ4薄膜のエピタキシャル成長が
報告されているが、得られた膜はいずれも厚い。これ
は、最終的に厚く成長させた膜が下地とエピタキシャル
な関係を保っているにすぎず、薄膜のエピタキシャル性
に関してはこれだけでは何とも言えない。
【０１０６】次に、図１９に示すように、ＭｇＡｌ2 Ｏ
4 薄膜２２の所定領域の上にマスク２７を形成する。
4 薄膜２２の所定領域の上にマスク２７を形成する。
【０１０７】次に、図２０に示すように、マスク２７で
覆われていない部分のＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜２２上にＭＯ
ＣＶＤ法により（０００１）面方位のＧａＮ薄膜２８を
エピタキシャル成長させる。このＧａＮ薄膜２８のエピ
タキシャル成長においては、例えば、トリメチルガリウ
ム（ＴＭＧａ）とアンモニア（ＮＨ3 ）とを原料に用い
る。なお、（１１１）面方位のＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜上に
（０００１）面方位のＧａＮ薄膜がエピタキシャル成長
することはすでに報告されている（(67)Appl.Phys. Let
t.,68,337-339(1996)、(68)Appl. Phys. Lett.,68,1129
-1131(1996))。
覆われていない部分のＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜２２上にＭＯ
ＣＶＤ法により（０００１）面方位のＧａＮ薄膜２８を
エピタキシャル成長させる。このＧａＮ薄膜２８のエピ
タキシャル成長においては、例えば、トリメチルガリウ
ム（ＴＭＧａ）とアンモニア（ＮＨ3 ）とを原料に用い
る。なお、（１１１）面方位のＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜上に
（０００１）面方位のＧａＮ薄膜がエピタキシャル成長
することはすでに報告されている（(67)Appl.Phys. Let
t.,68,337-339(1996)、(68)Appl. Phys. Lett.,68,1129
-1131(1996))。
【０１０８】次に、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮ薄膜２
８上に、ＧａＮ／ＩｎＧａＮヘテロ接合を含むＧａＮ系
半導体層を順次エピタキシャル成長させた後、これらを
エッチングにより所定形状にパターニングする。これに
よって、図２１に示すように、ＧａＮ系半導体レーザー
２３が形成される。なお、ＧａＮ系半導体レーザーの形
成方法についてはすでに報告されている（例えば、(69)
Appl. Phys. Lett.,62，2390(1993)) 。
８上に、ＧａＮ／ＩｎＧａＮヘテロ接合を含むＧａＮ系
半導体層を順次エピタキシャル成長させた後、これらを
エッチングにより所定形状にパターニングする。これに
よって、図２１に示すように、ＧａＮ系半導体レーザー
２３が形成される。なお、ＧａＮ系半導体レーザーの形
成方法についてはすでに報告されている（例えば、(69)
Appl. Phys. Lett.,62，2390(1993)) 。
【０１０９】次に、図２２に示すように、ＭｇＡｌ2 Ｏ
4 薄膜２２の別の所定領域の上に、ＭＯＣＶＤ法または
ＭＢＥ法により、（１１１）面方位のＳｒＲｕＯ3 薄膜
２３をエピタキシャル成長させる。
4 薄膜２２の別の所定領域の上に、ＭＯＣＶＤ法または
ＭＢＥ法により、（１１１）面方位のＳｒＲｕＯ3 薄膜
２３をエピタキシャル成長させる。
【０１１０】次に、ＭＢＥ法またはＭＯＣＶＤ法によ
り、ＬｉＮｂＯ3 薄膜２５をエピタキシャル成長させ
る。
り、ＬｉＮｂＯ3 薄膜２５をエピタキシャル成長させ
る。
【０１１１】次に、例えば真空蒸着法によりＬｉＮｂＯ
3 薄膜２５上に例えばＰｔ膜を形成した後、このＰｔ膜
をエッチングによりパターニングしてポーリング用くし
型電極２９を形成する。
3 薄膜２５上に例えばＰｔ膜を形成した後、このＰｔ膜
をエッチングによりパターニングしてポーリング用くし
型電極２９を形成する。
【０１１２】次に、下部電極としてのＳｒＲｕＯ3 薄膜
２３とポーリング用くし型電極２９との間に所定のパル
ス状の電圧を印加し、ＬｉＮｂＯ3 薄膜２５の上部に周
期的分極反転構造、すなわち周期的ドメイン反転層２６
を形成する。なお、このポーリングの方法については、
