TWI359295B - An optical control device of waveguide type and ma - Google Patents
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Description
1359295 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種在光纖通信、光纖計測中用於控制光波 強度、相位、偏光狀態的導波路型光控制元件。 【先前技術】 光纖通信系統及光纖計測系統中，必須有光波強度'相位、 偏光狀態等各種處理。因此，例如開發有光強度調變器 '光開 關、光衰減器等且使該等實用化。
該等光處理技術之一爲光導波路技術。光導波路技術的優 點爲低電壓 '容易積體化 '牢固性' 可大量且低廉地製造。當 作光導波路基板材料使用者有半導體材料 '氧化物結晶材料、 玻璃等多樣。其中光導波路型強度轉換器亦大量採用氧化物結 晶材料當作基板材料，該基板材料係以強介電體鈮酸鋰或鈦酸 銷酸給鑭等爲代表的具有電光學效果的氧化物結晶材料。 、式（2 ).說明接觸或接近光導波路 此處，用以下式（1 ) 裝設的控制用電極作用。
△ 0- ( 2π/λ)，gn.L δη= ( -1/2 ) ·η3.Γ.Γ· ( v/g) ( 2) 上述式（1)中’ Δ0係藉由施加電壓產生的相位變化量、λ 係輸入波長、δ η係被感應的折射率變化、L·係電極長度。 且’式（2 )中，η係折射率、r係基板結晶的電光學常數、 「係光波-電場重疊參數' V係施加電壓、〇係電極間間隙。 (1) 式（2)得知’要儘量獲得大的相位變 化Δ0 ’必須儘量獲得大的折射率變化δη。 因此，以下各點很重要。 -5- 1359295 * . (1 )儘量縮小電極間間隙G。藉此可加強電場。 (2)增加光波-電場重疊參數Γ。爲此要儘量增加電極寬， 增加光導波模式分布的基板内較深區域的電力線，施加充分強 的電場。 一般，電極寬在被使用的光導波路面積限制內最大化地構 成的硏究費受限。因而，要硏究如何將電極間間隙G變窄。 ' 此處，整理顯示使用鈮酸鋰基板表示利用其基板材料的電 光學效果的導波路型光控制元件共通的典型構造，和做成該構 造的順序。第 6圖例示麻克-真德干涉儀（Mach-zehnder .interferometer)型光強度調變器的光電路構成及其構成要素， 當作此種導波路控制元件之一例。 藉由光微影技術在鈮酸鋰基板11上形成大約寬ΙΟμπι的金 屬Ti條紋後，以大約l〇〇〇°C處理基板使Ti原子擴散在鈮酸鋰 基板内部。其結果在大約深5μϊη、大約寬ΙΟμπι的範圍Ti原子 擴散、產生分布。該部分中，折射率以和Ti原子濃度大致成比 例地上升。該折射率上升區域形成光導波路12a、12b、13a、13b、 15。該區域中，光纖通信系統所使用的波長1.3〜1.55 μιη的光波 係當作單一模式傳送。 接著光導波路的形成，在鈮酸鋰基板的光導波路面蒸鍍 Si〇2而裝設緩衝層。緩衝層的功能係爲了讓使用在電極的金屬 * 不吸收上述光波。 然後，將金屬薄膜蒸鍍在緩衝層表面，且圖案化做成第6 圖的14a、14b所示之電極。於電極圖案化時，使用與上述光導 波路形成時同樣的微影技術。即，一樣地例如採用在蒸鍍Ti或 Cr所形成的膜上蒸鍍Au後，藉由化學蝕刻除去不要部分的蝕 -6- 1359295 刻法、或在形成圖案化的光阻後蒸鍍金屬材料，接著將光阻溶 解除去的浮離（lift-off)法。 電極的第一層使用Ti或Cr係因該等與例如鈮酸鋰結晶之 基板材料或當作緩衝層使用的Si 02密合性佳。且，第二層使用 Au係因Au的電傳導性、耐環境性佳，進而容易線接合的理由。 且如上述，緩衝層的功能係讓使用在電極的金屬不吸收在 導波路内傳送的光波，但緩衝層會因某些情形而產生問題。例 如，DC 漂移（DC drift )。
以下說明何謂DC漂移的現象。光導波路區域的電場E係以 式（3 )表示V爲外部施加電壓、g爲電極間隙。 E = V/g ( 3 ) 但是，此處g不是式（1 )所用的實際電極間間隙G，而是 導入用於直覺地理解的實效電極間隙値g。 根據式（3)，若將V保持在一定，E即保持在一定，則光 輸出保持在一定。但是，儘管將外部施加電壓V保持在.一定，E 隨著時間變化，其結果造成光輸出無法保持在一定値的現象。 這就是DC漂移。該DC漂移係緩衝層本身及緩衝層和光導波路 基板界面中的實效性電容成分和電阻成分的效果而產生者》爲 了實際使用光開關、光調變器等導波路型光控制元件，必須抑 制DC漂移。 ' 爲了消除DC漂移而排除緩衝層時，必須有些方法代替緩衝
層，以用於防止《極的光波吸收。尤其，單—模式光纖系統中， 一般偏光隨著時間而不一定，因此要求其中使用的導波路型光 控制元件，對於電場振動方向平行於基板面且電極吸收不顯著 的TE模式、電場振動方向依時間垂直且電極吸收不顯著的TM
1359295 • t 模式之雙方模式顯示同一動作，即無偏波依存性。 且，利用熱光學效果的導波路型光控制元件中， 用石英玻璃或高分子材料等透明性高、折射率的温度 度大者。然後，將Cr等金屬傳導體條紋僅設置在干涉 臂，藉由使電流流過其中而產生焦耳熱，藉由該熱僅 的折射率變化，結果兩臂間產生相位差。因該相位差 出光量變化，與電光學效果完全相同。 然後，因爲金屬傳導體與上述電極同様地吸收光 不使用緩衝層時，必須使金屬傳導體離開光導波路一 又雖然使用緩衝層時可使之更爲接近，但變得需要設 的步驟。 對於如此繁雜問題的解決對策，揭示有將可視區 導電性氧化物之ITO膜（Indium Tin Oxide In2〇3:Sn膜 制用電極的構造（參照德國專利DE3724634號公報） 公報，在光導波路上將當作電極的ITO膜成膜，且在 有保護膜層。 一般，光入射到物質時，一部分會反射，其餘的 吸收到物質内，進而其餘的一部分透射。Ιη203系的導 物材料爲η型半導體，存在有載體電子，其移動有助 導。此種導電性氧化物膜中的載體電子會反射、吸收 域的光。導電性氧化物膜中的載體電子越多，近紅外 反射、吸收量越多（参照OHM社、日本學術振興會編 導電膜的技術」P . 5 5〜5 7 )，導電性氧化物膜的衰減保 目前用於廣範圍的ITO膜係低電阻，但載體電 8><102()個/ cm3以上，在波長1.3〜1.6μιη的近紅外區 基板係使 依存性適 儀的單方 使單方臂 帶來的輸 波，所以 定距離， 置緩衝層 域爲透明 )用在控 。根據該 其上裝設 一部分被 電性氧化 於電氣傳 近紅外區 區域的光 、「透明 :數變大。 子濃度爲 域顯著地 -8- 1359295 • · 反射、吸收。將此種膜接觸或接近光導波路當作控制用電極使 用時，在光導波路内進行的波長1.3〜1.6 μιη的近紅外光顯著損 失。