KR100760449B1 - 광편향 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

광편향 소자는 실리콘 단결정 기판(21) 위에, 마그네시아 스피넬막(22), 하부 전극(23), 하부 클래드층(24), 코어층(25), 상부 전극(26)이 순차적으로 적층된 구성으로 하고, 이들 중에서, 마그네시아 스피넬막(22), 하부 전극(23), 하부 클래드층(24)의 PLZT막, 및 코어층(25)의 PLZ막은 각각의 하층에 대하여 에피택셜 성장에 의해 형성되어 있다. 하부 전극(23)과 상부 전극(26) 사이에 인가되는 전압에 따라 전기광학 효과에 의해 굴절률이 변화되는 굴절률 변화 영역(25A, 24A)이 형성되고, 코어층(25)에 입사된 광은 굴절률 변화 영역(25A)과의 경계에서 코어층(25)의 면내 방향으로 편향된다.
광편향 소자, 실리콘 단결정, 에피택셜 성장, 전기광학 효과, 굴절률 변화 영역

Description

광편향 소자 및 그 제조 방법{OPTICAL DEFLECTION DEVICE, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 광통신에 이용되는 광편향 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 광도파로 중의 광빔을 전기광학 효과에 의해 편향시키는 광편향 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근의 정보 통신에 관련된 데이터량이 증대함에 수반하여, 광을 매체로 한 통신 기술의 중요도가 증가하고 있다. 특히, 광파이버망이 각 가정에 설치되기 시작하여, 단말 사용자가 급격히 증가할 것으로 예정되어 있다. 광파이버망을 사용하여 다수의 단말 사용자에게 효율적으로 데이터를 보내기 위해서는, 전송 손실이 적고, 전환 채널수가 많은 고성능의 광스위치가 필요해진다.
현재 제안되어 있는 광스위치에는 MEMS(Micro Electronic Mechanical System) 방식, 버블 방식, 박막 도파로 방식 등이 제안되어 있다. 이 중에서 박막 도파로 방식은 기판 위에 클래드층-코어층-클래드층의 다층 구조를 형성하고, 코어층에 광을 전송시키는 것이다. 이들 층 중에서 특히 코어층에, 전계를 가하면 굴절률이 변화하는 재료, 이른바 전기광학 효과를 갖는 재료를 사용하면, 전계를 인가한 것만으로 광을 편향할 수 있다. 이와 같은 원리를 이용한 박막 도파로 방식 의 광스위치는 MEMS 방식이나 버블 방식과 비교하여, 미소한 기계적 구동부나 복잡한 구조를 갖지 않기 때문에, 제조 코스트를 저감하는 것이 가능하리라고 기대되고 있다.
많은 물질이 전기광학 효과를 갖고 있다는 것이 알려져 있지만, 전계 인가에 의한 굴절률 변화가 큰 재료는 현재로서는 일부의 산화물에 한정되어 있다. 전기광학 효과는 물질을 구성하는 원자의 특정한 배열, 즉 결정에 유래하는 것이고, 비정질(아몰퍼스) 상태에서는, 전기광학 효과가 발현되지 않거나, 크게 저하되거나 한다. 통상적으로, 산화물을 이용하는 경우, 산소의 존재하에서 수백 ℃로 가열하여 결정화를 행함으로써, 전기광학 효과를 얻을 수 있다. 이들 재료의 박막 실장을 고려하는 경우, 조성이 균일하고 결함이 없는 산화물 단결정막이 높은 광투과율·전기광학 효과, 싱글 모드의 동작을 얻기 위해서는 이상적이다.
그러나, 많은 경우, 단결정막을 얻는 것은 매우 곤란하고, 통상은 다결정막으로서만 얻어진다. 다결정막에는 결정 입계 등의 결함이 존재하기 때문에, 단결정막보다 광투과율이 낮다. 일반적으로, 결정이 커지면 커질수록, 특정한 면방향으로 배향하면 할수록 광투과율은 커지는 경향이 있다. 따라서, 기판에 수직 방향뿐만 아니라, 기판 면내로도 배향한 막, 이른바 에피택셜막(3축 배향막)이, 저손실의 광스위치를 얻기 위해서는 바람직하다.
종래, 높은 광투과율을 갖는, 저손실의 산화물의 에피택셜막을 얻기 위하여, 산화 마그네슘(MgO), 티탄산 스트론튬(SrTiO3) 등의 산화물 단결정 기판이 사용되어 왔다. 이들 기판은 도전성을 갖지 않으므로, 먼저 이들 기판 위에 하부 전극으로 되는 금속막, 예를 들면 백금막을 에피택셜 성장시킨 후, 그 결정성을 이어받는 형태로, 에피택셜 성장시킴으로써, 양질의 산화물 결정막을 얻고 있다.
그러나, 일반적으로 사용되고 있는 산화물 단결정 기판은 2인치 정도이고, 대형화가 곤란하다. 또한, 가격면에서도, 6인치의 실리콘 단결정 기판이 수천엔인데 비하여, 2인치의 MgO 기판은 수십만엔으로 고가이므로 실용상 어려움이 있다. 따라서, 산화물층의 에피택셜막을 성장시키는 기판으로서, 실리콘 단결정 기판을 이용하는 검토가 행해지고 있다.
먼저, 실리콘 단결정 기판 위에 에피택셜막을 성장시키기 위해서는, 실리콘 단결정 기판의 표면의 배향을 이용할 필요가 있다. 그러나, 실리콘 단결정 기판의 표면이 고온에서 산소 분위기 중에 노출되면, 산화되어 실리콘 산화막(SiOx)이 형성되게 된다. 실리콘 산화막은 비정질로 배향을 갖지 않으므로, 실리콘 산화막 위에는 에피택셜막은 성장하지 않는다. 또한, 에피택셜막의 성장에는 성장시키는 막과 실리콘 단결정 기판 사이의 반응이나 확산이 적은 것도 중요하다. 지금까지, 실리콘 단결정 기판 위에 에피택셜 성장 가능한 재료로서, 이트륨 안정화 지르코니아(YSZ), 산화 세륨(CeO2) 등의 희토류 원소의 산화물, 산화 마그네슘(MgO), 마그네시아 스피넬(MgAl2O4), 티탄산 스트론튬(SrTiO3) 등이 개시되어 있다. 이들 재료의 결정층을 중간층으로 하여, 중간층 위에 페로브스카이트 구조를 갖는 산화물의 에피택셜막을 형성하는 시도가 이루어지고 있다.
이들 중간층 중에서, 마그네시아 스피넬막은 실리콘 기판 (001)면 위에 (001)면을 주면으로 하여 에피택셜 성장하고, 또한 페로브스카이트 구조를 갖는 결정의 (001)면이 에피택셜 성장하는 것이 알려져 있다(예를 들면, 일본 특허공개 소55-61035호 공보, Matsubara et al, J. Appl. Phys., 66(1989)5826 참조).
그런데, 실리콘 단결정 기판 위에 마그네시아 스피넬막, 페로브스카이트 구조를 갖는 결정이 형성된 적층체를 광편향 소자 등에 사용하기 위해서는, 페로브스카이트 구조를 갖는 결정의 상하에 전계를 인가하는 전극을 형성하는 것이 필요해진다. 즉 마그네시아 스피넬막과 페로브스카이트 구조의 산화물층의 에피택셜막과의 사이에 도전층을 형성할 필요가 있다.
그러나, 이러한 도전층의 결정성이 낮은 경우는 도전층 위에 형성되는 페로브스카이트 산화물층의 결정성이 저하되고, 광전파 손실이 증가하고, 또한 전기광학 효과가 저하되게 된다는 문제가 있다.
[특허문헌 1] 일본 특허공개 소55-61035호 공보
[비특허문헌 1] Matsubara et al, J. Appl. Phys., 66(1989)5826
따라서, 본 발명은 상기의 과제를 해결한 신규이고 유용한 광편향 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 개괄적 과제로 한다.
본 발명의 더욱 구체적인 과제는 광전파 손실이 적고 광학적 특성이 우수한, 제조 코스트가 저렴한 광편향 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 한 관점에 따르면,
단결정 기판과,
상기 단결정 기판 위에 형성된 마그네시아 스피넬막으로 이루어지는 중간층과,
상기 중간층 위에 형성된 백금족 원소를 포함하는 도전층으로 이루어지는 하부 전극과,
상기 하부 전극 위에 형성된 제1 산화물층과,
상기 제1 산화물층 위에 형성된 제2 산화물층과,
상기 제2 산화물층 위에 형성된 상부 전극을 갖는 광편향 소자로서,
상기 중간층, 하부 전극, 제1 산화물층 및 제2 산화물층은 에피택셜막으로 이루어지고,
상기 제2 산화물층의 굴절률이, 상기 제1 산화물층의 굴절률보다 크며,
상기 하부 전극이 Pt 또는 Ir을 주성분으로 하는 광편향 소자가 제공된다.
