專利名稱：光偏轉(zhuǎn)元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于光通信的光偏轉(zhuǎn)元件及其制造方法，特別是涉及一種利用光電效應(yīng)使光波導(dǎo)中的光束偏轉(zhuǎn)的光偏轉(zhuǎn)元件及其制造方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著與信息通信相關(guān)的數(shù)據(jù)量的增加，以光為媒體的通信技術(shù)的重要性逐漸增加。特別是，光纖網(wǎng)開始圍繞每個家庭，預(yù)測終端用戶將急劇增加。為了使用光纖網(wǎng)將數(shù)據(jù)有效地傳輸?shù)蕉鄠€終端用戶，就需要傳輸損失少、切換的頻道數(shù)量多的高性能光控開關(guān)。
在目前所提出的光控開關(guān)中，提出了MEMS(微機電系統(tǒng)；Micro ElectronicMechanical System)方式、磁泡(bubble)方式、薄膜波導(dǎo)方式等。其中薄膜波導(dǎo)方式是在基板上設(shè)置覆蓋層-核心層-覆蓋層的多層結(jié)構(gòu)，而將光傳輸?shù)胶诵膶拥姆绞健Ｔ谶@些層中，特別是在核心層中，如果使用施加電場時折射率變化的材料，即所謂具有光電效應(yīng)的材料，則僅通過施加電場就能夠使光偏轉(zhuǎn)。使用這種原理的薄膜波導(dǎo)方式的光控開關(guān)與MEMS方式或磁泡方式比較，由于沒有微小的機械驅(qū)動部或復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此期待可以降低制造成本。
眾所周知大很多物質(zhì)具有光電效應(yīng)，但因施加電場而顯著改變折射率的材料，目前僅限定于一部分氧化物。光電效應(yīng)是因構(gòu)成物質(zhì)的原子的特定排列、即結(jié)晶而引起的，在非晶質(zhì)(無定形)狀態(tài)下，就不會發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，或者顯著降低光電效應(yīng)。通常，利用氧化物的情況下，將其在存在氧的情況下加熱到數(shù)百℃并進行結(jié)晶化，由此能夠獲得光電效應(yīng)。若考慮安裝這些薄膜材料的話，為了獲得高的光透過率·光電效應(yīng)、單一模式的工作，理想的是組分均勻、無缺陷氧化物單晶膜。
但是，多數(shù)情況下獲得單晶膜非常困難，通常僅能獲得多晶膜。由于在多晶膜中存在晶粒邊界等缺陷，因此比單晶膜光透射率低。通常，具有如下傾向，即晶體越大且越取向于特定的面方向，則光透過率越變大。因此，為了獲得低損失的光控開關(guān)，優(yōu)選的是不僅取向于基板垂直方向、且取向于基板面內(nèi)的膜，即所謂外延膜(三軸取向膜)。
過去，為了獲得具有高的光透過率、低損失的氧化物的外延膜，使用氧化鎂(MgO)、鈦酸鍶(SrTiO3)等氧化物單晶基板。由于這些基板不具有導(dǎo)電性，所以，首先在這些基板上外延生長構(gòu)成下部電極的金屬膜、例如鉑膜之后，以延續(xù)此結(jié)晶性的形態(tài)使其外延生長，由此獲得優(yōu)質(zhì)的氧化物結(jié)晶膜。
但是，通常使用的氧化物單晶基板為2英寸左右，難于大型化。另外，在價格方面，相對于數(shù)千日圓的6英寸硅單晶基板，而2英寸的MgO基板卻價格高達(dá)十幾萬日圓，所以實用中有困難。因此，作為生長氧化物層的外延膜的基板，正在進行采用硅單晶基板的研究。
首先，為了在硅單晶基板上生長外延膜，就需要利用硅單晶基板的表面的取向。但是，當(dāng)硅單晶基板的表面在高溫下暴露在氧氣氛中時，就會被氧化，而形成硅氧化膜(SiOx)。由于硅氧化膜是非晶態(tài)且不具有取向，所以在氧化硅膜上不能生長外延膜。此外，在外延膜的生長中，生長的膜和硅單晶基板之間的反應(yīng)或擴散要少，這也很重要。迄今為止，作為在硅單晶基板上可外延生長的材料，公開了釔穩(wěn)定化氧化鋯(YSZ)、氧化鈰(CeO2)等稀土類元素的氧化物、氧化鎂(MgO)、鎂氧尖晶石(MgAl2O4)、鈦酸鍶(SrTiO3)等。將這些材料的結(jié)晶層作為中間層，進行了在中間層上形成具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物的外延膜的試驗。