因而，當作使用波長1.3〜1 ·6μηι的紅外光的光導波路用的 控制用電極，必須載體電子濃度少。 另一方面，物質的電阻率Ρ (電氣導電率l/p)係依附於載 * 體電子濃度η和載體電子的移動度μ的積（1/ρ = εημ、e:電荷基 • 本量）。爲了實現載體電子濃度低且電氣導電率高的電極材料， 載體電子的移動度μ必須較大。ITO膜的載體電子移動度約爲 10〜35 cm 2/Vsec。η型半導體之氧化銦（Ιη2〇3 )系材料的載體 電子移動度主要受離子化雜質散亂或中性雜質散亂支配（關於 雜質，係將以離子狀態被包含的雜質稱爲離子化雜質，將周圍 吸附多餘的氧而以中性狀態被包含的雜質稱爲中性雜質）。 爲了增加載體電子濃度而添加的雜質元素量變多時，載體 電子散亂且載體電子移動度降低。可增加對ΙΤΟ膜導入氧以降 低ΙΤΟ膜的載體濃度，但ΙΤΟ膜的移動度因氧的導入所造成的 中性雜質增加而變得更小，電氣導電率顯著地降低。 ••【發明內容】 ΙΤΟ膜在光纖通信領域所使用的光波長區域1 .55μιη帶不能 說是充分地低吸收，例如具有長40麵控制用電極的導波路元件 的上述電極爲ITO製時，無法避免起因於該電極的損失達大約 8dB。以該損失位準而言無法說是實用，必須更低損失化。 若能減少電極的光波吸收，則不僅可減少元件的插入損 失，亦關連到驅動電壓.的降低。原因是若能減少光學吸收使損 失成爲一定時’可使電極間隔更狹窄。若使電極間隔狹窄，電 壓在同樣假設時，光導波路區域的電場變強。 -9- 1359295 » . 因而，若使電極間隔狹窄，則低電壓亦可感應一定値的折 射率變化，結果可實現低驅動電壓的元件。 本發明係著眼於如此之問題點而硏發者，其目的在於提供 一種導波路型光控制元件及其製造方法，可抑制DC漂移且達成 低電壓驅動、對任意的入射偏波低損失。 即，本發明係一種導波路型光控制元件，具有：光導波路， ' 係由具有電光學效果或熱光學效果的絕緣體材料所構成；及控 制用電極，係接觸或接近光導波路而裝設；且波長1.3〜1.6μπι %時，光導波路的傳送損失爲ldB/ cm以下； 其特徵爲：藉由其載體電子濃度爲5.5x1 02<)個/ cm3以下且 電阻率爲9.5χ10 _4Ω cm以下的導電性氧化物膜構成上述控制用 電極，且導電性氧化物膜的波長1.55 μηι的光波之衰減係數爲 0 · 2 4 0以下。 不使波長1.3〜1.6μπι的近紅外線的反射、吸收增加的（即 不使衰減係數增加）電極膜的載體電子濃度，根據發明者等的 實驗、調查，必須在5.5><102()個/〇113以下，較佳爲4.0><102()個 鲁φ / cm 3以下，若滿足此條件且滿足電阻率爲9.5χ l(T4QCm以下的 條件，對光導波路用的控制用電極即爲有用。 然後，滿足此種條件的導電性氧化物膜可用以氧化銦爲主 要成分，且以鈦/銦的原子數比爲0.003〜0_120之比例的含鈦元 ‘ 素的結晶性導電性氧化物膜構成之。 藉由將導電性氧化物膜成爲結晶性的方式，因爲比非晶質 之同一組成的氧化物膜的移動度顯著增加，.故可顯著地提高導 電性。此外，藉由灑射蒸鍍法將導電性氧化物膜成膜時，若在 將基板溫度加熱到1 40°C以上的狀態成膜，可獲得完全的結晶性 -10- 1359295 膜。或者，在未達140°C的基板温度，藉由濺射蒸鍍法將含有非 晶質相的氧化物膜成膜之後，藉由在150°C以上加熱處理，亦可 同樣地使其結晶化。長時間在大氣中進行加熱處理時，在氧化 物膜中導入多餘的氧會造成降低導電性，而在真空中（例如IPa 以下）或惰性氣體（氮或氬等）中進行時，可避免氧化物膜因 多餘的氧化而降低導電性，可穩定地獲得低電阻的結晶膜。且， • 即使在大氣中進行的加熱處理，若儘量以低温且短時間處理， 例如以1 50〜200°C進行大約1 0分鐘，則可避免導電性惡化而獲 得結晶膜。此外，上述控制用電極的導電性氧化物膜的厚度， 因爲後述理由而以100nm〜5μιη爲佳。 且’亦可在當作控制用電極的導電性氧化物膜表面形成金 屬單層膜或多層膜當作輔助電極。裝設上述輔助電極的理由如 下述。由導電性氧化物構成的控制用電極雖可謂爲低電阻，但 若比起典型的金屬，例如金、鋁、鈦的話，則爲相當高電阻。 但是，導電性氧化物所構成的電極長至大約40 mm時，電極的電 阻亦有對光導波路元件特性造成不良影響的情形。例如，在要 求有高速回應性的元件中，電極的電阻會引起時間延遲。且， 電輸入大時，電極電阻高會引起發熱。運用導電性氧化物本來 的特徵以解決此種問題的方法，即運用典型的金屬之高電氣傳 導性（低電阻性）和導電性氧化物的透明性雙方。 ' 具體而言，先以導電性氧化物形成例如20μιη間隙値、光導 波路的各兩側爲寬5 Ομιη的電極圖案後，在其上以金、鋁、鈦等 典型的金屬重疊，形成比先裝設的導電性氧化物之電極大的間 隙’例如4 0 μιη間隙値的電極圖案。且，來自基板上的電極的配 線係由後來裝設的金屬膜承接》如此一來，典型的金屬之電極 -11- 1359295 間隙値由於夠大，故不加重光損失。且，亦可克服僅由導電性 氧化物構成的電極比典型的金屬爲高電阻之弱點。 接著，製造關於本發明之導波路型光控制元件時，在由具 有電光學效果或熱光學效果的絕緣體材料所構成的光導波路上 或附近，將導電性氧化物膜成膜當作控制用電極時，可藉由使 * 用含有銦和鈦的氧化物燒結體當作原料的濺射蒸鍍法或離子鍍 - 覆（Ion plating)法成膜而獲得。 然後，藉由濺射蒸鍍法將導電性氧化物膜成膜當作控制用 電極時，以光導波路的基板和靶材之間的距離爲50〜80 mm、濺 射成膜中的成膜氣體的氧量對氬量爲0.25〜4%，且成膜氣體壓 力爲0·3〜l.OPa，將上述基板温度設定成140〜350°C成膜即 可。或者，形成當作上述控制用電極的導電性氧化物膜時，以 光導波路的基板和靶材之間的距離爲50〜80 mm、濺射成膜中的 成膜氣體中的氧量對氬量爲0.25〜4%、且成膜氣體壓力爲〇.3 〜l.OPa’使上述基板温度在未達140 °C的條件下，藉由濺射法 蒸鍍法形成氧化物膜後，將該氧化物膜以1 5 0〜3 5 0 °C加熱處理 鲁φ亦可。該加熱處理係於真空中或惰性氣體中進行之爲佳》 此外，將當作控制用電極的上述導電性氧化物膜成膜之方 法’已例示濺射蒸鍍法或離子鍵覆法，但不限定於該等成膜方 法’當然亦可採用可適用的其他成膜方法。 * 如上述關於本發明的導波路型光控制元件，其特徵係藉由 其載體電子濃度爲5.5><102()個/〇113以下且電阻率爲9.5><1〇-4〇〇11 以下的導電性氧化物膜構成光導波路的控制用電極，且上述導 電性氧化物膜的波長1·55μηι的光波之衰減係數爲0.240以下。 然後’藉由採用指定載體電子濃度等的導電性氧化物膜， -12- 1359295 # . 而省略形成緩衝層，可抑制DC漂移，且能低電壓驅動，對任意 的入射偏波可達成低損失。 且，藉由使用添加有鈦的結晶性氧化銦系導電性氧化物膜 材料（In-Ti-O，以下簡稱ITiO)當作上述導電性氧化物膜，比 先前主要採用的ITO(In-Sn-O)材料有紅外區域的光波透射性 特別優良的結果，可將電極間隙狹窄地設計，而可構成對TE及 TM模式雙方的入射偏光兼具低電壓性和低損失性的導波路型