본 발명에 따르면, 단결정 기판 위에 형성된 중간층, 하부 전극, 제1 산화물층 및 제2 산화물층은 단결정 기판의 결정성을 이어받은 에피택셜막으로 형성되어 있다. 따라서, 광도파로가 되는 제2 산화물층이 에피택셜막이므로, 결정성이 우수하여 양호하다. 그 결과, 광학 특성이 우수하여 양호하고, 특히 광전파 손실의 저감을 도모할 수 있다.
여기에서, 에피택셜막이란 에피택셜막이 형성되는 기판 또는 기초층을 구성하는 결정과 어떤 방위 관계를 갖고 형성된 막이다. 따라서, 에피택셜막은 성장 방향의 결정 배향성 뿐만 아니라, 면내의 방위의 결정 배향성을 갖는다.
상기 단결정 기판은 실리콘 단결정 기판으로 한다. 종래에 광편향 소자에 사용되는 MgO 등의 산화물 단결정 기판과 비교하여, 실리콘 단결정 기판은 대형의 기판이 얻어지고, 아울러 저가이므로, 광편향 소자의 제조 코스트를 대폭적으로 저감할 수 있다.
상기 단결정 기판과 중간층 사이에 비정질층이 더 형성되어도 된다. 단결정 기판상의 중간층은 에피택셜 성장에 의해 형성되어 있다. 따라서, 단결정 기판 표면과 그 위에 성장된 중간층인 마그네시아 스피넬막과는 헤테로 에피택셜 구조를 형성하고, 이들 계면은 강고하게 결합되어 있다. 그 결과, 마그네시아 스피넬막을 구성하는 원자가 열처리 등에 의해 재배열하고자 하여도, 단결정 기판의 결정면의 원자 배열에 구속되어 재배열이 제한되게 된다. 단결정 기판 위에 마그네시아 스피넬막이 형성되어 있는 상태에서, 이들 계면에 비정질막을 형성하여 상기의 구속을 잘라냄으로써, 마그네시아 스피넬막의 자기 재배열을 가능하게 할 수 있다. 따라서, 마그네시아 스피넬막의 결정성이 향상되고, 그 위에 형성되는 하부 전극, 제1 산화물층 및 제2 산화물층은 양호한 결정성을 이어받아, 각각의 층의 결정성이 향상된다.
상기 제2 산화물층이 전기광학 효과를 갖는다. 상기 하부 전극과 상부 전극 사이에 전압을 인가함으로써, 제2 산화물층에 굴절률 변화 영역을 형성하여, 전파되는 광빔의 진행 방향을 제2 산화물층의 면내 방향으로 편향하는 것이 가능해진다.
상기 제1 및 제2 산화물층 중에서 적어도 하나가 단순 페로브스카이트 격자를 포함하는 결정 구조를 갖는다. 단순 페로브스카이트 격자를 갖는 산화물층은 전기광학 효과를 가지며, 예를 들면 포켈스 효과(Pockels effect) 또는 커효과(Kerr effect) 등이 크다. 따라서, 굴절률의 변화가 크기 때문에, 편향각을 증가하는 것이 가능해진다.
상기 단결정 기판, 중간층 및 하부 전극의 적층 방향의 결정 방위가 [001]이어도 된다. 또한, 상기 제1 및 제2 산화물층의 적층 방향의 결정 방위가 [001]이어도 된다. 하부 전극과 상부 전극에 의한 전계의 인가 방향에 대하여, 제1 및 제2 산화물층의 결정 방위 중에서 자발 분극이 최대로 되는 방향, 즉 분극 축방향 [001]을 평행하게 한다. 페로브스카이트 구조를 갖는 산화물과 같은 산소 8면체형 강유전체의 1차 전기광학 상수는 유전율, 자발 분극의 크기, 및 2차 전기광학 상수의 곱으로 표시된다. 정방정의 페로브스카이트 구조를 갖는 산화물의 분극 축방향은 [001]이므로, 하부 전극과 상부 전극에 의한 전계의 인가 방향과 분극 축방향을 일치시킴으로써, 전기광학 효과가 최대로 되고, 굴절률의 가변 범위를 확대하는 것이 가능해진다. 그 결과, 편향각을 증가하는 것이 가능해진다.
상기 제2 산화물층과 상부 전극 사이에, 상기 제2 산화물층 위에 에피택셜 성장에 의해 형성된 제3 산화물층을 더 가지며, 상기 제2 산화물층의 굴절률이, 상기 제1 및 제3 산화물층의 굴절률보다 큰 구성으로 해도 된다. 제3 산화물층을 클래드층으로 하여, 제1 산화물층과 제3 산화물층에 의해 제2 산화물층을 사이에 둔 광도파형 편향 소자를 구성한다. 제3 산화물층도, 제2 산화물층 위에 에피택셜 성장에 의해 형성되므로, 결정성이 우수하기 때문에, 제2 산화물층으로부터의 광빔의 스며나옴에 의한 손실을 억제하는 것이 가능해진다.
본 발명의 다른 관점에 따르면,
단결정 기판 위에 마그네시아 스피넬로 이루어지는 중간층을 형성하는 중간층 형성 공정과,
상기 중간층 위에 백금족 원소로 이루어지는 도전층으로 이루어지는 하부 전극을 형성하는 하부 전극 형성 공정과,
상기 하부 전극 위에 제1 산화물층을 형성하는 제1 산화물층 형성 공정과,
상기 제1 산화물층 위에 제2 산화물층을 형성하는 제2 산화물층 형성 공정과,
상기 제2 산화물층 위에 상부 전극을 형성하는 상부 전극 형성 공정을 구비한 광편향 소자의 제조 방법으로서,
상기 중간층, 하부 전극, 제1 산화물층, 및 제2 산화물층은 에피택셜 성장에 의해 형성되는 광편향 소자의 제조 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 단결정 기판 위에 형성된 중간층, 하부 전극, 제1 산화물층 및 제2 산화물층은 단결정 기판의 결정성을 이어받은 에피택셜막으로 형성되어 있다. 따라서, 광도파로가 되는 제2 산화물층이 에피택셜막이므로, 결정성이 우수하여 양호하다. 그 결과, 광학 특성이 우수하여 양호하고, 특히 광전파 손실의 저감을 도모할 수 있다.
상기 중간층 형성 공정과 하부 전극 형성 공정 사이에, 산소 가스 또는 수증기를 포함하는 분위기 중에서 열처리를 행하는 공정을 더 구비해도 된다. 열 처리에 의해 단결정 기판과 중간층간의 계면에 열산화막이 형성된다. 따라서, 헤테로에피택셜 구조를 이루는 단결정 기판과 중간층간의 결합이 끊기므로, 중간층인 마그네시아 스피넬막이 열처리에 의해 자기 재배열이 가능해진다. 따라서, 마그네시아 스피넬막의 결정성이 더욱 양호해지고, 그 위에 형성되는 하부 전극, 제1 산화물층 및 제2 산화물층은 양호한 결정성을 이어받아, 각각의 층의 결정성이 향상된다.
도 1은 본 발명에 따른 광편향 소자의 기본이 되는 적층 구조체의 단면도.
도 2는 적층 구조체의 제조 공정을 도시한 플로우차트.
도 3은 적층 구조체 중에서 실리콘 단결정 기판/마그네시아 스피넬/백금막의 박막 적층체의 X선 회절 패턴을 도시한 도면.
도 4A는 백금막의 (202)면에 대한 φ스캔에 의한 X선 회절 패턴을 도시한 도면.
도 4B는 마그네시아 스피넬막의 (404)면에 대한 φ스캔에 의한 X선 회절 패턴을 도시한 도면.
도 4C는 실리콘 단결정 기판의 (202)면에 대한 φ스캔에 의한 X선 회절 패턴을 도시한 도면.
도 5A는 박막 적층체의 백금막의 (002)면에 대한 로킹 커브를 도시한 도면.
도 5B는 본 발명에 따르지 않는 MgO 단결정 기판 위에 에피택셜 성장된 백금막의 (002)면에 대한 로킹 커브를 도시한 도면.
도 6은 적층 구조체의 PLZT막의 (222)면에 대한 φ스캔에 의한 X선 회절 패턴을 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광편향 소자의 평면도.
도 8은 제1 실시예에 따른 광편향 소자의 단면도.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광편향 소자의 단면도.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 광편향 소자의 평면도.
도 11은 제4 실시예에 따른 광편향 소자의 단면도.