眾所周知，在這些中間層之中，在硅基板(001)面上將(001)面作為主表面，外延生長鎂氧尖晶石膜，并且，外延生長具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)晶體的(001)面(例如，參照日本專利特開昭55-61035號公報、Matsubara et al，J.Appl.Phys.，66(1989)5826)。
然而，為了將在硅單晶基板上形成鎂氧尖晶石膜、具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的晶體的疊層體用于光偏轉(zhuǎn)元件等中，就需要在具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的晶體的上下位置設(shè)置施加電場的電極。即，必須在鎂氧尖晶石膜和鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物層的外延膜之間設(shè)置導(dǎo)電層。
但是，在這樣的導(dǎo)電層的結(jié)晶性低的情況下，就會存在導(dǎo)致導(dǎo)電層上形成的鈣鈦礦氧化物層的結(jié)晶性降低，光傳播損失增加或光電效應(yīng)降低的問題。
專利文獻1 日本專利特開昭55-61035號公報非專利文獻1 Matsubara et al，J.Appl.Phys.，66(1989)5826

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明概括的課題在于提供一種可解決上述課題的新穎且實用的光偏轉(zhuǎn)元件及其制造方法。
本發(fā)明的更具體的課題在于提供一種光傳播損失低且光學(xué)特性優(yōu)良的低制造成本的光偏轉(zhuǎn)元件及其制造方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個觀點，提供一種光偏轉(zhuǎn)元件，其具有單晶基板；在上述單晶基板上形成的由鎂氧尖晶石膜形成的中間層；在上述中間層上形成的由含有鉑族元素的導(dǎo)電層形成的下部電極；在上述下部電極上形成的第一氧化物層；在上述第一氧化物層上形成的第二氧化物層；在上述第二氧化物層上形成的上部電極，其特征在于上述中間層、下部電極、第一氧化物層及第二氧化物層由外延膜形成；上述第二氧化物層的折射率大于上述第一氧化物層的折射率。
根據(jù)本發(fā)明，在上述單晶基板上形成的中間層、下部電極、第一氧化物層及第二氧化物層由延續(xù)單晶基板的結(jié)晶性的外延膜來形成。因此，由于構(gòu)成光波導(dǎo)的第二氧化物層是外延膜，所以結(jié)晶性優(yōu)越良好。其結(jié)果，光學(xué)特性優(yōu)越良好，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)光傳播損失的減少。
在此，外延膜是指與形成外延膜的基板或構(gòu)成基底層的晶體具有某個方位關(guān)系而形成的膜。因此，外延膜不僅具有生長方向的結(jié)晶取向性，而且還具有面內(nèi)方位的結(jié)晶取向性。
上述單晶基板為硅單晶基板。與在現(xiàn)有光偏轉(zhuǎn)元件中使用的MgO等氧化物單晶基板比較，由于硅單晶基板可獲得大型基板且價格便宜，所以能夠大幅度地減少光偏轉(zhuǎn)元件的制造成本。
也可以在上述單晶基板和中間層之間進一步形成非晶質(zhì)層。通過外延生長形成單晶基板上的中間層。因此，單晶基板表面和在其上生長的中間層即鎂氧尖晶石膜形成異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)，這些界面緊固地結(jié)合。其結(jié)果，即使通過熱處理等想要再排列構(gòu)成鎂氧尖晶石膜的原子，但受到單晶基板的結(jié)晶面的原子排列的約束，而導(dǎo)致再排列被限制。在單晶基板上形成有鎂氧尖晶石膜的狀態(tài)下，通過在這些界面上設(shè)置非晶質(zhì)層而打破了上述約束，就能夠使鎂氧尖晶石膜自身進行再排列。因此，提高了鎂氧尖晶石膜的結(jié)晶性，在其上形成的下部電極、第一氧化物層及第二氧化物層就延續(xù)了良好的結(jié)晶性并提高了各層的結(jié)晶性。
上述第二氧化物層具有光電效應(yīng)。通過在上述下部電極和上部電極之間施加電壓，就能夠在第二氧化物層中形成折射率變化區(qū)域，使傳播的光束的行進方向偏轉(zhuǎn)到第二氧化物層的面內(nèi)方向。
