JPS62174707A - 帯溶融に適した薄膜構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は光通信に使用される薄膜型光アイソレータおよ
び光アイソレータと半導体レーザ、光スィッチ、光導波
路の複合素子の薄膜端造と製造方法に関する６ 〔発明の背景〕 近年、光通信の実用化が急速に進展しており、光部品の
小型化、高信頼化に対する研究開発が盛んに推し進めら
れている。光通信システムの構成要素にはレーザ光源の
安定化を図るため磁気光学材料からなる光アイソレータ
が使用される。従来の光アイソレータは、イツトリウム
・鉄（Ｙ＋ＦａａＯｚｔ：ＹＩＧ）単結晶が使われてき
たが小型化を達成するために、第１図に示すような基本
構成からなる薄膜型光アイソレータが開発されている〔
滝。

宮崎、赤尾、信学技術ＭＷ８０−９５　（１９８１）　
）　。

すなわち、ＧｄｇＧａｓＯｚｚ単結晶基板１上にＲＦス
パッタリング法で作製したＢ　ｉ　：　Ｙ　Ｉ　Ｇｉｆ
ｌｌ１２およびＺｎＯ上層部３から構成され、さらにＡ
Ｍクラッド層のモード選択回路４．磁化膜からなる非相
反回路５、および相反回′Ｗ＆６、ルチルプリズム７゜
８を付加した構造である。この光アイソレータにおいて
は、ルチルプリズム７より入射したレーザ光はファラデ
ー効果およびコツトン・ムートン効果により偏波面が回
転し、他端のルチルプリズム８より出射するが、他端の
ルチルプリズムより出射した光は、ファラデー効果およ
びコツトン・ムートン効果により、さらに偏波面が回転
するため手前のモード選択回路４を通過することはでき
ない６以上が従来から提唱されている光アイソレータの
構造の実表的な例である。薄膜型光アイソレータはＧｄ
ａＧａａＯｔｚ単結晶基板上に形成されるが単体部品と
して用いる場合には、Ｇｄ５ＧａｓＯｔｘ・単結晶基板
が高価であるという問題がある。一方、単体部品では■
−■−■導体レーザあるいは■−■族半族半導体型誘電
体成される光導波路等の光部品と組合せるだけでは信頼
性向上は余り期待できない、光集積回路として集積度を
増し、信頼性を高めるためには、光アイソレータ、半導
体レーザの一体化が必要不可欠であり、そのためには酸
化物。

化合物半導体用材料を材質を異なる基板上に形成する技
術が必要である。また、安価な基板上に光アイソレータ
を形成できたならば、それだけでも工業上、大きな価値
がある。

他方、半導体分野では、例えば絶縁物基板上Ｓｉのレー
ザ加熱による結晶化（Ｊ　、　Ｐ　、（ｏｌｉｎｇｅ。

（ら；アプライド・フィツクス・レター）　　（Ａｐｐ
ｌ。

Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　）　４　Ｌ　（４）　、　ｌ
　５　（１９８２）　］　、絶縁物基板上のＳｉの電子
ビーム加熱による結晶化（Ｊ　、　Ａ、　Ｋｎａｐｐ（
ら；ジャーナル、オブ、クリスタル、グロース）（Ｊ　
、Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ）、　６３　（１９８
３）４４５〕などＳＯＩ技術の報告、さらに、Ｇｏをコ
ーティングしたＳｉ基板上へのＧａＡｓのへテロエピタ
キシャル成長（Ｂ　−Ｙ　、Ｔｓａｕｒら；フプライド
・フィツクス・レター（Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ
、）　４１（４）　、　１５　（１’＋８２）などの報
告があり、半導体結晶薄膜のへテロエピタキシィ技術の
研究開発は盛んに進められている。

しかしながら光アイソレータを構成する要素である磁気
光学結晶のへテロエピタキシィ技術に関する報告例は全
く無い。これは光アイソレータに使われる磁性ガーネッ
トは分解型化合物であり溶融することはできず、結晶化
するためには８００℃以上に同相で加熱することが必要
である０例えば■−■−■導体基板上に直接ガーネット
を形成する際には、基板中の■族元素の蒸発がおこり易
く、結晶欠陥が生じる問題がある。また溶融可能な酸化
物材料例えばＧｄａＧａｓＯｘｚ　（Ｇ　Ｇ　Ｇ　）の
単結晶化をゾーンメルティング法で行う場合には。