詳しく報告されている（(70)Appl. Phys. Lett.,62，43
5-436(1993))。
２３とポーリング用くし型電極２９との間に所定のパル
ス状の電圧を印加し、ＬｉＮｂＯ3 薄膜２５の上部に周
期的分極反転構造、すなわち周期的ドメイン反転層２６
を形成する。なお、このポーリングの方法については、
詳しく報告されている（(70)Appl. Phys. Lett.,62，43
5-436(1993))。
【０１１３】この後、ポーリング用くし型電極２９をエ
ッチングにより除去する。
ッチングにより除去する。
【０１１４】以上、この発明の実施形態につき具体的に
説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定される
ものでなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形
が可能である。
説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定される
ものでなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形
が可能である。
【０１１５】例えば、上述の第１および第２の実施形態
において、光検出素子１５、１６のＰｂＴｉＯ3 薄膜
９、１３の代わりに、例えば人工超格子［（ＳｒＴｉＯ
3 ）n(PbTiO3 ）m ］薄膜を用いてもよい。この場合、
当然のことながら、バルクでの格子定数よりもこのペロ
ブスカイトＰｂＴｉＯ3 （００１）膜は十分に格子歪を
受けてエピタキシャル成長していることも少なくない。
において、光検出素子１５、１６のＰｂＴｉＯ3 薄膜
９、１３の代わりに、例えば人工超格子［（ＳｒＴｉＯ
3 ）n(PbTiO3 ）m ］薄膜を用いてもよい。この場合、
当然のことながら、バルクでの格子定数よりもこのペロ
ブスカイトＰｂＴｉＯ3 （００１）膜は十分に格子歪を
受けてエピタキシャル成長していることも少なくない。
【０１１６】また、第１の実施形態において、光変調素
子７の電極を構成するＳｒＲｕＯ3薄膜４、６の代わり
に、例えば、（ＳｒＣａ）ＲｕＯ3 薄膜、Ｓｒ2 ＲｕＯ
3 薄膜、超伝導酸化物薄膜などを用いてもよい。ここ
で、Ｓｒ2 ＲｕＯ4 薄膜を用いる場合、その面方位は
（００１）である。
子７の電極を構成するＳｒＲｕＯ3薄膜４、６の代わり
に、例えば、（ＳｒＣａ）ＲｕＯ3 薄膜、Ｓｒ2 ＲｕＯ
3 薄膜、超伝導酸化物薄膜などを用いてもよい。ここ
で、Ｓｒ2 ＲｕＯ4 薄膜を用いる場合、その面方位は
（００１）である。
【０１１７】また、第２の実施形態において、第２高調
波発生素子２８のＬｉＮｂＯ3 薄膜２６の代わりに、Ｌ
ｉＮｂＯ3 薄膜とＬｉＴａＯ3 薄膜との超格子を用いて
もよい。このＬｉＮｂＯ3 ／ＬｉＴａＯ3 超格子を用い
れば、より高効率化を図ることができる。このＬｉＮｂ
Ｏ3 ／ＬｉＴａＯ3 超格子の成長にはＭＢＥ法を用いる
のが好ましい。この場合の結晶構造は、厚膜でなけれ
ば、イルメナイト型結晶構造ではなく、ペロブスカイト
で規定することができる結晶構造となるので、（１１
１）面が配向すると考えられる。しかしながら、この場
合、これらの膜は、ポーリング用くし型電極２９によっ
てポーリングさせるため、必ずしもこの配向きでなくて
もよい。さらにまた、このＬｉＮｂＯ3 薄膜２６の代わ
りに、例えばＫ（Ｎｂ1-x Ｔａx ）Ｏ3 薄膜などを用い
てもよい。また、ポーリング用くし型電極２８は、場合
によっては、除去せずに、そのまま残しておいてもよ
い。これは、周期的ドメイン反転層２７に光が入射すれ
ば、１／２倍の波長の第２高調波が得られるからであ
る。
波発生素子２８のＬｉＮｂＯ3 薄膜２６の代わりに、Ｌ
ｉＮｂＯ3 薄膜とＬｉＴａＯ3 薄膜との超格子を用いて
もよい。このＬｉＮｂＯ3 ／ＬｉＴａＯ3 超格子を用い
れば、より高効率化を図ることができる。このＬｉＮｂ
Ｏ3 ／ＬｉＴａＯ3 超格子の成長にはＭＢＥ法を用いる
のが好ましい。この場合の結晶構造は、厚膜でなけれ
ば、イルメナイト型結晶構造ではなく、ペロブスカイト
で規定することができる結晶構造となるので、（１１
１）面が配向すると考えられる。しかしながら、この場
合、これらの膜は、ポーリング用くし型電極２９によっ
てポーリングさせるため、必ずしもこの配向きでなくて
もよい。さらにまた、このＬｉＮｂＯ3 薄膜２６の代わ