光控制元件。 再者，利用熱光學效果的導波路型光控制元件中，亦藉由 使用添加有鈦的結晶性氧化銦系導電性氧化物膜材料（ITiO ) 當作發熱體，因爲其低光吸收性，發熱體可幾乎不受限地接近 光導波路，而可有效地使折射率變化感應，連結低電力化。 因而，根據本發明，因爲能提供可利用於紅外區域的光纖 通信之損失極小且以低電壓驅動的高性能光調變器、電光學光 開關、偏波控制元件、以及可變光衰減器，因此在産業上極爲 籲Φ有用。 【實施方式】 本發明係提供一種導波路型光控制元件及其製造方法，其 光導波路的傳送損失在波長1.3〜1.6μηι爲ldB/cm以下，控制用 電極的波長1.55μπι的光波衰減係數爲0.240以下。 此處，導波路型光控制元件的插入損失係起因於對光輸出 入的損失、起因於光導波路的損失（傳送損失X光導波、 以及起因於控制用電極的損失（過剩損失X電極長）之^ #計。 -13-
1359295 本發明中，上述導波路型光控制元件的控制用電極係使用 特定的導電性氧化物膜。具體而言，適用載體電子濃度爲 5.5χ102()個/era 3以下，電阻率爲9.5Μ〇-4Ω cm以下的導電性氧化 物膜。藉由使用此種導電性氧化物，光導波路的傳送損失在波 長1_3〜1.6μιη爲ldB/cm以下，控制用電極的波長在ι.55μιη的 ' 光波衰減係數爲0.240以下。 • 更具體而言，係使用如實施例所示以鈦/銦的原子數比爲 0.003〜0.120之比例的含鈦元素之結晶性導電性氧化物膜者。 且，藉由如上述使導電性氧化物膜爲結晶性，而比非晶質的同 一組成的氧化物可顯著地提高導電性。藉由製成結晶膜，鈦替 代氧化銦的銦位置，因此形成高移動度的膜。藉由濺射蒸鏟法 將導電性氧化物膜成膜時，以將基板温度加熱到140°C以上的狀 態成膜的方式，可獲得完全結晶性之膜。.或者，以未達1 40°C的 基板温度藉由濺射蒸鍍法形成含有非晶質相的氧化物膜後，以 150〜350 °C藉由加熱處理，亦同樣地可獲得完全結晶性的導電 性氧化物膜。該加熱處理係例如在氮或氬等惰性氣體中進行爲 佳。原因是若在容易氧化的氣體環境中將膜加熱處理，則膜中 會取入過剩的氧，中性雜質會增加且移動度降低，不易獲得導 電性優良的膜。 接著，說明本發明的光導波路及控制用電極的形成方法》 如上述，藉由光微影技術在鈮酸鋰基板上蒸鍍大約寬ΙΟμπι 的Ti金屬條紋後，以將基板暴露在1 000 °C附近的高温5〜10小 時的方式，使Ti金屬擴散在基板内部。如此則大約深度5μπι、 寬10 μιη的折射率上昇區域就形成單一模式的光導波路。 接著，藉由濺射蒸鍍法或離子鍍覆法，形成用於控制用電 -14- λ 1359295 極的含有欽的結晶性氧化銦的導電性氧化物。 β卩’溺射蒸鍍法係使用例如含有鈦的氧化銦燒結體靶材 (Target )’在濺射蒸鍍裝置內配置光導波路的基板和上述靶 材’且在含有氧氣的氬惰性氣體環境中，將基板加熱到預定溫 度’在該基板和上述靶材間施加電場使靶材和基板之間產生電 獎’而在基板上形成以鈦替代氧化銦内的一部分銦的導電性氧 * 化物膜。 另一方面’離子鍍覆法係使用例如含有鈦的氧化銦燒結體 薄片（Tablet)，在離子鍍覆裝置內將上述基板和薄片配置在銅 爐內’在含有氧氣的氬惰性氣體環境中將上述基板加熱到預定 温度’利用電子槍將薄片從銅爐蒸發，藉由在基板附近產生電 漿的方式使薄片蒸氣離子化，而在基坂上形成以鈦替代氧化銦 内的一部分銦的導電性氧化物膜。 此外，藉由改變上述靶材或薄片中的鈦含有量的方式，可 使導電性氧化物膜中的鈦含有量變化。此時，被形成的導電性 氧化物膜的構造和結晶性係依附於導電性氧化物膜中的鈦含有 鲁φ量、基板的加熱温度 '惰性氣體環境中的氧分壓、成膜速度等 成膜條件。 此種條件係因裝置而有不同，故無法具體地限定，但例如 使用市售的通常的濺射裝置成膜時，以靶材和基板之間的距離 • 爲50〜80麗、濺射成膜中的成膜氣體中的氧量對氬氣量爲〇.25 〜4%、成膜氣體壓力爲0.3〜l.OPa較佳。 成膜氣體中的氧量未達0.25%時，氧化銦相的氧缺損量變 多，因此造成的載體電子的產生變得過多，而有僅能獲得紅外 光區域的透射率低的導電性氧化物膜之情形。且，成膜氣體中 -15- 1359295
• I 的氧量超過4%時，氧化銦内的鈦雜質元素周圍被導入多餘的 氧，中性雜質增加，載體電子的移動度降低而有無法獲得低電 阻的導電性氧化物膜之情形。 且，成膜氣體壓力會影響到達濺射蒸鍍中的基板之濺射粒 子的動能。成膜氣體壓力未達0.3 Pa時，濺射粒子的動能過高而 進行由濺射粒子所造成的導電性氧化物膜之再濺射，而有只能 • 形成表面粗糙的導電性氧化物膜之情形。另一方面，超過1 .OPa 時濺射粒子的動能過低，到達基板的濺射粒子在基板上不遷 移，而有只能獲得多孔性且密度低的導電性氧化物膜之情形。 此種導電性氧化物膜的載體電子晶界散亂大、電阻率高。 結晶性的導電性氧化物膜中，鈦替代氧化銦内的一部分銦 而固溶’成爲移動度高且電阻率低者。爲了獲得結晶性的導電 性氧化物膜，不操作基板温度而在獲得非晶質的導電性氧化物 膜後’加熱處理而成爲結晶性的導電性氧化物膜亦可，但若預 先將基板温度加熱到140〜35 (TC而成膜，爲了獲得結晶性的導 電性氧化物膜’以將基板温度加熱到140〜350。(：並濺射蒸鍍爲 鲁φ佳。基板温度爲未達140 °C時，產生完全的非晶質膜或混合有非 晶質和結晶質的膜’而無法獲得完全的結晶質導電性氧化物 膜。且’超過350 °C的加熱中，相關之溫度設定費時，實用上不 可行。 此外’即使如上述將以未達14(TC的基板温度，藉由濺射蒸 鍍法所獲得的含有非晶質相的氧化物膜成膜時，藉由將該膜以 15 0°C以上的温度加熱處理的方式，同樣地可使其結晶化。在大 氣中長時間進行加熱處理時，會有氧化物膜中被導入多餘的氧 而造成導電性降低的情形，但在真空中（例如丨Pa以下）或惰 -16- 1359295 • » 性氣體（氮或氬等）中進行時，可避免氧化物膜之多餘的氧化 造成導電性降低，可穩定獲得低電阻的結晶膜。且，即使在大 氣中進行的加熱處理，若以150°C以上的温度、儘量低温且短時 間，例如只要爲以1 5 0〜2 0 0 °C大約在1 〇分鐘以内，則可一面避 免導電性惡化，一面獲得特性良好的結晶性導電性氧化物膜。 且，上述導電性氧化物膜的膜厚爲lOOnm〜5μιη，因200nm 〜Ιμιη的導電性及電極圖案形成容易而較佳。