１７００℃以上に昇温するため、耐熱性が優れ、熱膨張
率が薄膜に近く、望むならばｍ−ｖ族半導体とのマツチ
ングも良い材料が必要である。このような材料としては
サファイア（ＡΩ２０８）またはマグネシウム・アルミ
ニウム・スピネル（ＭｇＡ　Ｑ　ｘＯａ／）に代表され
るスピネル基板が有用である。すなわち、サファイアお
よびスピネルは、高融点の酸化物であり耐熱性が優れ、
また、これらの基板上に形成したＳｉおよびＧａの単結
晶膜あるいはそのいずれかを介してＧａＡｓ単結晶薄膜
を形成することができる。しかし、例えばサファイアあ
るいは、マグネシウム・アルミニウム・スピネル上に形
成した。

非単結晶又は多結晶Ｇｄ５ＧａａＯｚｚ膜をたとえばレ
ーザ、ゾーンメルティング法により単結晶化する際、基
板内に生ずる熱歪によって、基板が割れ易いという問題
点があった。

〔発明の目的〕

したがって、本発明の目的は上述の問題点を解決し、ガ
ーネット以外の基板上にゾーンメルト法によりガーネッ
ト単結晶薄膜を形成する際に生じやすい基板の割れを防
ぐ複合薄膜構造を提供し、ガーネット以外の基板上にガ
ーネット単結晶膜を安定に形成することにより、光アイ
ソレータと半導体レーザ、光スィッチなどの素子をモノ
リシックに集積するため複合薄膜構造を提供することで
ある。

〔発明の概要〕

本発明は、耐熱性に優れた非結晶質、又は多結晶の酸化
物を被覆したサファイア（Ａ　Ｑ　ｚｏｇ）またはマグ
ネシウム・アルミニウム・スピネル（ＭｇＡ　Ｑ　ｇｏ
ｓ）などのスピネル基板上に高融点金属の蒸着膜を介し
て形成した溶融可能なガーネット薄膜の少なくとものそ
の表面の一部を単結晶化し、この単結晶部を種結晶とし
て鉄を含むガーネット単結晶薄膜をエピタキシャル成長
されることによって鉄ガーネツト光導波路を形成させる
技術を見い出したことに基づいている。

なお、本発明において、非単結晶質の酸化物を被覆した
サファイアあるいはＭｇＡ　Ｑスピネルなどのスピネル
を用いる理由は次のとおりである。すなわち、基板上に
形成した溶融可能なガーネットをゾーンメルト法により
単結晶化するためには薄膜表面を約１７００℃に加熱す
る必要があり、基板材料としては耐熱性を有することが
要求される。また冷却時に薄膜の割れの発生を防ぐ観点
から基板と薄膜との熱膨張率の違いが小さいことも要求
される上記の２点から、溶融可能なガーネット単結晶薄
膜を形成する基板材料として、サファイアおよびＭｇＡ
　Ｑスピネルなどのスピネルが最適である。

しかし、サファイア単結晶およびスピネル単結晶はレー
ザ光などによる局所的な加熱に対しては割れやすい、そ
こで、第１に単結晶基板への熱伝達量を減少させること
、第２に坪所的な加熱によって生じる熱歪を暖和させる
ことが、サファイア単結晶基板およびＭｇＡ　Ｑスピネ
ルなどのスピネル単結晶基板上のガーネット薄膜をレー
ザ加熱する際に要求される。上記の２点から、溶融可能
なガーネット薄膜と単結晶基板の間にバッファ層として
非結晶質又は多結晶の酸化物層を用いることが有効であ
ることを見い出し、サファイア単結晶およびＭｇＡ　Ｑ
スピネルなどのスピネル単結晶基板上に安定にガーネッ
ト単結晶薄膜を形成できるようになった。