りに、例えばＫ（Ｎｂ1-x Ｔａx ）Ｏ3 薄膜などを用い
てもよい。また、ポーリング用くし型電極２８は、場合
によっては、除去せずに、そのまま残しておいてもよ
い。これは、周期的ドメイン反転層２７に光が入射すれ
ば、１／２倍の波長の第２高調波が得られるからであ
る。
【０１１８】さらに、上述の第１、第２および第３の実
施形態においては、薄膜の成長方法としてＭＯＣＶＤ法
またはＭＢＥ法を用いているが、薄膜の成長方法として
は、これらのほかに、反応性蒸着法あるいはレーザアブ
レーション法（これはパルスレーザデポジション法また
はレーザＭＢＥ法と呼ばれることもある）などの他の原
子層成長法を用いてもよい。
施形態においては、薄膜の成長方法としてＭＯＣＶＤ法
またはＭＢＥ法を用いているが、薄膜の成長方法として
は、これらのほかに、反応性蒸着法あるいはレーザアブ
レーション法（これはパルスレーザデポジション法また
はレーザＭＢＥ法と呼ばれることもある）などの他の原
子層成長法を用いてもよい。
【０１１９】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によるシ
リコン機能性母体基板によれば、酸化物光学素子、強誘
電体不揮発性メモリ、酸化物超伝導デバイスなどの酸化
物素子と半導体レーザーなどの半導体発光素子とを同一
基板上に最適構造で集積化することができる。
リコン機能性母体基板によれば、酸化物光学素子、強誘
電体不揮発性メモリ、酸化物超伝導デバイスなどの酸化
物素子と半導体レーザーなどの半導体発光素子とを同一
基板上に最適構造で集積化することができる。
【０１２０】この発明による光集積化酸化物構造体によ
れば、酸化物光学素子、強誘電体不揮発性メモリ、酸化
物超伝導デバイスなどの酸化物素子と半導体レーザーな
どの半導体発光素子とを同一基板上に最適構造で集積化
することができる。
れば、酸化物光学素子、強誘電体不揮発性メモリ、酸化
物超伝導デバイスなどの酸化物素子と半導体レーザーな
どの半導体発光素子とを同一基板上に最適構造で集積化
することができる。
【図１】ＭｇＡｌ2 Ｏ4 およびＣｅＯ2 の格子定数の温
度依存性をシリコンの格子定数の温度依存性とともに示
す略線図である。
度依存性をシリコンの格子定数の温度依存性とともに示
す略線図である。
【図２】ＡＢＯ3 ／ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ／Ｓｉ（１００）の
結晶学的積層構造を示す略線図である。
結晶学的積層構造を示す略線図である。
【図３】ＡＢＯ3 ／ＣｅＯ2 ／Ｓｉ（１００）の結晶学
的積層構造を示す略線図である。
的積層構造を示す略線図である。
【図４】ＡＢＯ3 ／ＣｅＯ2 ／Ｓｉ（１００）の結晶学
的積層構造を示す略線図である。
的積層構造を示す略線図である。
【図５】この発明の第１の実施形態による光集積化酸化
物装置を示す断面図である。ＦｅＲＡＭにおける強誘電
体薄膜の厚さの減少に伴うリーク電流の問題を説明する
ための断面図である。
物装置を示す断面図である。ＦｅＲＡＭにおける強誘電
体薄膜の厚さの減少に伴うリーク電流の問題を説明する
ための断面図である。
【図６】この発明の第１の実施形態による光集積化酸化
物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図７】この発明の第１の実施形態による光集積化酸化
物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図８】この発明の第１の実施形態による光集積化酸化
物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図９】この発明の第１の実施形態による光集積化酸化
物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１０】この発明の第１の実施形態による光集積化酸
化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１１】この発明の第１の実施形態による光集積化酸
化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１２】この発明の第１の実施形態による光集積化酸
化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１３】格子歪誘起強誘電性の概念を説明するための