上述第一及第二氧化物層中的至少一層具有包含單鈣鈦礦晶格的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。具有單鈣鈦礦晶格的氧化物層具有光電效應(yīng)，例如，波克爾斯(Pockels)效應(yīng)或克爾(Kerr)效應(yīng)等大。因此，由于折射率的變化大，所以能夠增加偏轉(zhuǎn)角。
上述單晶基板、中間層及下部電極的層疊方向的結(jié)晶方位也可以為
。并且，上述第一及第二氧化物層的層疊方向的結(jié)晶方位也可以為
。對于由下部電極和上部電極的電場的施加方向，設(shè)為平行于第一及第二氧化物層的結(jié)晶方位中自發(fā)極化成為最大的方向即極化軸方向
。如具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物這樣的氧八面體型強電介質(zhì)體的一次光電常數(shù)是用介電常數(shù)、自發(fā)極化的大小及二次光電常數(shù)的乘積來表示。由于具有正方晶的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物的極化軸方向是
，所以通過使由下部電極和上部電極的電場的施加方向和極化軸方向一致，使其光電效應(yīng)成為最大，就能夠擴大折射率的可變范圍。其結(jié)果就能夠增加偏轉(zhuǎn)角。
也可以構(gòu)成為，在上述第二氧化物層和上部電極之間還具有通過外延生長而形成在上述第二氧化物層上的第三氧化物層，上述第二氧化物層的折射率大于上述第一及第三氧化物層的折射率。將第三氧化物層作為覆蓋層，構(gòu)成由第一氧化物層和第三氧化物層夾持第二氧化物層的光波導(dǎo)型偏轉(zhuǎn)元件。由于第三氧化物層也通過外延生長形成在第二氧化物層上，所以結(jié)晶性優(yōu)良，因此，能夠抑制因來自第二氧化物層的光束的泄漏而造成的損失。
根據(jù)本發(fā)明的另一個觀點，提供一種光偏轉(zhuǎn)元件的制造方法，其包括中間層形成工序，在上述單晶基板上形成由鎂氧尖晶石形成的中間層；下部電極形成工序，在上述中間層上形成由鉑族元素構(gòu)成的導(dǎo)電層形成的下部電極；第一氧化物層形成工序，在上述下部電極上形成第一氧化物層；
第二氧化物層形成工序，在上述第一氧化物層上形成第二氧化物層；上部電極形成工序，在上述第二氧化物層上形成上部電極，其特征在于，上述中間層、下部電極、第一氧化物層及第二氧化物層通過外延生長形成。
根據(jù)本發(fā)明，在單晶基板上形成的中間層、下部電極、第一氧化物層及第二氧化物層由延續(xù)了單晶基板的結(jié)晶性的外延膜形成。因此，由于成為光波導(dǎo)的第二氧化物層是外延膜，所以結(jié)晶性優(yōu)越良好。其結(jié)果，光學(xué)特性優(yōu)越良好，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)光傳播損失的減少。
也可以在上述中間層形成工序和下部電極形成工序之間，還包括在含有氧氣或水蒸氣的氣氛中進行熱處理的工序。通過熱處理在單晶基板和中間層的界面形成熱氧化膜。因此，由于使形成異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)的單晶基板和中間層的結(jié)合分開，所以通過熱處理中間層即鎂氧尖晶石膜就可以自己再排列。因此，鎂氧尖晶石膜的結(jié)晶性就變得更好，在其上形成的下部電極、第一氧化物層及第二氧化物層由于延續(xù)了良好的結(jié)晶性，所以提高了各層的結(jié)晶性。


圖1是構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的光偏轉(zhuǎn)元件的基本的疊層結(jié)構(gòu)體的截面圖。
圖2是表示疊層結(jié)構(gòu)體的制造工序的流程圖。
圖3是表示疊層結(jié)構(gòu)體中的硅單晶基板/鎂氧尖晶石/鉑膜的薄膜疊層體的X射線衍射圖形的圖。
圖4A是表示對鉑膜的(202)面的由φ掃描產(chǎn)生的X射線衍射圖形的圖。
圖4B是表示對鎂氧尖晶石膜的(404)面的由φ掃描產(chǎn)生的X射線衍射圖形的圖。
圖4C是表示對硅單晶基板的(202)面的由φ掃描產(chǎn)生的X射線衍射圖形的圖。
圖5A是表示薄膜疊層體的對鉑膜的(002)面的搖擺曲線的圖。
圖5B是表示對不根據(jù)本發(fā)明的MgO單晶基板上外延生長的鉑膜的(002)面的搖擺曲線的圖。
圖6是表示對疊層結(jié)構(gòu)體的PLZT膜的(222)面的由φ掃描產(chǎn)生的X射線衍射圖形的圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的光偏轉(zhuǎn)元件的平面圖。