도 12는 본 발명의 제5 실시예에 따른 코어층의 전파 손실과 결정성의 관계를 도시한 도면.
이하, 도면에 기초하여 본 발명의 실시형태를 설명한다.
(본 발명의 광편향 소자에 따른 적층 구조체)
도 1은 본 발명에 따른 광편향 소자의 기본이 되는 적층 구조체의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 적층 구조체(10)는 단결정 기판(11) 위에, 중간층(12), 도전층(13), 및 산화물층(14)이 순차적으로 적층된 구성으로 되어 있다. 본원 발명자는 이러한 적층 구조체(10)에 있어서, 단결정 기판(11)에 예를 들면 실리콘 단결정 기판 또는 GaAs 단결정 기판, 중간층(12)에, 마그네시아 스피넬막, 및 도전층(13)에 백금족의 원소 등을 사용함으로써, 실리콘 단결정 기판 또는 GaAs 단결정 기판인 저가이고 아울러 직경이 큰 단결정 기판 위에, 마그네시아 스피넬막을 개재 하여, 양질의 결정성을 갖는 에피택셜층의 도전층을 형성할 수 있다는 것을 발견하였다. 도전층의 결정성의 정도는 MgO 단결정 기판에 직접 에피택셜 성장시킨 도전층과 동일 정도이고, 우수하여 결정성이 양호하다는 것을 확인하였다. 본 발명에 따른 적층 구조체는 저가이고 대직경이 얻어지는 단결정 기판을 이용할 수 있다는 점에서 종래의 적층 구조체에 비하여 특히 유용하다.
또한, 본원 발명자는 적층 구조체의 도전층 위에 형성되는 산화물층이 도전층의 결정성을 이어받아서, (001)면이 성장면으로 되는 에피택셜층을 형성할 수 있다는 것을 발견하였다. 본 발명은 이러한 적층 구조체(10)를 광편향 소자에 적용한 것이다. 먼저, 적층 구조체(10)에 관하여 설명한다.
적층 구조체(10)의 단결정 기판(11)은 예를 들면 실리콘 또는 GaAs의 단결정 기판이 사용된다. 단결정 기판(11)의 두께는 약 500㎛, 주면을 (001)면으로 한 것이다. 주면을 (001)로 함으로써 단결정 기판(11) 위에 에피택셜 성장시키는 각 층의 면 방위를 정돈하고, 최종적으로 산화물층(14)의 면 방위를 (001)면으로 할 수 있다. 한편, 주면을 (001)면으로 하고 0°내지 4°의 범위에서 미세하게 경사진 단결정 기판(11)을 사용해도 된다. 단결정 기판(11) 표면의 미소한 요철에 기인하여 중간층(12)에 결정 입계가 발생하는 경우가 있지만, 미세하게 경사진 단결정 기판(11)을 사용함으로써, 중간층(12)의 막면내의 성장 방향을 정돈하여 결정 입계의 발생을 억제할 수 있다.
중간층(12)은 상기 단결정 기판(11) 위에 CVD법 등에 의해 에피택셜 성장된 두께 100㎚의 마그네시아 스피넬(MgAl2O4)에 의해 구성된다. 구체적으로는, 중간층(12)은 두께가 80㎚∼600㎚이다. 중간층(12)인 마그네시아 스피넬막은 예를 들면 실리콘의 단결정 기판의 (001)면 위에는 (001)면이 성장된다. 단결정 기판(11)의 (001)면 위에 마그네시아 스피넬막의 (001)면이 형성되고, 단결정 기판(11)의 [100]방향과 마그네시아 스피넬막의 [100]방향이 일치한다.
도전층(13)은 상기 중간층(12) 위에 RF 스퍼터법 등에 의해 에피택셜 성장된 두께 200㎚의 백금족의 원소 또는 합금에 의해 구성된다. 백금족의 원소는 예를 들면 Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt이다. 이 중에서 특히 Ir 또는 Pt가 우수한 결정 배향성이 얻어지는 점에서 적합하다.
또한, 도전층(13)은 마그네시아 스피넬의 (001)면 위에, 백금족의 원소 또는 합금의 (001)면이 성장된 것이다. 종래, 실리콘 단결정 기판에 에피택셜의 마그네시아 스피넬막을 형성하고, 또한 PZT막 등을 형성한 예는 보고되어 있었지만, 실리콘 단결정 기판 위에 마그네시아 스피넬막 및 백금족 원소 또는 합금의 에피택셜막이 순차적으로 적층된 예는 보고되어 있지 않다. 본 실시형태에 따른 단결정 기판(11)/마그네시아 스피넬의 중간층(12)/백금족 원소 또는 합금막의 도전층(13)으로 이루어지는 박막 적층체(16)는 이 박막 적층체(16) 위에 후술하는 단순 페로브스카이트 격자를 갖는 결정의 산화물층(14)을 에피택셜 성장시킬 수 있으며, 백금족 원소 또는 합금막의 도전층(13)은 도전성이고, 비저항이 11μΩ·㎝정도로 저저항이므로, 전극(예를 들면 제1 실시예의 하부 전극(23))으로서 사용할 수 있다. 특히, 고주파를 이용하여 산화물층(14)에 전계를 인가하는 경우에는, 도전층의 결정성이 우수하므로, 결정 입계 등에 기인하는 임피던스의 증가가 억제된다고 하는 이점이 있다.
산화물층(14)은 상기 도전층(13) 위에 에피택셜 성장된 단순 페로브스카이트 격자를 갖는 결정에 의해 구성된다. 단순 페로브스카이트 격자를 갖는 결정은 예를 들면 페로브스카이트 구조, 비스무스 층 형상 구조, 텅스텐 브론즈 구조 등을 들 수 있다. 이들 결정 구조를 갖는 결정은 강유전체이고, 전기광학 효과를 갖고 있다.
또한, 산화물층(14)에는 페로브스카이트 구조를 갖는, 예를 들면 Pb(Zr1-xTix)O3(0≤x≤1)의 일반식으로 표시되는 PZT를 사용할 수 있다. 또한, Pb(B’1/3B”2/3)O3(B’:2가의 금속, B”: 5가의 금속)이나, Pb(B’1/2B”1/2)O3(B’:3가의 금속, B”: 5가의 금속), Pb(B’1/2B”1/2)O3(B’:2가의 금속, B”: 6가의 금속)의 일반식으로 표시되는 결정, 또한 PZT에 첨가 원소를 부가하고, (Pb1-yLay)(Zr1-xTix)O3(0≤x, y≤1)의 일반식으로 표시되는 PLZT, Pb(B’1/3B”2/3)xTiyZr1-x-yO3(0≤x, y≤1, B’:2가의 금속, B”: 5가의 금속), Pb(B’1/2B”1/2)xTiyZr1-x-yO3(0≤x, y≤1, B’:3가의 금속, B”: 5가의 금속), Pb(B’1/2B”1/2)xTiyZr1-x-yO3(0≤x, y≤1, B’:2가의 금속, B”: 6가의 금속), 또는 (Sr1-xBax)TiO3(0≤x≤1)의 일반식으로 표시되는 결정을 사용 할 수 있다.
상기 Pb(B’1/3B”2/3)O3(B’:2가의 금속, B”: 5가의 금속)의 일반식으로 표시되는 결정 중에서 더욱 바람직한 것은 예를 들면 PbNi1/3Nb2/3O3, PbCo1/3Nb2/3O3, PbMg1/3Nb2/3O3, PbZn1/3Nb2/3O3, PbMn1/3Nb2/3O3, PbNi1/3Ta2/3O3, PbCo1/3Ta2/3O3, PbMg1/3Ta2/3O3, PbZn1/3Ta2/3O3, PbMn1/3Ta2/3O3을 들 수 있다. 이들 중에서 특히 바람직한 것은 PbNi1/3Nb2/3O3, PbCo1/3Nb2/3O3, PbMg1/3Nb2/3O3, PbZn1/3Nb2/3O3을 들 수 있다.
또한, 상기 Pb(B’1/2B”1/2)O3(B’:3가의 금속, B”: 5가의 금속)의 일반식으로 표시되는 결정 중에서 특히 바람직한 것은 예를 들면 PbFe1/2Nb1/2O3, PbSc1/2Nb1/2O3, PbSc1/2Ta1/2O3을 들 수 있다.
또한, 상기 Pb(B’1/2B”1/2)O3(B’:2가의 금속, B”:6가의 금속)의 일반식으로 표시되는 결정 중에서 바람직한 것은 예를 들면 PbMg1/2W1/2O3을 들 수 있다. 한편, 예를 들면, 0.65PbMg1/3Nb2/3O3-0.35PbTiO3나 0.5PbNi1/3Nb2/3O3-0.35PbTiO3-0.15PbZrO3 등의 다성분계 결정이어도 된다.