略線図である。
略線図である。
【図１４】格子歪誘起強誘電性の概念を説明するための
略線図である。
略線図である。
【図１５】この発明の第２の実施形態による光集積化酸
化物装置を示す斜視図である。
化物装置を示す斜視図である。
【図１６】この発明の第３の実施形態による光集積化酸
化物装置を示す断面図である。
化物装置を示す断面図である。
【図１７】この発明の第３の実施形態による光集積化酸
化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１８】この発明の第３の実施形態による光集積化酸
化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１９】この発明の第３の実施形態による光集積化酸
化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図２０】この発明の第３の実施形態による光集積化酸
化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図２１】この発明の第３の実施形態による光集積化酸
化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図２２】この発明の第３の実施形態による光集積化酸
化物装置の製造方法を説明するための断面図である。
化物装置の製造方法を説明するための断面図である。
１・・・単結晶Ｓｉ基板、２・・・ＣｅＯ2 薄膜、３・
・・ＧａＡｓ系半導体レーザー、４、６・・・ＳｒＲｕ
Ｏ3 薄膜、５・・・ＰＬＺＴ薄膜、７・・・光変調素
子、８、１０、１２、１４・・・（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2
ＣｕＯ4 薄膜、１５、１６・・・光検出素子、１８ａ、
１８ｂ・・・くし型電極、２２・・・ＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄
膜、２３・・・ＧａＮ薄膜、２４・・・ＧａＮ系半導体
レーザー、２５・・・ＳｒＲｕＯ3 薄膜、２６・・・Ｌ
ｉＮｂＯ3 薄膜、２７・・・周期的ドメイン反転層、２
８・・・第２高調波発生素子
・・ＧａＡｓ系半導体レーザー、４、６・・・ＳｒＲｕ
Ｏ3 薄膜、５・・・ＰＬＺＴ薄膜、７・・・光変調素
子、８、１０、１２、１４・・・（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2
ＣｕＯ4 薄膜、１５、１６・・・光検出素子、１８ａ、
１８ｂ・・・くし型電極、２２・・・ＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄
膜、２３・・・ＧａＮ薄膜、２４・・・ＧａＮ系半導体
レーザー、２５・・・ＳｒＲｕＯ3 薄膜、２６・・・Ｌ
ｉＮｂＯ3 薄膜、２７・・・周期的ドメイン反転層、２
８・・・第２高調波発生素子
Claims (43)
- 【請求項１】 単結晶シリコン基板上に、上記単結晶シ
リコン基板自身の表面からなる第１の領域と、上記単結
晶シリコン基板上に（１００）面方位に優先配向または
エピタキシャル成長した酸化セリウム層からなる第２の
領域とを有することを特徴とするシリコン機能性母体基
板。 - 【請求項２】 上記単結晶シリコン基板は（１００）面
方位であることを特徴とする請求項１記載のシリコン機
能性母体基板。 - 【請求項３】 単結晶シリコン基板上に、上記単結晶シ
リコン基板自身の表面からなる第１の領域と、上記単結
晶シリコン基板上に（１００）面方位に優先配向または
エピタキシャル成長したマグネシウム・アルミニウム・
スピネル層からなる第２の領域とを有することを特徴と
するシリコン機能性母体基板。 - 【請求項４】 上記単結晶シリコン基板は（１００）面
方位であることを特徴とする請求項３記載のシリコン機
能性母体基板。 - 【請求項５】 上記単結晶シリコン基板は（１１１）面
方位であることを特徴とする請求項３記載のシリコン機
能性母体基板。 - 【請求項６】 単結晶シリコン基板上に酸化セリウム層
が（１００）面方位に優先配向またはエピタキシャル成
長し、上記酸化セリウム層上に部分的にマグネシウム・
アルミニウム・スピネル層がエピタキシャル成長してい
ることを特徴とするシリコン機能性母体基板。 - 【請求項７】 上記単結晶シリコン基板は（１００）面