將被形成的導電性氧化膜藉由反應性離子蝕刻，除去一部 分膜而形成電極圖案》蝕刻劑可使用ΙΤΟ通常使用的以HBr爲 主要成分的蝕刻氣體。 且，以未達1 40 °C的基板温度藉由濺射蒸鍍法將含有非晶質 相的氧化物膜成膜後，加熱處理以獲得結晶性導電性氧化物膜 的方法中，以在進行加熱處理步驟前，藉由使用阻劑材料的浮 離法而形成圖案的方式，可在加熱處理後形成電極圖案》 以此種方法所形成的本發明的導波路型光控制元件，具有 良好的電光學特性’適合利用於在光纖通信、光纖計測中之當 鲁φ作用以控制光波強度、相位、偏光狀態的元件。 接著’參照圖式詳細說明本發明的導波路型光控制元件的 —例。 第1圖係表示本發明的導波路型光控制元件的一例之立體 圖。第1圖中’符號1係鈮酸鋰單結晶基板、符號2a及2b係 通道型直線光導波路、符號3a及3a係各自表示構成麻克-真德 干涉儀的通道型光導波路（臂）》且，符號4a及4b係以氧化 銦爲主要成分且含有鈦的結晶性的導電性氧化物膜。該導電性 氧化物膜係當作控制用電極使用》 -17- 1359295 使雷射光從該導波路型光控制元件的通道型直線光導波路 2a的入射側入射。此處若在控制用電極4a和4b之間施加電壓， 光導波路區域的折射率會因電光學效果而變化，在麻克-真德干 涉儀的兩臂3a、3b傳送的光之間產生相位差，且在光合波的Y 分歧光導波路5互相地干渉的結果，在通道型直線光導波路2b 傳送的光強度變化。即，藉由控制施加在控制用電極4a和4b 之間的電壓的方式，可控制從通道型直線光導波路2b傳出的光 之強度。利用該作用可實現導波路型光強度調變器或可變光衰
減器。 此處，控制用電極4a及4b係以氧化銦爲主要成分且含有 鈦元素的結晶性導電性氧化物膜，因此不易產生電極的光的吸 收，可使控制用電極充分接近光導波路，而可降低施加的電壓， 即驅動電壓。 例如，關於第1圖所示的導波路型光控制元件的控制用電 極，在將以氧化銦爲主要成分且鈦/銦的原子數比爲0.05比例的 含鈦元素的結晶性導電性氧化物膜，藉由濺射蒸鍍法形成的情 形，電極間隙値爲20μιη以上時不依照間隙値，ΤΕ、TM各模式 中的電極損失（過剩損失）爲0 . 1 dB/cm以下。間隙値未達20μηι 時’間隙値減少且電極之上述損失緩緩地増加，1 0 μπι時爲0.2 d Β/ cm ° 基板上迴繞的配線通常亦與電極形成在同一步驟形成。配 線變複雑時’且要將不同機能的導波路型光控制元件形成在同 一基板上時，一般無法避免該電氣性回繞配線和光導波路交 叉。即使附加在光導波路正上方時，亦不過是增加ldB/cm而已， 因此大約寬50μιη的迴繞配線橫切光導波路時僅略微產生損失。 -18- 1359295 且’控制用電極4a及4b在形成以氧化銦爲主要成分且含 有鈦元素的結晶性導電性氧化物膜後，亦可藉由在其表面輔助 地形成金屬膜（例如Ti和Au的積層膜）的方式（即ITi〇/Ti /Au的構造），使電極不易產生光吸收，可使控制用電極充分 地接近光導波路，因此可減少施加的電壓，即驅動電壓。 例如，關於第1圖所示的導波路型光控制元件的控制用電 • 極，在將以氧化銦爲主要成分且鈦/銦的原子數比爲0.05比例之 含鈦元素的結晶性導電性氧化物膜，藉由濺射蒸鍍法形成大約 3 OOnm後，在該導電性氧化物膜表面以真空蒸鍍法順序形成 , 1 l〇nm的Ti膜和60nm的Au膜的情形，電極間隙値爲20μιη以 上時不依照間隙値，ΤΕ、ΤΜ各模式中的電極損失（過剩損失） 爲O.ldB/cm以下。間隙値未達20μιη時，間隙値減少且電極之上 述損失緩緩地増加，ΙΟμιη時爲0.2dB/cm。即使附加在光導波路 正上方時，也不過是增加ldB /cm而已，在橫切光導波路的電極 配線僅產生略微損失。 且，第1圖所示的導波路型光控制元件中的電極損失（過 剩損失）亦依附於構成控制用電極的導電性氧化物膜的膜厚， 表示導電性氧化物膜的膜厚越大則過剩損失變小的傾向。例 如，電極間間隙値爲1 〇 μιη時，導電性氧化物膜的膜厚爲1 5 0 nm 以上且過剩損失爲〇.2dB/cin以下的低損失，即使附加在光導波 路的正上方時，也不過是200nm以上而ldB/cm以下的增加而 已，在橫切光導波路的電極配線僅產生略微損失。 ‘ 以下，根據實施例具體地說明本發明，但本發明的技術内 容並非限定於該等實施例者。 〔實施例1〜9〕 -19- 1359295 含有結晶性鈦的氧化銦膜（ITiO膜）的形成 在厚1.1麵的康寧（Corning) 7059玻璃基板上藉由濺射蒸. 鍍法，使用以氧化銦爲主要成分，鈦濃度各自相異的ITiO靶材， 形成鈦/銦原子數比爲0.003〜0.120比例之含有鈦且膜厚20 Onm 的結晶性導電性氧化物膜》 濺射成膜係使用直徑6英吋的靶材，投入直流電力160 W， ' 使用混合有1%氧的的氬氣，濺射蒸鍍時的氣體壓力0.6Pa，靶 材和基板間距離爲60隨，基板温度爲2 0 (TC而進行》藉由使用 鈦濃度相異的靶材之方式，以第1表「膜組成Ti/In原子數比」 欄所示的比例形成含有鈦的氧化銦薄膜。 然後，利用四探針法檢測的表面電阻測量値和膜厚，算出 所獲得的氧化銦薄膜的電阻率値。且，氧化銦薄膜的載體濃度 和移動度係使用霍耳效應（Hall effect)測量裝置（東陽技術社 製）從方第包法[例如，參照東京大學出版會、庄野克房著、物 理工學實驗2、半導體技術（上）p _ 1 〇 5的記載]的霍耳效應測量 及上述電阻率測量而求出。且，以分光橢圓偏光法（偏光解析 胃φ法）測量氧化銦薄膜的光學常數[折射率（η )、衰減係數（k )]。 將該等結果顯示在第1表。 從第1表得知，在Ti/In原子數比=0.003〜0.120的範圍含 有鈦的氧化銦膜，不僅電阻率低至1.9χ10_4〜7.1xl(T4Qcm，光 通信經常使用的波長1.3〜1.6μηι中的光波衰減係數、波長 1·55μιη中的光波衰減係數，比後述之先前的ΙΤΟ膜極爲小。 -20- 1359295 第1表 膜組成 載體電子濃 載體電子 膜電阻率 衰減係數k Ti/In 度 移動度 (Ω cm ) 1.3 1.55 1·6 原子數比 (個/cm3) (cm2/Vsec) μτη μπι μηι 實施例1 0.003 2.4xl〇20 58 4.5xl0'4 0.023 0.041 0.043 實施例2 0.008 2.5^1020 84 3.〇xl〇·4 0.028 0.052 0.055 實施例3 0.017 2.9M020 90 2.4χ10'4 0.032 0.060 0.068 實施例4 0.024 4.〇xl〇20 75 2.1Χ10'4 0.038 0.067 0.075 實施例5 0.033 3.9xl020 77 2.1χ10_4 0.042 0.071 0.082 實施例6 0.055 3.9xl020 85 1.9xl〇·4 0.048 0.087 0.097 實施例7 0.088 5.5χ1020 60 1.9X10'4 0.095 0.240 0.260 實施例8 0.100 3.〇χ1〇20 51 4.1xl〇" 0.039 0.062 0.071 實施例9 0.120 2.〇χ1020 44 7.1x10-4 0.022 0.035 0.039