또한, 비스무스 층 형상 구조를 갖는 결정으로 대표적인 것은 예를 들면 SrBi2Ta2O3(SBT), Bi4Ti3O12, (Bi4-xRx)Ti3O12(R은 Y, Sc, 및 희토류 원소 1≤x≤3), (SrxBa1-x)Bi4Ti4O15, PbBi4Ti4O15을 들 수 있고, 또한 이들 결정에, V(바나듐) 또는 W( 텅스텐)을 1∼2mol% 첨가해도 된다. 텅스텐 브론즈 구조를 갖는 결정으로 대표적인 것은 예를 들면 Ba2NaNb3O15, Ba1-xSrxNb2O6 등을 들 수 있다.
산화물층(14)은 CVD법, CSD(Chemical Solution Deposition)법, 졸겔법, PLD(Pulse Laser Deposition)법, MOCVD(유기 금속 CVD)법 등을 이용하여 형성할 수 있는데, 대면적의 기판에 적용 가능한 방법이라면 한정되지 않지만, CSD법이 비교적 대면적의 기판에 용이하게 형성할 수 있는 점에서 적합하다.
한편, 도전층(13)과 산화물층(14) 사이에, 반도성 또는 도전성을 나타내는 페로브스카이트 격자를 갖는 결정 구조의 반도성 산화물층 또는 도전성 산화물층을 형성해도 된다. 구체적으로는, 예를 들면 반도성 산화물로서는, Nb 또는 La를 도프한 SrTiO3가 적합하다. 도프량은 예를 들면 1원자%로 한다. 또한, 도전성 산화물로서는, SrRuO3, CaRuO3, LaRuO3, LaxSr1-xCoO3(0≤x≤1), LaxSr1-xMnO3(0≤x≤1)을 들 수 있다. 전기광학 효과에 의해 굴절률 변화를 일으키기 위하여, 산화물층(14)에 전계를 인가하여, 그 전계를 온, 오프 또는 방향을 반전하는 등에 의해 산화물층(14)의 분극 반전을 반복하면, 도전층(13)과 산화물층(14)간의 계면의 산소 결손 등의 격자 결함에 기인하여, 산화물층(14)의 자발 분극이 열화됨과 아울러 전기광학 효과가 열화되는 경우가 있다. 도전층(13) 및 산화물층(14) 사이에 반도성 또는 전기 전도성 산화물층을 형성함으로써 자발 분극의 열화를 억제하고, 전기광학 효과에 의한 굴절률의 가변 범위의 협소화를 억제하는 것이 가능해진다. 한편, 후술하는 광편향 소자에 있어서는 산화물층(14) 위에 상부 전극이 형성되지만, 산화 물층과 상부 전극간의 계면에 있어서도 마찬가지로, 반도성 또는 도전성을 나타내는 페로브스카이트 격자를 갖는 결정 구조의 반도성 산화물층 또는 도전성 산화물층을 형성해도 된다.
다음으로, 적층 구조체의 제조 방법을 설명한다. 도 2는 적층 구조체의 제조 공정을 도시한 플로우차트이다.
도 2를 참조하면, 먼저, 단결정 기판(11)을 세정후, 단결정 기판(11)의 자연 산화막을 희불산에 의해 제거한다. 자연 산화막을 제거하여, 단결정 기판(11)의 결정면을 노출시킨다(S102).
다음으로, CVD법, MBE법 등에 의해, 자연 산화막이 제거된 단결정 기판(11) 위에 마그네시아 스피넬의 중간층(12)을 에피택셜 성장시킨다(S104). CVD법은 대면적, 예를 들면 직경 300㎜정도의 단결정 기판(11)에도 균일하게 성막 가능한 점에서 적합하다. CVD법에 의한 경우는 마그네시아 스피넬의 구성 원소를, 각각의 소스 챔버내에서 가열하여 증발시키고, 캐리어 가스에 의해 성막 챔버내로 보내고, 단결정 기판(11)을 750℃∼1050℃로 가열하고, 성막 속도 5㎚/분∼30㎚/분으로 설정하여 두께 80㎚∼600㎚ 형성한다.
다음으로, 마그네시아 스피넬의 중간층(12) 위에 도전층(13)을 에피택셜 성장시킨다(S106). 구체적으로는, 기판을 400℃이상, 바람직하게는 500℃이상의 온도로 가열·유지하여, 아르곤 가스 분위기 내에서 RF 스퍼터법에 의해 백금족의 금속을 두께 20∼2000㎚ 퇴적한다(S106). 이 때, 아르곤 가스 분위기에 소량의 산소, 예를 들면 아르곤 가스 30sccm에 대하여 산소 가스 1sccm∼3sccm을 부가함으로 써, 더욱 결정성이 양호한 도전층(13)을 형성할 수 있다. 중간층(12) 표면의 마그네시아 스피넬의 산소 원자가 성막 중에 괴리되는 것을 억제하고, 마그네시아 스피넬막 표면의 결정성이 유지되고, 양호한 결정성이 도전층(13)에 반영되기 때문이다.
다음으로, 도전층(13) 위에 예를 들면 CSD법에 의해 산화물층(14)을 형성한다(S108). 구체적으로는 Pb, Zr, Ti 등의 농도가 조정된 PZT 박막 형성제를 도전층(13) 위에 스핀 코트하고, 용제를 휘발 건조시킨다. 필요에 따라서 스핀 코트를 수회 반복하여 원하는 두께를 얻는다.
다음으로, 산화물층(14)을 결정화시키고, 에피택셜 성장시키기 위한 가열 처리를 행한다(S110). 구체적으로는, RTA(단시간 어닐)이 가능한 할로겐 램프 어닐 장치, 퍼니스 등에 의해 산소 분위기 내에서 500℃∼800℃, 5분∼15분으로 설정하여 행한다.
한편, PLD법에 의해 산화물층(13)을 형성해도 된다(S108A). 구체적으로는 진동 챔버내의 압력을 26.6㎩(200mTorr)로 하여 PZT 등으로 이루어지는 타겟과 도전층(13)까지 형성한 기판을 셋트하고, 레이저를 타겟에 조사하여 타겟 물질이 무화(霧化)되고, 플룸 경유하여 도전층(13) 위에 퇴적된다. 레이저의 출력, 나이퀴스트 주파수(Nyquest frequency) 등에 의해 퇴적시키는 두께를 조절한다. 한편, 대면적의 기판에 대하여 성막하는 경우는 타겟이나 기판을 플룸 상대적으로 이동시킴으로써, 더욱 균일한 두께의 산화물층을 형성할 수 있다. 이상에 의해, 도 1에 도시한 적층 구조체(10)가 형성된다.
도 3은 적층 구조체 중에서, 실리콘 단결정 기판(11)/마그네시아 스피넬막(12)/백금막(13)으로 이루어지는 박막 적층체(16)의 X선 회절 패턴을 도시한 도면이다. 박막 적층체(16)는 상술한 본 실시 형태에 있어서, 단결정 기판(11)에 실리콘, 중간층(12)에 마그네시아 스피넬막, 도전층(13)에 백금막을 사용한 것이다. 도 3은 박막 적층체(16)를, X선 디플렉트미터를 사용하여, 박막 적층체(16)의 막면에 θ가 이루는 각으로 입사되고, 2θ 방향의 회절각에 나타난 강도를 측정한 것이다(2θ-θ법).
도 3을 참조하면, 실리콘 단결정 기판(11)의 (004)면, 마그네시아 스피넬막의 (004)면, 및 백금막의 (002)면의 회절선이 나타나 있다. 백금막의 회절선에 주목하면, 2θ=46°에 (002)면의 회절선이 나타나 있는 한편, 예를 들면 (111)면(2θ=39°) 및 (011)면(2θ=65°)는 나타나 있지 않다. 이것으로부터, 백금막은 (001)면을 주면으로 하여, 적층 방향이 완전히 [001] 방향으로 배향되어 있다는 것을 알 수 있다. 한편, 마그네시아 스피넬막은 (004)면의 회절선만이 나타나 있다. 따라서, 실리콘 단결정 기판의 (001)면 위에 마그네시아 스피넬막, 게다가 그 위에 백금막이 1축 배향되어 있다는 것을 알 수 있다.
도 4A∼도 4C는 도 3의 박막 적층체(16) 각각의 막에 대하여, 시료만을 회전시키는 φ스캔에 의한 X선 회절 패턴을 도시한 도면이다. 도 4A는 백금막의 (202)면, 도 4b는 마그네시아 스피넬막의 (404)면, 도 4C는 실리콘 단결정 기판의 (202)면에 대하여 φ스캔을 행한 것이다. 도 4A∼도 4C를 참조하면, 백금막, 마그네시아 스피넬막, 실리콘 단결정 기판(11)은 동일한 각도로 4회 대칭축을 갖는다는 것 을 알 수 있다. 즉 박막 적층체(16)는 실리콘의 단결정 기판(11) 위에 cube-on-cube의 양식으로 에피택셜 성장되어 있다는 것을 알 수 있다.