方位であることを特徴とする請求項６記載のシリコン機
能性母体基板。 - 【請求項８】 単結晶シリコン基板上に酸化セリウム層
が（１００）面方位に優先配向またはエピタキシャル成
長し、上記酸化セリウム層上にマグネシウム・アルミニ
ウム・スピネル層がエピタキシャル成長していることを
特徴とするシリコン機能性母体基板。 - 【請求項９】 上記単結晶シリコン基板は（１００）面
方位であることを特徴とする請求項８記載のシリコン機
能性母体基板。 - 【請求項１０】 単結晶シリコン基板上に、上記単結晶
シリコン基板自身の表面からなる第１の領域と、上記単
結晶シリコン基板上に（１００）面方位に優先配向また
はエピタキシャル成長した酸化セリウム層からなる第２
の領域とを有し、 上記第１の領域上に半導体発光素子がエピタキシャル成
長により形成されていることを特徴とする光集積化酸化
物装置。 - 【請求項１１】 上記単結晶シリコン基板は（１００）
面方位であることを特徴とする請求項１０記載の光集積
化酸化物装置。 - 【請求項１２】 単結晶シリコン基板上に、上記単結晶
シリコン基板自身の表面からなる第１の領域と、上記単
結晶シリコン基板上に（１００）面方位に優先配向また
はエピタキシャル成長したマグネシウム・アルミニウム
・スピネル層からなる第２の領域とを有し、 上記第１の領域上に半導体発光素子がエピタキシャル成
長により形成されていることを特徴とする光集積化酸化
物装置。 - 【請求項１３】 上記単結晶シリコン基板は（１００）
面方位であることを特徴とする請求項１２記載の光集積
化酸化物装置。 - 【請求項１４】 上記単結晶シリコン基板は（１１１）
面方位であることを特徴とする請求項１２記載の光集積
化酸化物装置。 - 【請求項１５】 単結晶シリコン基板上に、上記単結晶
シリコン基板自身の表面からなる第１の領域と、上記単
結晶シリコン基板上に（１００）面方位に優先配向また
はエピタキシャル成長した酸化セリウム層からなる第２
の領域とを有し、 上記第１の領域上に半導体発光素子が原子層接着されて
いることを特徴とする光集積化酸化物装置。 - 【請求項１６】 上記単結晶シリコン基板は（１００）
面方位であることを特徴とする請求項１５記載の光集積
化酸化物装置。 - 【請求項１７】 単結晶シリコン基板上に、上記単結晶
シリコン基板自身の表面からなる第１の領域と、上記単
結晶シリコン基板上に（１００）面方位に優先配向また
はエピタキシャル成長したマグネシウム・アルミニウム
・スピネル層からなる第２の領域とを有し、 上記第１の領域上に半導体発光素子が原子層接着されて
いることを特徴とする光集積化酸化物装置。 - 【請求項１８】 上記単結晶シリコン基板は（１００）
面方位であることを特徴とする請求項１７記載の光集積
化酸化物装置。 - 【請求項１９】 上記単結晶シリコン基板は（１１１）
面方位であることを特徴とする請求項１７記載の光集積
化酸化物装置。 - 【請求項２０】 上記酸化セリウム層上に光変調素子お
よび光検出素子のうちの少なくとも一方がエピタキシャ
ル成長により形成されていることを特徴とする請求項１
５記載の光集積化酸化物装置。 - 【請求項２１】 上記マグネシウム・アルミニウム・ス
ピネル層上に光変調素子および光検出素子のうちの少な
くとも一方がエピタキシャル成長により形成されている
ことを特徴とする請求項１７記載の光集積化酸化物装
置。 - 【請求項２２】 単結晶シリコン基板上に酸化セリウム
層が（１００）面方位に優先配向またはエピタキシャル
成長し、上記酸化セリウム層上に部分的にマグネシウム
・アルミニウム・スピネル層がエピタキシャル成長し、 上記マグネシウム・アルミニウム・スピネル層上に半導
体発光素子がエピタキシャル成長により形成され、上記
酸化セリウム層上に光変調素子および光検出素子のうち
の少なくとも一方がエピタキシャル成長により形成され
ていることを特徴とする光集積化酸化物装置。 - 【請求項２３】 上記単結晶シリコン基板は（１００）
面方位であることを特徴とする請求項２２記載の光集積
化酸化物装置。 - 【請求項２４】 単結晶シリコン基板上に酸化セリウム
層が（１００）面方位に優先配向またはエピタキシャル
成長し、上記酸化セリウム層上にマグネシウム・アルミ
ニウム・スピネル層がエピタキシャル成長し、 上記マグネシウム・アルミニウム・スピネル層上に半導
体発光素子、光変調素子および光検出素子のうちの少な