[實施例1 0〜1 5 ] 使用實施例3適用的靶材，僅使濺射蒸鍍中的氧量増減 (0.25%〜4% )以外，與實施例3同様地形成含有鈦的氧化銦 鲁鲁薄膜。 然後，以同樣的條件測量上述載體電子濃度、載體電子移 動度、膜電阻率 '波長155Hm 、1.6μηι中的膜衰減係 數。將結果顯示在第2表。 ‘ -21- 1359295 第2表 氧量 載體電子濃度 載體電子 膜電阻率 衰減係數k (%) (個 /cm3) 移動度 (Ω cm ) 1.3 1.55 1.6 (on2/Vsec) μπι μηι μπι 實施例10 0.25 5.1><1020 44 2.8X10'4 0.099 0.210 0.245 實施例11 0.5 3.2xl020 50 3.9xl〇·4 0.048 0.062 0.078 實施例I2 1.5 3.1χ1020 73 2.8χ10'4 0.030 0.059 0.066 實施例13 2 2.5xl020 61 4.1Χ10'4 0.029 0.058 0.065 實施例Η 3 1.9xl020 51 6.5Χ10'4 0.026 0.055 0.061 實施例15 4 1.5xl020 44 9.5xl0'4 0.024 0.053 0.058
該等係由同一靶材（實施例3所使用的靶材）所形成者， 以ICP(感應式耦合電漿,）發光分光測量，測量組成分析後，Ti/in 原子數比爲0.015〜0.019。 [實施例1 6〜1 8 ] 使用實施例8所使用的靶材，僅使濺射蒸鑛中的氧量増加 (2%〜4%)以外’與實施例8同様地形成含有鈦的氧化銦薄 ·_膜。 以同様的條件測量上述載體電子濃度、載體電子移動度、 膜電阻率、波長1 ·3μη1、1 ·55μΐΏ 、1 ·6μηι中的膜衰減係數。將 • 結果顯示在第3表。 -22- 1359295 第3表 氧量 載體電子濃度 載體電子 膜電阻率 衰減係數k (%) (個 /cm3) 移動度 (Ω cm ) 1.3 1.55 1.6 (cm2/Vsec ) μπτ μπι μπι 實施例16 2 2.4χί020 48 5.5χ10'4 0.035 0.055 0.061 實施例17 3 1.9M020 46 7.2xl0'4 0.033 0.052 0.060 實施例18 4 1.6xl020 44 9.〇xl〇'4 0.030 0.051 0.058 「評價j (1)第1表、第2表及第3表所示的含有鈦的氧化銦薄膜， 胃係載體電子濃度低至5.5χ102()個/cm3以下。該情形爲近紅外區域 的衰減係數變小的要因。另一方面，儘管爲低載體濃度，電阻 率爲9.5χ10·4Ωατι 以下，根據膜而具有1·9χ1(Γ4Ωαη〜2·1χ10·4Ω cm (實施例6〜7、實施例4〜5 )非常低的電氣電阻率。此係因 第1表〜第3表所有的膜中，載體電子移動度爲44 cm 2/V sec以 上，根據膜而高至70 cm 2/Vsec以上，可說是藉此實現高電氣導 電性。
(2)第1表、第2表及第3表所示的含有鈦的氧化銦薄膜 全部是結晶性佳的膜，可從X線繞射測量得知。再者，得知是 結晶性佳的氧化銦之紅色綠寶石（Bixbite )型構造之膜，且未 觀察到起因於氧化銦相以外的結晶相之峰値（Peak )，因此得 知鈦係替代氧化銦相的銦且固溶。 (3)以濺射蒸鍍法將第1表、第2表及第3表所示的含有 鈦的氧化銦薄膜形成在室温〜1 3 8 °C的基板上時，在X線繞射測 量得知可獲得非晶質構造的膜或混合有結晶質和非晶質的膜。 此種膜係載體電子的移動度爲30 cm 2/Vsecc以下、電氣電阻率 -23- 1359295 爲2χ1(Γ3Ωιη以上，亦得知係導電性不充分的膜。但是，若 等非晶質膜或混合有結晶質和非晶質的膜，在真空中（1 X 1 〜IPa)、或氮或氬等惰性氣體中以150〜350 °C加熱處理， 成與第1表、第2表及第3表所示的結晶性佳的膜相同程 載體電子的移動度和電氣電阻率，亦得知可使用於本發明 的。且，若將上述非晶質膜或混合有結晶質和非晶質的膜 • 150〜200 °C進行10分鐘大氣加熱’則變成與第1表、第2 第3表所示的結晶性佳的膜相同程度的載體電子的移動度 氣電阻率，亦知可使用於本發明的目的。 (4 )綜上所述’各實施例之結晶性佳的導電性氧化物辟 化銦膜）的Ti/In原子數比爲0.003〜0.120之比例，載體電 度爲5 . 5 X 1 02 Q個/ cm 3以下’根據製作條件爲2 · 0 X 1 02 Q個/ era 3 (實施例14〜15、實施例17〜18)。其結果，波長1.3〜1 中的光波衰減係數爲小至0.240以下。尤其，對光通信中用 範圍的波長1·55μιη的光波之衰減係數爲0.240以下，進而 膜組成和膜製作條件，亦顯示0.0 8以下之極小値。且，載 ^|子移動度爲高至44〜90cm2/Vsec，因此顯示高電氣導電性 種紅外光反射、吸收小的高導電性氧化物電極材料係先前 有者。 [實施例19] 形成將I τ i 0膜應用在控制用電極的導波路型光控制元 (光導波路的形成） 爲了製作第2圖所示的導波路型光控制元件，在以& 主面的鈮酸鋰單結晶基板21上，藉由光微影技術以直線狀 多數條平行於c軸、寬8μπι、長7〇咖的Ti條紋。藉由將其 -24- 將該 0 4Pa 則變 度的 的目 ，以 表及 和電 1(氧 子濃 以下 .6μιη 於廣 根據 體電 。此 所未 件。 軸爲 蒸鍍 暴露 1359295 在大氣中1 050t、9小時，以形成光導波路22 »已確認該導波 路對入射光波長1·55μιη爲單一模式動作。 (電極材料的成膜） 在該導波路型光控制元件表面將Ti/In原子數比=0.008 (與 實施例2同一條件）組成的含有鈦的氧化銦薄膜，與實施例2 * 同様地僅形成300nm的膜厚。 • (電極的圖案化） 將藉由濺射蒸鍍法成膜在上述基板21的氧化銦薄膜 > 利用 與形成光導波路同様的光微影技術，圖案化成電極形狀，藉由 將HBr當作主要蝕刻氣體使用的反應性乾蝕刻，在光導波路的 正上方形成寬爲1〇(^111、長度分布於〇〜6〇111111的膜厚30〇11111的 電極23 (参照第2圖）。 (電極之損失測量） 在所獲得的導波路型光控制元件，利用光纖將波長1 . 5 5 μπι 的雷射光以ΤΜ模式從通道光導波路端面導入。在光導波路内傳 送後，測量從光導波路端面射出的光強度。