도 5A는 박막 적층체(16)의 백금막의 (002)면에 대한 로킹 커브를 도시한 도면이다. 한편, 도 5B는 본 발명에 따르지 않는 MgO 단결정 기판 위에 에피택셜 성장된 백금막의 (002)면에 대한 로킹 커브를 도시한 도면이다. 도 5A를 참조하면, 본 실시 형태의 백금막의 (002)면의 회절선의 피크의 반치폭은 0.39°로 되어 있다. 도 5B에 도시한 본 발명에 따르지 않는 백금막의 (002)면의 회절선의 피크의 반치폭 0.41과 동등 이상이므로, 본 실시 형태의 도전층(13)의 백금막은 결정성이 우수하다는 것을 알 수 있다.
백금막의 결정성은 백금막 위에 에피택셜 성장되는 PZT 등의 산화물층의 결정성을 결정하는데 중요하고, 가능한 결정성이 양호한 것이 바람직하다. 본 실시형태에 따르면, MgO 단결정 기판 위에 에피택셜 성장된 백금막과 동등하므로, 결정성이 양호한 산화물층을 형성할 수 있다.
도 6은 본 실시형태의 산화물층에 대한 φ스캔에 의한 X선 회절 패턴을 도시한 도면이다. 이 산화물층은 CSD법에 의해 PLZT 박막 형성제(PLZT113/3/45/55, 농도 15질량%)를 도포, 결정화하여 PLZT막을 형성한 것이다. 여기에서, PLZT113/3/45/55는 Pb, La, Zr 및 Ti의 몰 농도비가 각각 113:3:45:55이라는 것을 나타낸다. 또한, φ스캔은 PLZT막의 (222)면에 대하여 행한 것이다.
도 6을 참조하면, 산화물층(14)의 PLZT막은 도 4A∼도 4C에 도시한 단결정 기판(11)/중간층(12)/도전층(13)과 동일한 각도로 4회 대칭축을 갖는다는 것을 알 수 있다. 즉 산화물층(14)은 도전층(13) 위에 cube-on-cube의 양식으로 형성되어 있다는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 적층 구조체는 실리콘 또는 GaAs의 단결정 기판(11) 위에 마그네시아 스피넬막의 중간층(12), 도전층(13), 산화물층(14)이 순차적으로 에피택셜 성장되어 형성되고, 산화물층(14)의 기초층으로 되는 도전층(13)이 종래의 MgO의 단결정 기판 위에 에피택셜 성장된 백금막과 동등한 양호한 결정성을 갖고 있으며, 따라서, 도전층(13) 위에 형성된 산화물층이 에피택셜층으로 되고, 우수하여 양호한 결정성을 갖고 있다.
따라서, 이 적층 구조체, 즉 산화물층 위에 더 형성되는 다른 산화물층도 에피택셜막으로 되고, 양호한 결정성을 갖는 것이 가능해진다. 그 결과, 산화물층을 클래드층, 그 밖의 산화물층을 코어층으로 하는 도파로형 광편향 소자는 그 밖의 산화물층(코어층)의 결정성이 양호하기 때문에 산란에 의한 광전파 손실을 매우 저감할 수 있으며, 산화물층(클래드층)의 결정성도 양호하기 때문에, 그 밖의 산화물층과의 계면에서의 전반사에 있어서의 손실을 저감할 수 있다.
또한, 적층 구조체는 도전층이 결정성이 양호한 백금막 등의 금속 또는 금속 산화물이므로, 전기 저항이 낮고, 결정 입계, 격자 결함 등에 기인하는 고주파에 있어서의 임피던스의 증가를 방지할 수 있다. 이하, 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
[제1 실시예]
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광편향 소자의 평면도이다. 또한, 도 8은 제1 실시예에 따른 광편향 소자의 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 광편향 소자(20)는 실리콘 단결정 기판(21) 위에, 마그네시아 스피넬막(22), 하부 전극(23), 하부 클래드층(24), 코어층(25), 상부 전극(26)이 순차적으로 적층된 구성으로 되어 있다. 이들 중에서, 마그네시아 스피넬막(22), 하부 전극(23), 하부 클래드층(24)의 PLZT막, 및 코어층(25)의 PZT막은 각각의 하층에 대하여 하층의 결정성을 이어받아 에피택셜 성장되어 있다.
광편향 소자(20)는 도파로형의 편향 소자를 형성하고 있다. 여기에서, 예를 들면 코어층(25)의 PZT막의 굴절률을 2.45, 하부 클래드층(24)의 굴절률을 2.36으로 설정한다. 즉, 코어층(25)의 굴절률에 대하여, 하부 클래드층(24)의 굴절률을 작게 한다. 한편, 코어층(25)의 상면에는 클래드층을 형성하고 있지 않지만, 공기의 굴절률은 1.0정도이므로, 코어층(25)의 굴절률이 커서 코어층(25)의 상면에 있어서, 코어층(25)을 전파하는 광은 전반사된다. 한편, 하부 클래드층(24)에 흡수됨에 따른 광 손실의 관점에서는, 코어층(25)의 굴절률과 하부 클래드층(24)의 굴절률의 차는 코어층(25)의 굴절률에 대하여 0.5% 이상이면 된다. 0.5%보다 작은 경우에는 코어층(25)을 전파하는 광이 하부 클래드층(24)과의 계면에 있어서 전반사되기 어렵게 되고, 광손실이 커진다.
광편향 소자(20)는 하부 전극(23)과 상부 전극(26) 사이에 인가되는 전압에 따라서, 상부 전극(26)의 하방의 코어층(25) 및 하부 클래드층(24)에는, 전기광학 효과에 의해 굴절률이 변화되는 굴절률 변화 영역(25A, 24A)이 형성된다. 굴절률 변화 영역(25A, 24A)은 상부 전극(26)과 동일한 형상을 상면으로 하는 삼각 기둥 형상으로 형성된다.
코어층(25)에 입사된 광은 코어층(25)과 하부 클래드층(24)간의 계면이나, 코어층(25) 상면(공기와의 계면)에서 전반사를 반복하면서 코어층(25) 내를 전파한다. 코어층(25)을 전파하고, 굴절률 변화 영역(25A)과의 경계에서, 굴절의 법칙에 의거하여 광이 편향된다. 즉 굴절률 변화 영역(25A)과의 경계에 수직 또는 평행하게 입사되는 광은 편향되지 않고 직진하고, 그 이외의 경우는 광은 편향된다. 굴절률 변화 영역(25A)의 입사측은 도 7에 도시한 바와 같이, 광에 대하여 상부 전극(26)의 바닥변이 수직으로 형성되어 있으므로, 입사광은 편향되지 않고 직진하고, 그리고 상부 전극(26)의 경사변에 대응하는 굴절률 변화 영역으로부터의 사출부에서 광이 편향되고, 광편향 소자(20)의 출사면으로부터, 예를 들면 화살표 LB1∼LB2의 범위와 같이 편향된 광이 사출된다. 예를 들면, 본 실시예의 광편향 소자(20)는 하부 전극(23)에 대하여 상부 전극(26)에 25V∼100V의 전압을 인가·스위프(sweep)하면, 0.5도∼2도 편향하는 것이 가능하다. 한편, 전압의 인가에 의해, 코어층(25)의 굴절률 변화 영역(25A)뿐만 아니라, 하부 클래드층(24)의 굴절률 변화 영역(24A)의 굴절률도 변화한다. 코어층(25)의 굴절률 변화 영역(25A)의 굴절률에 대하여 0.5%이상 작다. 코어층(25)의 굴절률 변화 영역(25A) 중의 광손실을 억제할 수 있다.
다음으로, 본 실시예의 광편향 소자(20)의 제조예에 관하여 설명한다.
먼저, (001)면을 주면으로 하는 2인치의 실리콘 단결정 기판(21)을 세정후, 9질량%의 희불산에 침지하여, 실리콘 단결정 기판의 표면의 자연 산화막(SiOx)을 제거하였다.