くとも二つがエピタキシャル成長により形成されている
ことを特徴とする光集積化酸化物装置。 - 【請求項２５】 上記単結晶シリコン基板は（１００）
面方位であることを特徴とする請求項２４記載の光集積
化酸化物装置。 - 【請求項２６】 上記光変調素子がペロブスカイト関連
結晶構造を有する酸化物薄膜によって構成され、上記光
変調素子の上部および下部に電極を有することを特徴と
する請求項２０記載の光集積化酸化物装置。 - 【請求項２７】 上記光変調素子がペロブスカイト関連
結晶構造を有する酸化物薄膜によって構成され、上記光
変調素子の上部および下部に電極を有することを特徴と
する請求項２１記載の光集積化酸化物装置。 - 【請求項２８】 上記光変調素子がペロブスカイト関連
結晶構造を有する酸化物薄膜によって構成され、上記光
変調素子の上部にのみ電極を有することを特徴とする請
求項２０記載の光集積化酸化物装置。 - 【請求項２９】 上記光変調素子がペロブスカイト関連
結晶構造を有する酸化物薄膜によって構成され、上記光
変調素子の上部にのみ電極を有することを特徴とする請
求項２１記載の光集積化酸化物装置。 - 【請求項３０】 上記光変調素子および上記光検出素子
が強誘電性、圧電性または焦電性酸化物薄膜を含むこと
を特徴とする請求項２０記載の光集積化酸化物装置。 - 【請求項３１】 上記光変調素子および上記光検出素子
が強誘電性、圧電性または焦電性酸化物薄膜を含むこと
を特徴とする請求項２１記載の光集積化酸化物装置。 - 【請求項３２】 上記強誘電性、圧電性または焦電性酸
化物薄膜が、ペロブスカイト型結晶構造、イルメナイト
型結晶構造またはＧｄＦｅＯ3 型結晶構造を有する（Ｂ
ａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｐｂ，Ｍｇ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｎａ，Ｋ，
Ｙ，Ｓｂ，Ｌｉ，Ｌｎ）（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｓｎ，Ｔｈ，Ｃ
ｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ｇａ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｔ
ａ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｐｂ）Ｏ3 （ただし、Ｂａ＋Ｓｒ＋Ｃ
ａ＋Ｐｂ＋Ｍｇ＋Ｂｉ＋Ａｇ＋Ｎａ＋Ｋ＋Ｙ＋Ｓｂ＋Ｌ
ｉ＋Ｌｎ＝１、Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ｓｎ＋Ｔｈ＋Ｃｅ＋Ｒｕ＋
Ｒｈ＋Ｉｒ＋Ｃｕ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｎｂ＋Ｔａ＋Ｓｂ＋Ｂ
ｉ＋Ｐｂ＝１）からなる酸化物薄膜によって構成されて
いることを特徴とする請求項３０記載の光集積化酸化物
装置。 - 【請求項３３】 上記強誘電性、圧電性または焦電性酸
化物薄膜が、ペロブスカイト型結晶構造、イルメナイト
型結晶構造またはＧｄＦｅＯ3 型結晶構造を有する（Ｂ
ａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｐｂ，Ｍｇ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｎａ，Ｋ，
Ｙ，Ｓｂ，Ｌｉ，Ｌｎ）（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｓｎ，Ｔｈ，Ｃ
ｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ｇａ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｔ
ａ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｐｂ）Ｏ3 （ただし、Ｂａ＋Ｓｒ＋Ｃ
ａ＋Ｐｂ＋Ｍｇ＋Ｂｉ＋Ａｇ＋Ｎａ＋Ｋ＋Ｙ＋Ｓｂ＋Ｌ
ｉ＋Ｌｎ＝１、Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ｓｎ＋Ｔｈ＋Ｃｅ＋Ｒｕ＋
Ｒｈ＋Ｉｒ＋Ｃｕ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｎｂ＋Ｔａ＋Ｓｂ＋Ｂ