第3圖係測量對各電極長之插入損失的結果。 根據第3圖所示的圖表之斜率，計算電極的光導波路的過 剩損失之結果爲〇.64dB/cm。另一方面，同様地測量當作通常電 極使用的鋁金屬的光導波路的過剩損失之結果爲69.6dB /cm。 因而，確認實施例之導電性氧化物膜（氧化銦膜）所構成 的控制用電極，比鋁電極的損失小極多。 [實施例20] 將Ti/In原子數比= 0.017(與實施例3同一條件）組成的含 有鈦的氧化銦薄膜，除了與實施例3同様地僅形成3 00ηιη的膜 -25- 1359295 厚以外’以和實施例19同様的方法，製作用在iTi0膜控制用 電極之與實施例19同一構造的導波路型光控制元件。 然後，計算IT iO膜電極的光導波路的過剩損失之結果爲 0.74dB/cm。相同構造的電極卻比在材質係使用鋁金屬製作時的 的過剩損失（69.6dB/cm )顯著地小很多。 ' [實施例21〜27] • 除了將Ti/In原子數比=〇.〇〇3 (與實施例1同一條件）組成 的含有鈦的氧化銦薄膜（實施例2 1 )、Ti/In原子數比=0.024(與 實施例4同一條件）組成的含有鈦的氧化銦薄膜（實施例22 )、 Ti/In原子數比=0.033 (與實施例5同一條件）組成的含有鈦的 氧化銦薄膜（實施例23 )、Ti/In原子數比=0.05 5 (與實施例6 同一條件）組成的含有鈦的氧化銦薄膜（實施例24 )、Ti/In原 子數比=0.08 8 (與實施例7同一條件）組成的含有鈦的氧化銦薄 膜（實施例25 )、Ti/In原子數比=〇.1〇〇 (與實施例8同一條件） 組成的含有鈦的氧化銦薄膜（實施例26 )、以及Ti/In原子數 比=0.120 (與實施例9同一條件）組成的含有鈦的氧化銦薄膜 (實施例27 )，各自僅形成3 00nm的膜厚以外，以和實施例19 同樣的方法，製作與將ITiO膜用在控制用電極之實施例1 9同 —構造的各實施例（實施例21〜27)的導波路型光控制元件。 然後，計算ITiO膜電極的光導波路的過剩損失之結果，均 * 顯示與實施例19同様地低損失（1.0 dB/cm以下）。 [實施例2 8〜3 6 ] 除了藉由與實施例1 〇同一方法，將含有鈦的氧化銦薄膜（實 施例28)、藉由與實施例11同一方法將含有鈦的氧化銦薄膜（實 施例29)、藉由與實施例12同一方法將含有鈦的氧化銦薄膜（實 -26- 1359295 施例30 )、藉由與實施例13同一方法將含有鈦的氧化銦薄膜（實 施例31)、藉由與實施例14同一方法將含有鈦的氧化銦薄膜（實 施例32 )、藉由與實施例15同一方法將含有鈦的氧化銦薄膜（實 施例33)、藉由與實施例16同一方法將含有鈦的氧化銦薄膜（實 施例34)、藉由與實施例17同一方法含有鈦的氧化銦薄膜（實 ' 施例35 )、藉由與實施例18同一方法將含有鈦的氧化銦薄膜（實 • 施例36)，各自僅形成300nm的膜厚以外，以和實施例19同 樣的方法，製作用在ITiO膜控制用電極之與實施例19同一構 造的各實施例（實施例2 8〜3 6 )的導波路型光控制元件。 然後，計算ITiO膜電極的光導波路的過剩損失之結果，均 顯示與實施例19同樣地低損失（1.0 dB/cm以下）》 [實施例37〜42] . 除了將Ti/In原子數比=0.017組成的含有鈦的氧化銦薄膜 厚度當作l〇〇nm(實施例37) 、200nm(實施例38) 、500nm (實施例39)、1000nm(實施例40)、2500nm(實施例41)、 5 OOOnm (實施例42 )以外，以和實施例19同樣的方法，製作 與將ITiO膜用在控制用電極之實施例19同一構造的各實施例 (實施例3 7〜42 )的導波路型光控制元件。 然後，計算ITiO膜電極的光導波路的過剩損失之結果，各 自爲 〇.72dB/cm(實施例 37)、0.70dB/cm(實施例 38)、0.69dB/ . cm (實施例 39) ' 0_70dB/cin (實施例 40) 、0.70dB/cm (實施 例41 ) 、0.7 0dB/cm (實施例42)，均顯示與實施例19同樣地 低損失（1 .0dB cm以下）。 [實施例43] 藉由與實施例19同樣的方法形成第2圖所示的光導波路 -27- 1359295 後，藉由濺射蒸鍍法形成Ti/In原子數比=0.017 (與實施例3同 一條件）組成的含有鈦的氧化銦薄膜（膜厚3 00 nm )。 接著，如第4圖所示，在上述光導波路31的兩側部藉由反 應性離子蝕刻形成附有電極間間隙3 3的電極3 2 »此外，電極 32的長度在任何間隙均爲60 mm。 接著，與實施例19同樣，在所獲得的導波路型光控制元件 • 利用光纖將波長1.55 μιη的雷射光，以TM模式從通道光導波路 端面導入。在光導波路内傳送後，測量從光導波路端面射出的 \光強度。 然後’在顯示電極間間隙（μιη )和損失（dB )的關係的第 5圖圖表中，確認當電極間間隙爲2 0 μ m以上時，如塗黑圓圈所 示，該實施例的導電性氧化物膜電極的損失爲大約0dB(0.1dB 以下），且即使電極間間隙窄至1 0μιη時，亦止於略微增加1 dB » 因而，藉由應用上述導電性氧化物膜電極的方式，可使電 極間間隙變窄，而可顯著地減少控制用電壓。 [實施例44]
形成將ITiO膜用在控制用電極且將 電極的導波路型光控制元件。
Ti膜和Au膜用在輔助 除了將Ti/In原子數比=0·0 1 7 (與實施例3同一條件）組成 的含有欽的氧化銦薄膜（膜厚300nm)當作控制電極（但是， 電極間間隙ΙΟμπι )，將Ti膜（膜厚1 l〇nm )和Au膜（膜厚60nm ) 的積層體當作輔助電極（但是，電極間間隙20μιη )(即使用 ITiO/Ti/Au構造的電極）以外’以和實施例19同様的方法，製 作將ITiO膜用在控制用電極之與實施例19同一構造的導波路 型光控制元件。 -28- 1359295 • . 然後，計算ITiO膜的控制用電極和Ti膜與Au膜的輔助電 極的過剩損失之結果爲〇.78dB/cm。 與將通常使用作爲電極的鋁金屬當作控制用電極、使用輔 助電極時之光導波路的過剩損失（2.1 dB/cm )相比較，係顯著地 小 〇 [實施例45〜50]