〔発明の実施例〕

以下、実施例により本発明の詳細な説明する。

実施例１ 第２図に本発明における半導体レーザ、光アイソレータ
をモノリシック化するための基本となる複合薄膜構造の
一例を示す。

（１１０２）面方位をもつサファイア単結晶基板９の一
部に基板温度５００℃以下で膜厚２０μｍのＡ　ｎ　ｘ
ｉｓ非晶質膜１０をスパッタ蒸着により形成し、その上
にＩｒ蒸着膜（膜厚５００　ｎ　ｍ）１１を形成した。

さらに、Ｉｒ蒸着膜１１の上に基板温度５００℃以下で
膜厚５μｍのＧｄ　ｓＧａ　３０　ｔ　ｘ非晶質膜を形
成した。ついでＧｄａＧａＩＩＯｒｚ非晶質膜の表面に
２つにスプリットした炭素ガスレーザビームを真空中で
照射し、走査させた。この結果、ＧｄａＧａｓＯｔｚ非
晶質膜は、レーザビームを走査するに従って溶融および
結晶化を続け、スプレッドしたビームの間隔の幅で細長
い島状に（１１０）に近い面方位をもつＧｄａＧａａＯ
ｘｚ単結晶薄膜１２を形成することができた。

ついで、　ＧｄａＧａ６０１ｚ単結晶薄膜１２の上に、
基板温度５００℃以下でＹａＦθδＯｔｘ非晶質膜をス
パッタ蒸着により形成し、８００℃に加熱し。

ＹｓＦｅａＯｒｚ膜の同相エピタキシャル成長を行った
。

この結果、Ｇｄ　ａＧａ　ｓｏ　１ｘ単結晶膜１２の上
にＹａＦｅＩ！１Ｏｔｚ単結晶薄膜１３を形成すること
ができた。

さらに上述の磁性単結晶薄膜の隣接する同一サファイア
単結晶基板９の上に化学気相成長法により（００１）面
方位をもつＳｉ単結晶薄膜１４を形成し、Ｓｉ単結晶薄
膜１４の上に分子線エピタキシ法により（００１）面方
位をもっＧｅ単結晶８膜１５を形成した。さらに、分子
線エピタキシ法によりＧｅ単結晶薄膜１５の上にＧａＡ
ｓ単結晶単結膜薄１模１６した。さらにＧａＡｓ単結晶
薄膜１６の上に分子線エピタキシ法によりＡ　Ｑ　Ｇａ
Ａｓ半導体レーザ１７を形成し、本発明の半導体レーザ
・光アイソレータ複合素子を作製した。半導体レーザを
形成するプロセスにおいて、先に形成したガーネット単
結晶薄膜は熱に強く安定であるため、その結晶性および
光磁気的物性が変わらないこともわかった。

実施例２ 実施例１において、第２図に示すＧａＡｓ単結晶薄膜１
６およびＡ　Ｑ　ＧａＡｓ半導体レーザ１７を有機金属
ＣＶＤ法により形成し、本発明の半導体レーザ、光アイ
ソレータ複合素子を作製した。このプロセスにおいても
、先に形成したガーネト単結晶薄膜に変化はなかった。

実施例３ 実施例１において、スプリットしたレーザビームの代わ
りに幅を広げた電子ビームを走査させて、第２図に示す
ＧｄａＧａ５０ｚ２単結晶薄膜１２を形成した。さらに
、　ＧｄａＧａｓＯｔｚ単結晶薄膜１２の上に基板温度
を６００℃以上に加熱してＹａＦｅｌｌｏｚｚをスパッ
タ蒸着することによりＹａＦｅａＯｚｚ単結晶をエピタ
キシャル成長させることができた。

実施例４ 実施例１において、第２図に示すＩｒ蒸着膜１１の代わ
りにＲｅ蒸着膜を用いた場合にも割れおよび反応がない
Ｇｄ　ａＧａ　ａｏ　１ｘ単結晶薄膜およびＹａＦｅ５
０ｘｚ単結晶薄膜を実施例１と同じ方法で形成すること
ができた。