다음으로, 실리콘 단결정 기판 위에 CVD법에 의해 두께 100㎚의 마그네시아 스피넬막을 형성한다. 구체적으로는, 실리콘 단결정 기판을 CVD의 성막 챔버내에 배치하고, 기판 온도 900℃로 유지하였다. Mg 원료에는 MgCl2를 사용하고, Mg 소스 챔버내에서 500℃로 가열하여 증발시키고, MgCl2의 증발물을 캐리어 가스로 수소 가스를 사용하여 성막 챔버에 보냈다. Al 원료에는 금속 Al을 사용하고, Al 소스 챔버내에서 550℃로 가열하여 증발시키고, 염화 수소 가스와 수소 가스를 캐리어 가스로 하여, AlCl3로서 성막 챔버에 보냈다. 또한, 탄산 가스 및 수소 가스를 도입하고, 상기 MgC12의 증발물과 AlCl3와 혼합하여 성막 챔버에 도입하였다. 성막 챔버에 있어서 실리콘 단결정 기판을 900℃로 가열하여 성막 속도 20㎚/분으로 마그네시아 스피넬막을 형성하였다.
다음으로, 마그네시아 스피넬막 위에 스퍼터법에 의해 두께 200㎚의 백금막을 형성하였다. 구체적으로는 스퍼터 장치내를 1㎩(7.5×10-3Torr)의 압력으로 하여, 30sccm의 아르곤 가스와 1sccm의 산소 가스를 흘리면서, 기판을 600℃로 가열하여 에피택셜 성장시켰다.
다음으로, 백금막 위에 CSD법에 의해 하부 클래드층으로 되는 PLZT막을 형성하였다. 구체적으로는, 시판의 PLZT 박막 형성제(PLZT9/65/35, 농도 17질량%)를 백금막 위에 약 0.3㎤ 적하하고, 3000rpm으로 20초간 회전시켰다. 여기에서, PLZT9/65/35는 La, Zr 및 Ti의 몰 농도비가 각각 9:65:35이라는 것을 나타낸다. 이어서, PLZT를 도포후의 기판을 140℃로 예열한 핫 플레이트 위에서 5분간 가열하여, PZT 박막 형성제의 용제를 휘발시키고, 다시 350℃에서 5분 가열하여 PLZT 박막 형성제를 열분해시켰다. 이어서, 실온까지 냉각하였다.
다음으로, RTA(단시간 어닐) 처리, 예를 들면 할로겐 램프 어닐 장치에 의 해 PLZT막을 결정화시켰다. 구체적으로는, 할로겐 램프 어닐 장치에 기판을 배치하고, 산소 가스를 5L/분 흘리면서, 650℃, 10분간 가열하여, PLZT막을 결정화시켰다. 결정화후의 PLZT막의 막두께는 200㎚이었다. PLZT 박막 형성제의 도포에서 결정화까지의 처리를 총 11회 반복하고, PLZT막의 총 두께를 2.2㎛로 하였다.
다음으로, 하부 클래드층의 PLZT막 위에 CSD법에 의해 코어층으로 되는 PZT막을 형성하였다. 구체적으로는, 시판의 PZT 박막 형성제(PZT52/48, 농도 17질량%)를 PLZT막 위에 약 0.3㎤ 적하하고, 3000rpm으로 20초간 회전시켰다. 이어서, PZT를 도포후의 기판을 140℃으로 예열한 핫 플레이트 위에서 5분간 가열하여, PZT 박막 형성제의 용제를 휘발시키고, 다시 350℃에서 5분간 가열하여, PZT 박막 형성제를 열분해시켰다. 이어서, 실온까지 냉각하였다.
다음으로, 예를 들면 할로겐 램프 어닐 장치에 의해 PZT막을 결정화시켰다. 구체적으로는, 할로겐 램프 어닐 장치에 기판을 배치하여, 산소 가스를 5L/분 흘리면서, 650℃, 10분간 가열하여, PLZT막을 결정화시켰다. 결정화후의 PZT막의 막두께는 200㎚이었다. PZT 박막 형성제의 도포에서 결정화까지의 처리를 총 13회 반 복하고, 코어층의 PZT막의 총 두께를 2.6㎛로 하였다.
다음으로, 코어층(25)의 PZT막 위에 스퍼터법에 의해 두께 150㎚의 백금막의 상부 전극(26)을 형성하였다. 구체적으로는 PZT막 위에 직각 삼각형의 패턴을 배치하고, 스퍼터 장치내의 압력을 1㎩(7.5×10-3Torr), 아르곤 가스 30sccm을 흘려서 백금막을 형성하였다. 상부 전극(26)의 칫수를, 바닥변 300㎛, 높이 1000㎛의 직각 삼각형으로 하고, 바닥면을 입사측에 배치하였다.
한편, 상부 전극(26)은 에피택셜 성장시킬 필요는 없고 스퍼터법, 증착법 등에 의해 형성할 수 있으며, 재료는 Pt막에 한정되지 않고, 금속 또는 합금, 또는 도전성 산화물을 사용할 수 있다. 상부 전극(26)에 적합한 금속 또는 합금은 산화되기 어려운, 예를 들면 백금족의 원소, Ru 등이고, 또한 도전성 산화물은 예를 들면 IrO2, RuO2 등이다.
다음으로, 스퍼터 시의 PZT막의 손상을 제거하기 위하여, 어닐을 행하였다. 구체적으로는, 전기로에서 5L/분의 산소 가스를 흘리면서, 600℃에서 1시간 가열하였다. 상부 전극(26)을 형성할 때에, 상부 전극(26)을 구성하는 스퍼터 원자 등에 의해 PZT막 표면이 손상을 받고 있기 때문에, 가열 처리에 의해, 왜곡을 제거하고 잔류 응력 등을 완화시키고, PZT막 표면의 결정성을 향상할 수 있다.
다음으로, 입사측 및 출사측의 단면을 연마하여, 레이저 광을 입사·출사 가능하게 하였다. 이상에 의해, 본 실시예의 광편향 소자(20)를 형성하였다.
한편, 결정학적 관계는 에피택셜 성장된 PZT막(코어층(25))(001)//PLZT막(하 부 클래드층(24))(001)//Pt막(하부 전극(23))(001)//마그네시아 스피넬막(22)(001)//실리콘 단결정 기판(21)(001), 면내 방위는 PZT막(코어층(25))[100]//PLZT막(하부 클래드층(24))[100]//Pt막(하부 전극(23))[100]//마그네시아 스피넬막(22)[100]//실리콘 단결정 기판(21)[100]의 구조가 얻어졌다.
[제2 실시예]
본 실시예에 따른 광편향 소자는 코어층 위에 상부 클래드층을 더 형성한 이외는 제1 실시예와 동일하다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광편향 소자의 단면도이다. 도면에서, 앞서 설명한 부분에 대응하는 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 설명을 생략한다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 광편향 소자(30)는 실리콘 단결정 기판(21) 위에, 마그네시아 스피넬막(22), 하부 전극(23), 하부 클래드층(24), 코어층(25), 상부 클래드층(31), 상부 전극(26)이 순차적으로 적층된 구성으로 되어 있다. 이들 중에서, 마그네시아 스피넬막(22), 하부 전극(23), 하부 클래드층(24)의 PLZT막, 및 코어층(25)의 PZT막 및 상부 클래드층(31)의 PLZT막은 각각의 하층에 대하여 에피택셜 성장되어 있으며, 하층의 결정성을 이어받고 있다. 마그네시아 스피넬막(22)에서 코어층(25)까지, 상부 전극(26), 및 단면의 가공은 제1 실시예와 동일하게 형성하였다.
광편향 소자(30)는 제1 실시예의 광편향 소자(20)와 마찬가지로 도파로형의 편향 소자를 형성하고 있으며, 코어층(25)이, 하부 클래드층(24) 및 상부 클래드층 (31)에 끼워진 구조로 되어 있다. 제1 실시예에서는, 공기(굴절률 1.0)를 상부 클래드층으로서 기능시켰지만, 본 실시예에서는 PLZT막을 사용하였다. 그리고, 코어층의 PZT막의 굴절률을 2.45, 하부 및 상부 크래등층(24, 31)의 PLZT막의 굴절률을 2.36으로 설정한다. 즉, 코어층의 굴절률에 대하여, 하부 및 상부 클래드층의 굴절률을 작게 한다.
게다가, 하부 및 상부 클래드층(24, 31)에 흡수됨에 따른 광손실의 관점에서는, 코어층(25)의 굴절률과, 하부 및 상부 클래드층(24, 31)의 굴절률의 차는 제1 실시예에 있어서 설명한 코어층(25)과 하부 클래드층(24)의 굴절률의 관계와 동일하다.
따라서, 코어층(25)에 입사된 광은 코어층(25)과, 하부 및 상부 클래드층(24, 31)과의 계면에서 전반사를 반복하면서 코어층 내를 전파한다. 또한, 상부 전극은 제1 실시예와 마찬가지로 형성되어 있으므로, 설명을 생략한다.