除了將Ti/In原子數比=0.017組成的含有鈦的氧化銦薄膜 的厚度當作l〇〇nm(實施例45) 、200nm(實施例46) 、250nm (實施例47) 、400nm(實施例48) 、500nm(實施例49)、 1 00Onm (實施例50 )以外，以和實施例44同様的方法，製作 與將ITiO膜用在控制用電極之實施例44同一構造的各實施例 (實施例45〜50 )的導波路型光控制元件。 然後，計算ITiO膜的控制用電極和Ti膜與Au膜的輔助電 極之光導波路的過剩損失之結果，各自爲16.5 2dB/cra (實施例 45)、0.95£13/(^(實施例46)、0.82(18/〇11(實施例47)、0_71<18/。111 (實施例48) 、0.69dB/cm(實施例49)及0.69dB/cm (實施例 50)，與將通常使用作爲電極的鋁金屬當作控制用電極、使用 輔助電極時的光導波路的過剰損失（2.ldB/cm)相比較，除了實 施例45以外顯著地小。尤其，導電性氧化物膜的膜厚爲200nm 以上時，顯示1.0dB/cm以下的低損失。 ' [實施例5 1〜57] 除了將Ti/In原子數比=0.003 (與實施例1同一條件）組成 的含有鈦的氧化銦薄膜（實施例51)、Ti/In原子數比=〇_〇24(與 實施例4同一條件）組成的含有鈦的氧化銦薄膜（實施例5 2 )、 Ti/I η原子數比= 0.033 (與實施例5同一條件）組成含有鈦的氧 .29- 1359295 • % 化銦薄膜（實施例53 ) 、Ti/In原子數比=0.055 (與實施例6同 一條件）組成含有鈦的氧化銦薄膜（實施例54)、Ti/In原子數 比=〇· 08 8 (與實施例7同一條件）組成的含有鈦的氧化銦薄膜 (實施例55 ) 、Ti/In原子數比=〇.1〇〇 (與實施例8同一條件） 組成的含有鈦的氧化銦薄膜（實施例56 )、及Ti/In原子數比 = 0·120(與實施例9同一條件）組成的含有鈦的氧化銦薄膜（實 ' 施例57 )’各自僅形成300nm的膜厚以外，以和實施例44同 樣的方法’製作與使用ITiO膜的控制用電極和金屬輔助電極（即 使用ITi〇/Ti/Au構造的電極）之實施例44同一構造的各實施例 (實施例51〜57)的導波路型光控制元件。 然後，計算ITiO膜的控制用電極和Ti膜與Au膜的輔助電 極之光導波路的過剩損失的結果，均顯示與實施例44同様地低 損失（l.OdB/cni以下）。 [比較例1〜4 ](先前的IΤ Ο膜例） 藉由濺射蒸鍍法在厚1.1圆的康寧7059玻璃基板上，用以 g 下順序形成先前利用在光通信用的液晶胞之含有錫而不含鈦且 φ膜厚20〇nm的氧化銦（ITO )膜，測量電氣特性和光學特性。 濺射成膜係使用直徑6英吋的泛用的含有1〇質量％sn〇2 . 的1n2〇3燒結體粑材’投入直流電力160W，使用混合有1〜8% 氧的氬氣’濺射蒸鑛時的氣體壓力爲〇.6Pa、靶材和基板間的距 離爲60隱、以基板温度200。(：進行。 利用四探針法的表面電阻的測量値和膜厚算出所獲得的膜 之電阻率値。膜的載體濃度和移動度係使用·霍耳效應測量裝置 (東陽技術社製）’以和實施例1同樣的條件測量。且，藉由 分光橢圓偏光法（偏光解析法）以和實施例1同樣的方法測量 -30- 1359295 膜的光學常數[折射率（η)、衰減係數（k)]。 ITO膜的電阻率可藉由増加濺射蒸鍍中的氧量而增加。氧化 銦系的導電性氧化物膜係藉由增加濺射中的氧量減少膜中的氧 缺損量，而可減少載體濃度。 上述條件中，僅増加濺射蒸鍍中的氧量，製作比較例1〜4 的ITO薄膜。以和實施例同樣的條件測量該等膜的載體電子濃 度、載體電子移動度、膜電阻率、波長1.3μιη、1.55μπι、1.6μηι 中的膜衰減係數。將結果顯示在第4表。 第4表 氧量 (%) 載體電子濃度 (個/cm3) 載體電子 移動度 (cm2/Vsec ) 膜電阻率 (Ω cm ) 衰減係數k 1,3 μπτ 1.55 μιη 1.6 μπι 比較例1 1 1.5X1021 32.3 1.3X10'4 1.032 1.765 1.890 比較例2 3 9.2xl020 12.7 5.4χ10·4 0.913 0.955 1.102 比較例3 6 6.3χ1020 8.3 1.2χ1〇·3 0.112 0.310 0.342 比較例4 8 5.7χ1020 3.4 3.2χ1〇·3 0.102 0.256 0.295
可藉由第4表確認以下情形。 (1 )以氧量1 %、3 %製作的比較例1〜2的ΙΤΟ膜的電阻 率低’但波長1 ·3 μιη〜1.6μιη中的膜衰減係數比第1表〜第3表 所記載的實施例的ITiO膜顯著地高。 另—方面，藉由將濺射蒸鍍中的氧量増加爲6%、8% (比 較例3〜4 ) ，υμπϊκ丨·6μιη中的膜衰減係數減少，但膜電阻率 増加’比第1表〜第3表所記載的實施例的ITiO膜高。此種導 電性差的材料無法用於當作光導波路的控制用電極。 -31- 1359295 • . (2) ITO膜經由X線繞射測量，全部結晶性佳。利用霍耳 效應測量，測量膜的載體電子濃度和載體電子移動度。以1%氧 製作的比較例1之ΙΤΟ膜’係電阻率低至1.3 MO·4 Ω cm，載體電 子濃度高至1.5x10”個/cm3,因此載體電子的紅外光吸收和反射 所造成的影響大，衰減係數高。 ' 將此種膜用在導波路型光控制元件的控制用電極時，通過 * 導波路内的近紅外光吸收大，使元件的插入損失大。爲了避免 該情形，必須加寬電極間隔，且不得不施加用於使折射率變化 感應的高驅動電壓，而無法實現低驅動電壓的元件。 (3) 若增加濺射蒸鍍中的氧，可降低載體電子濃度。第4 表的8%氧量中形成的比較例4的IT Ο膜的載體濃度爲低至 5.7 X 1 02°個/era 3，近紅外區域的衰減係數亦降低，但電阻率顯著 地増加。 其係因除了低電阻的ITO的載體電子移動度低以外，進而 在膜中取入過剩的氧時，中性雜質之散亂増加，移動度更降低 之故。此種導電性差的材料無法用於當作光導波路的控制用電
[比較例5 ] 藉由濺射蒸鍍法在厚1.1匪的康寧7059玻璃基板上，與實 施例1同樣的用以下順序形成先前利用在光通信用的液晶胞的 金屬T i膜，測量電氣特性和光學特性。 灘射成膜係使用直徑6英吋的金屬Ti靶材，投入直流電力 160W’使用純氬氣’氣體壓力爲〇6Pa，靶材和基板間的距離 爲6 0 nun、基板温度爲室温而進行。 手IJ E9探針法的表面電阻測量値和膜厚算出所獲得的膜之 -32- 1359295 • » 電阻率値。膜的載體濃度和移動度係利用霍耳效應測量裝置（東 陽技術社製），以和實施例1同樣的條件測量。且，藉由分光 橢圓偏光法（偏光解析法），以和實施例1同樣的方法測量膜 的光學常數[折射率（η)、衰減係數（k)]。
Ti膜的電阻率低至50μΩ cm，但衰減係數在波長1.3μιη〜 1 ·55μιη爲4.2〜4.7，比第1表所記載的實施例1的ITiO膜顯著 地高。 [比較例6、7 ]