実施例５ 第３図にＭｇＡ　Ｑスピネル（ＭｇＡ　Ｑ　ｘ０４）単
結晶基板を用いた場合の半導体レーザ・光アイソレータ
複合構造の一例を示す。

（１１０）面方位をもつＭｇＡ　Ｑスピネル単結晶基板
１８の一部に基板温度５００”Ｃ以下で膜厚２０μｍの
Ｇｄ　ａＧａ　ＩＩＯｔ　ｘ非晶質膜１９をスパッタ法
により形成し、Ｇｄ　２ＩＣ，ａ　１１０１２非晶質膜
１９の上に膜厚２００ｎｍのＩｒ蒸着膜２０を形成し、
さらに基板温度５００’Ｃ以下で膜厚５μｍのＧｄａＧ
ａａＯｘｚ非晶貿膜をスパッタ法により形成した。つい
でＧｄａＧａ２１０１ｚ非晶質膜の表面に２つにスプリ
ットしたレーザビームを照射し、走査させた。この結果
、上層のＧｄａＧａａＯｚｇ非晶質膜のレーザビームを
照射した領域はレーザビームを走査するに従って溶融お
よび結晶化を続け、スプリットしたビームの幅で細長い
島状にＧｄ　ｓＧａ　８０１　ｘ単結晶薄膜２１を形成
することができた。

ついで、　Ｇｄ５ＧａＩＩＯｘｚ単結晶薄膜２１の上に
基板を６００℃以上に加熱してＹａＦａｓＯｘ！をスパ
ッタ蒸着することによりＹａＦｅａＯｔｚ単結晶薄膜２
２を形成した。

さらに、上述の磁性単結晶薄膜の隣接する同−ＭｇＡ　
Ｑスピネル基板１８の上に化学気相成長法により（１０
０）面方位をもつＳｉ単結晶薄［２３を基板温度６００
℃で形成し、Ｓｉ単結晶薄膜２３の上に分子線エピタキ
シ法により（１００）面方位をもつＧｅ単結晶薄膜２４
を形成した。さらに分子線エピタキシ法によりＧｅ単結
晶薄膜２４の上に（１００）面方位を有するＧａＡｓ単
結晶薄膜２５を形成した。さらにＧａＡｓ単結晶薄膜の
上に有機金ｍＣｖＤ法によりＩｎＧａＡｓＰ半導体レー
ザ２６を形成し１本発明の半導体レーザ、光アイソレー
タ複合素子を作製した。

実施例６ 実施例１において、ＡｊｌｚＯａおよびＧｄａＧａ６０
ｔｚ膜の代わりにＮｄ８ＧａＩＩＯｔｚ膜を用い、Ｙａ
ＦａａＯｔｚ膜の代わりにＢｉｚＹｚＦａｇＯｚｚ膜を
用いて作製した本発明の半導体レーザ、光アイソレータ
複合素子の基本構造例を第４図に示す。

（１１０２）面方位をもつサファイア基板２７の一部に
基板温度５００℃で膜厚２０μｍのＮｄ５Ｇａａ０１２
多結品質膜２８をスパッタ法により形成し、Ｎｄ　ａＧ
ａ　ａｏ　１ｚ多結晶質膜２８の上に膜厚２００ｎｍの
Ｉｒ蒸着膜２９を形成し、さらにＩｒ蒸着１ｉ１２９の
上に基板温度２００℃以下でＮｄａＧａｓＯｉ２非晶質
膜をスパッタ法により形成した。ついでＮｄａＧａａＯ
１ｚ非晶質膜の表面に２つにスプリットしたレーザ・ビ
ームを照射し、走査させた。この結果、実施例１の場合
と同じようにＩｒ蒸着膜２９の上にＮｄａＧａａＯｘｚ
単結晶薄膜３０を形成することができた。

ついで、　Ｎｄ５ＧａＢＯ１ｘ単結晶薄膜３０の上に基
板温度４００℃以下でＢｉｚＹｚＦｅｓＯｚｔ非晶質膜
をスパツタ法により形成し、８００℃に加熱して。

ＢｉｘＹ２ＦｅａＯｔ２の固相成長を行った。この結果
、Ｎｄ　ａＧａ　ｓＯｔ　１２単結晶Ｎ膜３０上に、Ｂ
ｉｚＹｚＦｅａ０１ｚ混晶薄膜３１をエピタキシャル成
長させることができた。