코어층(25)의 PZT막 위에 하부 클래드층(24)의 PLZT막과 동일한 재료 및 공정에 의해, 상부 클래드층(31)의 PLZT막을 형성하였다. PLZT막의 총 두께를 2.2㎛로 하였다. 이상에 의해 제2 실시예의 광편향 소자(30)를 형성하였다.
한편, 결정학적 관계는 에피택셜 성장된 PLZT막(상부 클래드층(31))(001)//PZT막(코어층(25))(001)//PLZT막(하부 클래드층(24))(001)//Pt막(하부 전극(23))(001)//마그네시아 스피넬막(22)(001)//실리콘 단결정 기판(21)(001)의 구조가 얻어졌다. 또한, 면내 방위는 PLZT막(상부 클래드층(31))[100]//PZT막(코어층(25))[100]//PLZT막(하부 클래드층(24))[100]//Pt막(하부 전극(23))[100]//마 그네시아 스피넬막(22)[100]//실리콘 단결정 기판(21)[100]의 구조가 얻어졌다.
한편, 상부 클래드층(31)은 상기한 코어층(25)과 굴절률의 조건의 범위내라면, 하부 클래드층과 동일한 재료뿐만 아니라, 다른 재료, 예를 들면 산화 실리콘막 등을 사용할 수 있다.
[제3 실시예]
본 실시예에 따른 광편향 소자는 제2 실시예의 도전층의 하부 전극(23)의 백금막 대신에, 이리듐막을 형성한 이외는, 제2 실시예와 동일하다. 이하, 제2 실시예와 동일한 제조 공정의 설명을 생략한다. 한편, 부호는 제2 실시예의 광편향 소자의 단면을 도시한 도 9의 부호를 사용한다.
이리듐막은 마그네시아 스피넬막(22) 위에 스퍼터법에 의해 두께 200㎚로 형성하였다. 구체적으로는, 스퍼터 장치내를 1㎩(7.5×10-3Torr)의 압력으로 하여, 30sccm의 아르곤 가스와 1sccm의 산소 가스를 흘리면서, 기판을 600℃로 가열하여 에피택셜 성장시켰다.
본 실시예에 따르면, 이리듐막의 성장 방향이 (001), 이리듐막의 면내 방위 [100]가 다른 층의 [100]과 동일한 방향으로 되었다.
[제4 실시예]
본 실시예는 실리콘 단결정 기판과 마그네시아 스피넬막 사이에 열산화막을 형성하고, 상부 클래드층에 2개의 상부 전극 및 프리즘을 더 형성한 이외는 제2 실시예와 동일하다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 광편향 소자의 평면도이다. 또한, 도 11은 제4 실시예에 따른 광편향 소자의 단면도이다. 도면에서, 앞서 설명한 부분에 대응하는 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 설명을 생략한다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 광편향 소자(40)는 실리콘 단결정 기판(41) 위에, 열산화막(42), 마그네시아 스피넬막(22), 하부 전극(23), 하부 클래드층(24), 코어층(25), 상부 클래드층(31), 제1 및 제2 상부 전극(26A, 26B)이 순차적으로 적층되고, 상부 클래드층(31) 위에는 레이저광을 코어층에 도입하기 위한 프리즘이 더 형성된 구성으로 되어 있다. 이들 중에서, 마그네시아 스피넬막(22), 하부 전극(23), 하부 클래드층(24), 코어층(25) 및 상부 클래드층(31)은 각각의 하층에 대하여 하층의 결정성을 이어받아 에피택셜 성장되어 있다.
광편향 소자(40)는 상부 클래드층(31) 위에 설치된 프리즘(44)에 의해 레이저광이 입사되고, 상부 클래드층(31)을 통해 코어층(25)에 전파된다. 코어층(25)을 전파하는 광은 제1 및 제2 상부 전극(26A, 26B)에 의해 편향되고, 광편향 소자(40)의 출사면으로부터 코어층의 면내 방향으로 편향된 광이 출사된다.
여기에서, 제1 및 제2 상부 전극(26A, 26B)에 의해 형성되는 2개의 굴절률 변화 영역(25A, 25B)에 의해 넓은 편향각이 얻어진다.
다음으로, 본 실시예의 광편향 소자(40)의 제조예에 관하여 설명한다.
먼저, (001)면을 주면으로 하는 2인치의 실리콘 단결정 기판을 사용하여, 제1 실시예와 마찬가지로 하여, 마그네시아 스피넬막까지 형성하였다.
다음으로, 대기압하에서 산소 가스를 5L/분으로 흘리면서, 1000℃∼1100℃에 서 30분∼3시간의 열처리를 행한다. 이 열처리에 의해, 마그네시아 스피넬막의 중간층(22)을 통하여 산소가 단결정 기판(41)에 확산되고, 단결정 기판(41)의 표면에 열산화막(42)이 형성된다. 한편, 산소 가스 대신에, 수증기를 사용한 습식 어닐을 행해도 된다. 이 경우의 온도 조건 및 열처리 시간은 산소 가스를 사용하는 경우와 동일하다.
열산화막(42)에 의해 실리콘 단결정 기판과 마그네시아 스피넬막의 결합이 풀리므로, 마그네시아 스피넬막이 실리콘 단결정 기판의 구속을 받지 않고 자기 재배열할 수 있으며, 열처리에 의해 원자의 이동도 용이화되므로, 더욱 마그네시아 스피넬막의 결정성을 향상하는 것이 가능해진다. 열산화막과 마그네시아 스피넬막의 막두께의 총 합은 150㎚으로 하였다. 한편, 산소 가스 대신에 질소 가스를 사용한 경우는 열산화막은 형성되지 않고, 또한 마그네시아 스피넬의 결정성의 향상도 보여지지 않았다.
다음으로, 마그네시아 스피넬막 위에 스퍼터법에 의해 두께 200㎚의 백금막을 형성하였다. 구체적으로는 스퍼터 장치내를 1㎩(7.5×10-3Torr)의 압력으로 하여, 30sccm의 아르곤 가스와 1sccm의 산소 가스를 흘리면서, 기판을 600℃로 가열하여 에피택셜 성장시켰다.
다음으로, 하부 클래드층의 (Ba, Sr)TiO3막을 PLD법에 의해 형성하였다. 구체적으로는 (Ba0.6Sr0.4)TiO3의 타겟을 사용하고, 챔버내를 13.3㎩(100mTorr), 산소 가스를 2.8sccm 흘리면서 기판을 800℃로 가열하고, Nd:YAG 레이저(파장 355㎚)의 레이저광을 타겟에 10㎐의 나이퀴스트 주파수 200분 조사하여, 두께 3.0㎛의 (Ba0.6Sr0.4)TiO3막을 형성하였다.
다음으로, 타겟을 교환하여, 하부 클래드층(24) 위에 코어층(25)의 PZT막을 PLD법에 의해 형성하였다. 구체적으로는, PZT10/90의 타겟을 사용하고, 챔버내를 2.7㎩(20mTorr), 산소 가스를 6sccm 흘리면서 기판을 650℃로 가열하고, Nd:YAG 레이저(파장 355㎚)의 레이저광을 타겟에 10㎐의 나이퀴스트 주파수 200분 조사하여, 두께 3.0㎛의 PZT막을 형성하였다.
다음으로, 코어층(25) 위에 상부 클래드층(31)의 (Ba, Sr)TiO3막을 PLD법에 의해 형성하였다. 구체적으로는, (Ba0.6Sr0.4)TiO3의 타겟을 사용하고, 챔버내를 13.3㎩(100mTorr), 산소 가스를 2.8sccm 흘리면서 기판을 800℃로 가열하고, Nd:YAG 레이저(파장 355㎚)의 레이저광을 타겟에 10㎐의 나이퀴스트 주파수 200분 조사하여, 두께 3.0㎛의 (Ba0.6Sr0.4)TiO3막을 형성하였다.
다음으로, 상부 클래드층(31)의 (Ba0.6Sr0.4)TiO3막 위에 스퍼터법에 의해 두께 150㎚의 백금막의 상부 전극(26A, 26B)을 형성하였다. 구체적으로는, (Ba0.6Sr0.4)TiO3막 위에 직각 삼각형의 패턴을 배치하여, 스퍼터 장치내의 압력을 1㎩(7.5×10-3Torr), 아르곤 가스 30sccm을 흘려서 백금막을 형성하였다. 상부 전극(26A, 26B)의 칫수를, 바닥변 300㎛, 높이 1000㎛의 직각 삼각형으로 하였다.
다음으로, 스퍼터 시의 (Ba0.6Sr0.4)TiO3막의 손상을 제거하기 위하여, 어닐을 행하였다. 구체적으로는 전기로에서 5L/분의 산소 가스를 흘리면서, 600℃ 1시간 가열하였다.