除了將比較例2和比較例3的ITO膜（膜厚3 00nm )當作 控制用電極膜使用以外，以和實施例1 9同様的方法，製作與將 I TO膜用在控制用電極之實施例1 9同一構造的比較例6和比較 例7的導波路型光控制元件。 然後，計算ITO膜電極的光導波路的過剩損失之結果，共 爲8.3dB/cm，比將ITiO膜用在電極之實施例19的導波路型光 控制元件，損失顯著地高。 [比較例8 ] 以和實施例1 9同様的方法形成光導波路後，在其上附加與 鋁同樣經常被使用的具有鈦和金的雙層構造的金屬電極當作電 極材料，進行與實施例43同樣的實驗之結果，在顯示電極間間 隙（μ m )和損失（d B )的關係的第5圖圖表中，電極間間隙爲 20μπι以上時，如白圓圈所不電極損失爲3_5dB，且將電極間間 隙當作32μιη時，電極損失變成大約OdB(〇.ldB以下）。 因而，爲了擴大電極間間隙，不免要上昇控制用的電壓。 [比較例9〜1 0 ] 除了 Ti/In原子數比=〇.〇〇2組成的含有鈦的氧化銦薄膜（比 -33- 1359295 « 較例9)，和Ti/In原子數比= 0.140組成的含有駄的氧化趣薄膜 (比較例1〇)以外’作成和實施例1同樣地含有鈦的氧化銦膜， 利用四探針法的表面電阻測量値和膜厚，算出所獲得的比較例9 和10的膜的電阻率値。 且，比較例9和10的膜的載體濃度和移動度，係利用霍耳 效應測量裝置（東陽技術社製），利用方第包法[参照上述東京 大學出版會、庄野克房著、物理工學實驗2'半導體技術（上） P-105的記載]的霍耳效應測量及上述電阻率測量而求出。且， 以分光橢圓偏光法（偏光解析法）測量氧化銦薄膜的光學常數 [折射率（η)、衰減係數（k)]。將該等結果顯示在第5表。 第5表 膜組成 載體電子濃度 載體電子 膜電阻率 衰減係數k Ti/In (個 /cm3) 移動度 (Ω cm ) 1.3 1.55 1.6 原子數比 (cm2/Vsec) μηι μπι μηι 比較例9 0.002 2.〇xl020 32 9.8χ1〇·4 0.022 0.038 0.041 比較例10 0.140 1.9xl020 30 l.lxlO'3 0.029 0.038 0.042
第5表中的比較例9和比較例10的膜，具有本發明特徴之 導電性氧化物膜的組成範圍（Ti/In原子數比爲0.003〜0.120) 以外的組成。比較例9和比較例1 0的膜已從X線繞射測量確認 係結晶性佳的膜，但電阻率爲9.8 χΙΟ·4 Ω cm，不符合本發明的要 件（電阻率爲9.5 X 1 0·4Ω cm以下），比實施例1〜1 8的膜高。該 傾向明顯達到超出Ti/In原子數比爲0.003〜0.120的範圍，顯示 比電阻増加的傾向。 其主要原因係比較例9和比較例1 0的膜移動度，比實施例 -34- 1359295 1〜18的導電性氧化物膜低。因該情形，爲了獲得有用於當作近 紅外線控制用電極的具有高移動度且低電阻的電氣特性的導電 性氧化物膜時，不僅要在Ιη203包含Ti’且Ti含有量在Ti/In 原子數比必須存在0.003〜0· 1 20的比例。 [比較例11〜12] 使用實施例3所用的靶材，除了僅增減濺射蒸鍍中的氧量 (0.1%〜5%)以外，與實施例3同樣地形成含有鈦的氧化銦薄 膜。
然後，以同様的條件測量載體電子濃度、載體電子移動度、 膜電阻率、波長1.3μιη、1.55μιη、1.6μιη中的膜衰減係數。將結 果顯示在第6表。 第6表 氧量 載體電子濃度 載體電子 膜電阻率 衰減係數k (%) (個/cm3) 移動度 (Ω cm ) 1.3 1.55 1.6 (cm2/Vsec) μπι μηι μηι 比較例1】 0.1 6.〇xl〇20 15 7.〇xl0·4 0.128 0.285 0.322 比較例12 5 1.4xl020 11 1.1X10'3 0.022 0.050 0.054 該等係從同一靶材製作成者，藉由ICP (感應式耦合電漿） 發光分光測量，測量組成分析後，Ti/In原子數比爲〇 〇15〜 0.019 。 但是，比較例1 1因爲膜導入過剩的氧缺陷，載體電子濃度 變成6.0x1 02°個/cm3，不符合本發明的要件（載體電子濃度爲 5·5χ102°個/cm 3以下），比實施例1〜18的膜高，且近紅外區域 -35- 1359295 • 一·· 的衰減係數高。此種膜若用在近紅外光的控制用電極則損失很 大，因此無法製造高性能的導波路型光控制元件。 且，比較例12的膜係其電阻率爲1.1 X 1 〇_3ω cm，不符合本 發明的要件（電阻率爲9.5 X 1 0·4Ω cm以下），比實施例1〜1 8的 膜高。其係因膜中取入過剩的氧，中性雜質生成多，移動度降 低之故。此種導電性差的膜無法利用爲導波路型光控制元件的 控制用電極。 產業之可利用性
根據本發明’可提供一種抑制DC漂移且以低電壓驅動、針 對任意的入射偏波爲低損失的導波路型光控制元件。 因而，適合應用於可利用在紅外區域的光纖通信之損失極 小且低電壓驅動的高性能光調變器或電光學光開關、偏波控制 元件、以及可變光衰減器。 【圖式簡單說明】 第1圖係表示本發明的導波路型光控制元件的一例之立體 圖。 第2圖係表示減除實施例19的導波路型光控制元件的電極 長度的電極形狀之俯視圖。 第3圖係表示實施例19的電極長度及其損失之關係之圖 表0 第4圖係表示減除實施例4 3的電極間間隙的電極形狀之俯 視圖。 第5圖係表示實施例43的電極間間隙及其損失之間的關係 之圖表。 第6圖係先前例的導波路型光控制元件的一例之立體圖。 -36- 1359295 1 一 【主要元件符號說明】 1 ' 21 2a ' 2b 3a、3 b 4a、4 b 5 • 12a 、 12b ' 13a 、 13b 、 15 14a 、 14b 、 23 、 32 22、3 1 33 鈮酸鋰單結晶基板 通道型直線光導波路 通道型光導波路（臂） 導電性氧化物膜 Y分歧光導波路 光導波路 電極 光導波路 電極間間隙 -37-
Claims (1)
1359295 第94121835號「導波路型光控制元件及其製造方法」專利申請案 (2008年5月9日修正） 十、申請專利範圍： 1. 一種導波路型光控制元件的製造方法，其特徵爲導波路型光控 制元件具有：光導波路’係由具有電光學效果或熱光學效果的 絕緣體材料所構成；及控制用電極，係接觸或接近光導波路而 裝設；且波長1.3〜1.6 μιη時’上述光導波路的傳送損失爲ldB/ era以下；
導波路型光控制元件之製造方法係藉由其載體電子濃度 爲5_5><102()個/〇113以下、且電阻率爲9.5\10-4〇〇11以下的導電 性氧化物膜而構成上述控制用電極，且藉由上述導電性氧化物 膜的波長1·55μιη的光波之衰減係數爲〇_24〇以下，以氧化銦 爲主要成分且以鈦/銦的原子數比爲〇_〇〇3〜0.120之比例的含 鈦元素之結晶性導電性氧化物膜而構成上述導電性氧化物膜； 在由具有電光學效果或熱光學效果的絕緣體材料所構成 的光導波路之上或附近’藉由使用含有銦和鈦的氧化物燒結體 當作原料的濺射蒸鍍法，將作爲控制用電極之導電性氧化物膜 成膜時’在將上述光導波路的基板和靶材之間的距離設爲5〇 〜8〇晒、濺射成膜中的成膜氣體中的氧量相對於氬氣量而言 設爲0.25〜4%、成膜氣體壓力設爲0.3〜l.OPa，且上述基板 温度設爲未達140 °C時的條件下，藉由濺射蒸鍍法形成氧化物 膜後，將該氧化物膜以1 5 0〜3 5 0。(：加熱處理。 2_如申請專利範圍第1項之導波路型光控制元件的製造方法，其 中上述氧化物膜的加熱處理係於真空中或惰性氣體中進行。
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