ｉ＋Ｐｂ＝１）からなる二種類以上の酸化物薄膜からな
る酸化物人工超格子によって構成されていることを特徴
とする請求項３０記載の光集積化酸化物装置。 - 【請求項３４】 上記強誘電性、圧電性または焦電性酸
化物薄膜が、ペロブスカイト型結晶構造、イルメナイト
型結晶構造またはＧｄＦｅＯ3 型結晶構造を有する（Ｂ
ａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｐｂ，Ｍｇ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｎａ，Ｋ，
Ｙ，Ｓｂ，Ｌｉ，Ｌｎ）（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｓｎ，Ｔｈ，Ｃ
ｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ｇａ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｔ
ａ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｐｂ）Ｏ3 （ただし、Ｂａ＋Ｓｒ＋Ｃ
ａ＋Ｐｂ＋Ｍｇ＋Ｂｉ＋Ａｇ＋Ｎａ＋Ｋ＋Ｙ＋Ｓｂ＋Ｌ
ｉ＋Ｌｎ＝１、Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ｓｎ＋Ｔｈ＋Ｃｅ＋Ｒｕ＋
Ｒｈ＋Ｉｒ＋Ｃｕ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｎｂ＋Ｔａ＋Ｓｂ＋Ｂ
ｉ＋Ｐｂ＝１）からなる酸化物薄膜によって構成されて
いることを特徴とする請求項３１記載の光集積化酸化物
装置。 - 【請求項３５】 上記強誘電性、圧電性または焦電性酸
化物薄膜が、ペロブスカイト型結晶構造、イルメナイト
型結晶構造またはＧｄＦｅＯ3 型結晶構造を有する（Ｂ
ａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｐｂ，Ｍｇ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｎａ，Ｋ，
Ｙ，Ｓｂ，Ｌｉ，Ｌｎ）（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｓｎ，Ｔｈ，Ｃ
ｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ｇａ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｔ
ａ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｐｂ）Ｏ3 （ただし、Ｂａ＋Ｓｒ＋Ｃ
ａ＋Ｐｂ＋Ｍｇ＋Ｂｉ＋Ａｇ＋Ｎａ＋Ｋ＋Ｙ＋Ｓｂ＋Ｌ
ｉ＋Ｌｎ＝１、Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ｓｎ＋Ｔｈ＋Ｃｅ＋Ｒｕ＋
Ｒｈ＋Ｉｒ＋Ｃｕ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｎｂ＋Ｔａ＋Ｓｂ＋Ｂ
ｉ＋Ｐｂ＝１）からなる二種類以上の酸化物薄膜からな
る酸化物人工超格子によって構成されていることを特徴
とする請求項３１記載の光集積化酸化物装置。 - 【請求項３６】 上記半導体発光素子は半導体レーザー
であることを特徴とする請求項１記載の光集積化酸化物
装置。 - 【請求項３７】 上記半導体レーザーはＧａＡｓ系半導
体レーザー、ＺｎＳｅ系半導体レーザー、ＧａＮ系半導
体レーザーまたはＺｎＯ系半導体レーザーであることを
特徴とする請求項３６記載の光集積化酸化物装置。 - 【請求項３８】 電子冷凍装置に接合されていることを
特徴とする請求項１０記載の光集積化酸化物装置。 - 【請求項３９】 電子冷凍装置に接合されていることを
特徴とする請求項１２記載の光集積化酸化物装置。 - 【請求項４０】 電子冷凍装置に接合されていることを
特徴とする請求項１５記載の光集積化酸化物装置。 - 【請求項４１】 電子冷凍装置に接合されていることを
特徴とする請求項１７記載の光集積化酸化物装置。 - 【請求項４２】 電子冷凍装置に接合されていることを
特徴とする請求項２２記載の光集積化酸化物装置。 - 【請求項４３】 電子冷凍装置に接合されていることを