다음으로, 출사측의 단면을 연마하여, 레이저광을 출사 가능하게 하고, 또한 상부 클래드층(31)에 프리즘을 고정 장착하였다. 이상에 의해, 본 실시예의 광편향 소자(40)를 형성하였다.
본 실시예의 광편향 소자(40)에 따르면, 실리콘 단결정 기판(41)과 마그네시아 스피넬막(22) 사이에 열산화막(42)이 형성되어 있다. 열산화막(42)에 의해 실리콘 단결정 기판(41)과 마그네시아 스피넬막(22)의 계면에 있어서의 결합이 풀리므로, 마그네시아 스피넬막(22)이 실리콘 단결정 기판의 결정면에 구속되지 않고 열처리의 과정에서 자기 재배열이 가능해진다. 따라서, 마그네시아 스피넬막(22)이 더욱 결정성이 높게 형성되므로, 마그네시아 스피넬막(22) 위에 형성되는 하부 전극(23), 하부 클래드층(24), 코어층(25), 및 상부 클래드층(31)의 결정성을 향상할 수 있다.
[제5 실시예]
본 실시예의 광편향 소자는 제4 실시예와 동일한 구성으로 하였다. 또한, 본 실시예의 광편향 소자는 코어층의 제작 조건이 상이한 이외는 제4 실시예와 동일하다.
본 실시예에 있어서, 하부 클래드층(24) 위에 코어층(25)의 PZT막을 PLD법에 의해 형성하였다. 구체적으로는, PZT10/90의 타겟을 사용하고, 챔버내를 2.7㎩(20mTorr)∼27㎩(200mTorr), 산소 가스를 6sccm 흘리면서 기판을 600℃∼700℃로 가열하고, Nd:YAG 레이저(파장 355㎚)의 레이저광을 타겟에 10㎐의 나이퀴스트 주파수 200분 조사하여, 두께 3.0㎛의 PZT막을 형성하였다.
도 12는 본 실시예에 따른 코어층(25)의 전파 손실과 결정성의 관계를 도시한 도면이다. 도 12에 있어서, 세로축은 코어층(25)의 전파 손실을 나타내고, 가로축은 코어층(25)의 PZT막의 (002)면에 대한 로킹 커브로부터 얻어진 피크의 반치폭을 나타낸다. 한편, PZT막의 (002)면의 로킹 커브는 X선 디플랙트미터를 이용하여 2θ-θ법에 의해 PZT막의 (002)면의 회절선의 각도에 맞추어, 입사면을 변화시킴으로써 얻어진다. 또한, 전파 손실은 광 탐지기(photodetector)에서 검출한 광을 광 전력계(photo powermeter)에 의해 측정하였다.
도 12를 참조하면, 본 실시예의 챔버 내부 압력 20m㎩, 기판 온도 650℃의 조건에서 형성한 PZT막은 반치폭이 0.9도, 손실이 19㏈였다. 도 12에 도시한 바와 같이, 반치폭이 작을수록, 즉 PZT막의 결정성이 양호할수록, 광의 전파 손실이 저감되는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하였지만, 본 발명은 상기 특정한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위내에서, 여러가지 변형·변경이 가능하다.
예를 들면, 제1∼제3 실시예와 제4 실시예는 조합할 수 있다. 또한, 제1∼제4 실시예에 있어서, 하부 또는 상부 클래드층에 PLZT막, 코어층에 PZT막을 사용 하였지만, 상술한 하부 또는 상부 클래드층과 코어층의 굴절률의 대소 관계가 확보되어 있기만 하면, 실시형태에서 예시한 산화물층의 재료를 사용할 수 있음은 물론이다.
또한, 실시예에서는, 편향 소자를 예로 들어 설명하였지만, 블랙 반사형 스위치, 전반사형 스위치, 방향성 결합 스위치, 마하젠더(mach-zehnder) 간섭 스위치, 위상 변조 소자, 모드 변환 소자, 파장 필터 소자 등 전기 광학 소자를 사용하는 모든 광도파로 소자에 있어서 동일하게 적용 가능하다.
이상의 상세 설명으로부터 분명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 광빔이 전파되는 제2 산화물층이 에피택셜막으로 형성되어, 결정성이 우수하여 양호하므로, 광전파 손실이 적고 광학적 특성이 우수하며, 제조 코스트가 저렴한 광편향 소자 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

Claims (19)

  1. 단결정 기판과,
    상기 단결정 기판 위에 형성된 마그네시아 스피넬막으로 이루어지는 중간층과,
    상기 중간층 위에 형성된 백금족 원소를 포함하는 도전층으로 이루어지는 하부 전극과,
    상기 하부 전극 위에 형성된 제1 산화물층과,
    상기 제1 산화물층 위에 형성된 제2 산화물층과,
    상기 제2 산화물층 위에 형성된 상부 전극을 갖는 광편향 소자로서,
    상기 중간층, 하부 전극, 제1 산화물층 및 제2 산화물층은 에피택셜막으로 이루어지고,
    상기 제2 산화물층의 굴절률이, 상기 제1 산화물층의 굴절률보다 크며,
    상기 하부 전극이 Pt 또는 Ir을 주성분으로 하고,
    상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 전압이 인가되면, 상기 제1 산화물층 및 상기 제2 산화물층 중 상기 상부 전극의 하부 영역에 전기광학 효과에 의해 굴절률이 변화되는 굴절률 변화 영역이 형성되고, 상기 제2 산화물층에 입사된 광은 상기 굴절률 변화 영역의 경계에서 편향되는 것을 특징으로 하는 광편향 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단결정 기판과 중간층 사이에 비정질층이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 광편향 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 산화물층이 전기광학 효과를 갖는 것을 특징으로 하는 광편향 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 산화물층 중의 적어도 하나가 단순 페로브스카이트 격자를 포함하는 결정 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광편향 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 산화물층이 (Sr1-xBax)TiO3(0≤x≤1), 또는 (Pb1-yLay)(Zr1-xTix)O3(0≤x, y≤1)의 일반식으로 표시되는 결정층인 것을 특징으로 하는 광편향 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단결정 기판, 중간층 및 하부 전극의 적층 방향의 결정 방위가 [001]인 것을 특징으로 하는 광편향 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 산화물층 중에서 적어도 하나가, Pb(Zr1-xTix)O3(0≤x≤1), (Pb1-yLay)(Zr1-xTix)O3(0≤x, y≤1), Pb(B’1/3B”2/3)xTiyZr1-x-yO3(0≤x, y≤1, B’는 2가의 금속, B”는 5가의 금속), Pb(B’1/2B”1/2)xTiyZr1-x-yO3(0≤x, y≤1, B’는 3가의 금속 및 B”는 5가의 금속, 또는 B’는 2가의 금속 및 B”는 6가의 금속), (Sr1-xBax)Nb2O6(0≤x≤1), (Sr1-xBax)Ta2O6(0≤x≤1), PbNb2O6, 또는 Ba2NaNb5O15인 것을 특징으로 하는 광편향 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 산화물층과 상부 전극 사이에, 상기 제2 산화물층 위에 에피택셜 성장에 의해 형성된 제3 산화물층을 더 가지며,
    상기 제2 산화물층의 굴절률이, 상기 제1 및 제3 산화물층의 굴절률보다 큰 것을 특징으로 하는 광편향 소자.
  9. 단결정 기판 위에 마그네시아 스피넬로 이루어지는 중간층을 형성하는 중간층 형성 공정과,
    상기 중간층 위에 백금족 원소로 이루어지는 도전층으로 이루어지는 하부 전극을 형성하는 하부 전극 형성 공정과,
    상기 하부 전극 위에 제1 산화물층을 형성하는 제1 산화물층 형성 공정과,
    상기 제1 산화물층 위에 제2 산화물층을 형성하는 제2 산화물층 형성 공정과,
    상기 제2 산화물층 위에 상부 전극을 형성하는 상부 전극 형성 공정을 구비한 광편향 소자의 제조 방법으로서,
    상기 중간층, 하부 전극, 제1 산화물층, 및 제2 산화물층은 에피택셜 성장에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 광편향 소자의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 중간층 형성 공정과 하부 전극 형성 공정 사이에, 산소 가스 또는 수증기를 포함하는 분위기 내에서 열처리를 행하는 공정을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광편향 소자의 제조 방법.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH06196648A (ja) * 1992-12-25 1994-07-15 Fuji Xerox Co Ltd 配向性強誘電体薄膜素子
JPH10182292A (ja) 1996-10-16 1998-07-07 Sony Corp 酸化物積層構造およびその製造方法
JP4182393B2 (ja) * 2002-04-10 2008-11-19 ソニー株式会社 固体撮像素子及びその製造方法

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