さらに、実施例１１と同じ方法でサファイア単結晶基板
２７の上にＳｉ単結晶薄膜３２、Ｇｅ単結晶薄膜３３、
ＧａＡｓ単結晶薄膜３４およびＡ　１１　ＧａＡｓ半導
体レーザ３５を形成し、本発明の半導体レーザ、光アイ
ソレータ複合素子を作製した。

実施例７ 実施例７において、第４図に示すＩｒ蒸着膜２９の代わ
りにＲｅ蒸着膜を用いた場合にも割れおよび反応がなく
、Ｎｄ　ａＧａ　ａｏ　１　ｚ単結晶薄膜を形成するこ
とができ、ＢｉｚＹｚＦｅａＯｔｚ混晶薄膜を実施例６
と同じ方法でエピタキシャル成長させることができた。

〔発明の効果〕

以上の実施例で示したように１本発明の複合薄膜構造は
、同一基板上に■−■族半導体レーザあるいは先導体波
路と光アイソレータをモノリシックに結合できる構造で
あり、小型、高信頼の光アイソレータを含む光集積回路
を形成することができる６本発明の特徴は耐熱性に優れ
た非結晶質又は多結晶の酸化物層を形成したサファイア
またはスピネル基板を用いることであり、また光アイソ
レータ部を最初に形成するためＧａＡｓ基板を用いる方
法に比較して熱的に安定であり、プロセス上非常に有利
である。また、サファイアおよびスピネルは絶縁物であ
ることから、半導体レーザおよび駆動回路等を含む光・
電気集積回路を形成した場合にも高信頼性が期待できる
。

実施例では光アイソレータと半導体レーザの複合素子の
形成を行ったため、サファイア、スピネルを基板にし、
バッファ層についても、ガーネット、ＡＱｚＯｓを用い
た。しかし、溶融すべき薄膜材料が違った場合、基板、
バッファ層の材料も変わるのは当然であるが、電子線、
レーザ光によって薄膜を溶融する時、本発明で示したバ
ッファ層の形成は基板の割れ防止に対して有効と考えら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来法による光アイソレータの参考例を示す図
、第２図、第３図および第４図は本発明による半導体レ
ーザ、光アイソレータ複合素子の基本構造を示す図であ
る。 １−ＧｄｓＧａｓＯｘｚ単結晶基板、２−ＢｉＹＩＧ＊
ｌＥｉ、３・・・ＺｎＯ上層部、４・・・モード選択回
路、５・・・非相反回路、６・・・相反回路、７，８・
・・ルチルプリズム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、単結晶基板上に形成した酸化物薄膜をレーザ光もし
   くは、電子ビームによつて加熱、帯溶融し結晶化するた
   めの薄膜構造において、該単結晶基板上の一部もしくは
   全面に少なくとも一層の非晶質または多結晶の酸化物バ
   ツフア層を形成し、該バツフア層の上に少なくとも一層
   の金属膜を形成し、該金属膜の上に溶融すべき酸化物薄
   膜を形成したことを特徴とする帯溶融に適した薄膜構造
   。 ２、特許請求範囲第１項記載の帯溶融に適した薄膜構造
   において、溶融すべき酸化物薄膜が、ガーネツトであり
   、前記単結晶基板がサフアイア（Ａｌ＿２Ｏ＿３）もし
   くはスピネルであり、前記バツフア層が該溶融すべき酸
   化物と同等もしくはより高い融点をもつことを特徴とす
   る帯溶融に適した薄膜構造。 ３、特許請求範囲第１項記載の帯溶融に適した薄膜構造
   において、前記バツフア層がガーネツト、Ａｌ＿２Ｏ＿
   ３、スピネルであることを特徴とする帯溶融に適した薄
   膜構造。 ４、特許請求範囲第２項記載の帯溶融に適した薄膜構造
   において、前記金属膜ガイリジウムもしくはレニウムで
   あることを特徴とする帯溶融に適した薄膜構造。 ５、特許請求範囲第２項記載の帯溶融に適した薄膜構造
   において、前記単結晶基板上の一部に化合物半導体の少
   なくとも一層の薄膜を形成したことを特徴とする帯溶融
   に適した薄膜構造。