特徴とする請求項２４記載の光集積化酸化物装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23421797A JP4221765B2 (ja) | 1997-08-29 | 1997-08-29 | 光集積化酸化物装置および光集積化酸化物装置の製造方法 |
| US09/143,051 US6100578A (en) | 1997-08-29 | 1998-08-28 | Silicon-based functional matrix substrate and optical integrated oxide device |
| US09/386,731 US6229159B1 (en) | 1997-08-29 | 1999-08-31 | Silicon-based functional matrix substrate and optical integrated oxide device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23421797A JP4221765B2 (ja) | 1997-08-29 | 1997-08-29 | 光集積化酸化物装置および光集積化酸化物装置の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1174502A true JPH1174502A (ja) | 1999-03-16 |
| JP4221765B2 JP4221765B2 (ja) | 2009-02-12 |
Family
ID=16967542
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23421797A Expired - Fee Related JP4221765B2 (ja) | 1997-08-29 | 1997-08-29 | 光集積化酸化物装置および光集積化酸化物装置の製造方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US6100578A (ja) |
| JP (1) | JP4221765B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002009148A3 (en) * | 2000-07-24 | 2003-07-31 | Motorola Inc | Integrated radiation emitting system and process for fabricating same |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6296701B1 (en) * | 1998-09-30 | 2001-10-02 | Ut-Battelle, Llc | Method of depositing an electrically conductive oxide film on a textured metallic substrate and articles formed therefrom |
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| WO2001075985A1 (fr) * | 2000-03-30 | 2001-10-11 | Fujitsu Limited | Actionneur piezoelectrique, son procede de fabrication et tete a jet d'encre dotee de cet actionneur |
| US6342445B1 (en) * | 2000-05-15 | 2002-01-29 | Micron Technology, Inc. | Method for fabricating an SrRuO3 film |
| US20020000584A1 (en) * | 2000-06-28 | 2002-01-03 | Motorola, Inc. | Semiconductor structure and device including a monocrystalline conducting layer and method for fabricating the same |
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