圖8是根據(jù)第一實施例的光偏轉(zhuǎn)元件的截面圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的光偏轉(zhuǎn)元件的截面圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明第四實施例的光偏轉(zhuǎn)元件的平面圖。
圖11是根據(jù)第四實施例的光偏轉(zhuǎn)元件的截面圖。
圖12是表示根據(jù)本發(fā)明第五實施例的核心層的傳播損失和結(jié)晶性的關(guān)系的圖。
具體實施例方式
下面，根據(jù)附圖來說明本發(fā)明的實施方式。
(與根據(jù)本發(fā)明的光偏轉(zhuǎn)元件相關(guān)的疊層結(jié)構(gòu)體)圖1是構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的光偏轉(zhuǎn)元件的基本的疊層結(jié)構(gòu)體的截面圖。
參照圖1，在單晶基板11上依次層疊中間層12、導(dǎo)電層13及氧化層14而構(gòu)成疊層結(jié)構(gòu)體10。本申請發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，在這樣的疊層結(jié)構(gòu)體10中，通過單晶基板11使用例如硅單晶基板或GaAs單晶基板、中間層12使用鎂氧尖晶石膜、以及導(dǎo)電層13使用鉑族元素等，就能夠在硅單晶基板或GaAs單晶基板廉價且直徑大的單晶基板上，隔著鎂氧尖晶石膜，形成具有良好結(jié)晶性的外延層的導(dǎo)電層。確認(rèn)了導(dǎo)電層的結(jié)晶性的程度與在MgO單晶基板上直接外延生長的導(dǎo)電層相同程度，優(yōu)良且結(jié)晶性良好。根據(jù)本發(fā)明的疊層結(jié)構(gòu)體，在使用廉價且可獲得大直徑的單晶基板的這一方面，對于現(xiàn)有的疊層結(jié)構(gòu)體特別有用。
并且，本申請發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，疊層結(jié)構(gòu)體的導(dǎo)電層上形成的氧化物層延續(xù)了導(dǎo)電層的結(jié)晶性，能夠形成(001)面成為生長面的外延層。本發(fā)明是將這樣的疊層結(jié)構(gòu)體適用于光偏轉(zhuǎn)元件中的。首先，說明疊層結(jié)構(gòu)體10。
疊層結(jié)構(gòu)體10的單晶基板11，例如可使用硅或GaAs的單晶基板。單晶基板11的厚度為大約500μm，主平面為(001)面。通過將主平面設(shè)為(001)面，使在單晶基板11上外延生長的各層的面方位一致，最終能夠?qū)⒀趸飳?4的面方位設(shè)為(001)面。而且，也可以使用主平面為(001)面且在0°到4°的范圍內(nèi)稍微傾斜的單晶基板11。單晶基板11表面的細(xì)小凹凸會導(dǎo)致在中間層12中產(chǎn)生晶粒邊界，但通過使用稍微傾斜的單晶基板11，使中間層12的膜面內(nèi)的生長方向一致，就能夠抑制晶粒邊界的發(fā)生。
中間層12由在上述單晶基板11通過CVD法等外延生長的厚度100nm的鎂氧尖晶石(MgAl2O4)構(gòu)成。具體地，中問層12的厚度為80nm～600nm。作為中間層12的鎂氧尖晶石膜，例如在硅單晶基板的(001)面上，生長(001)面。在單晶基板11的(001)面上形成鎂氧尖晶石膜的(001)面，單晶基板11的[100]方向和鎂氧尖晶石膜的[100]方向一致。
導(dǎo)電層13由在上述中間層12上通過RF濺射法等外延生長的200nm厚度的鉑族元素或合金構(gòu)成。例如，鉑族元素為Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt。其中，特別是Ir或Pt在能夠獲得優(yōu)良結(jié)晶取向性這點上是非常適合的。
此外，導(dǎo)電層13是在鎂氧尖晶石的(001)面上生長鉑族元素或合金的(001)面的導(dǎo)電層。過去，雖然已經(jīng)報道了在硅單晶基板上形成外延的鎂氧尖晶石膜、進而形成PZT膜等的例子，但沒有報道在硅單晶基板上依次層疊鎂氧尖晶石膜及鉑族元素或合金的外延膜的例子。根據(jù)本實施方式的由單晶基板11/鎂氧尖晶石的中間層12/鉑族元素或合金膜的導(dǎo)電層13構(gòu)成的薄膜疊層體16，能夠在此薄膜疊層體16上外延生長具有后述的單鈣鈦礦晶格的結(jié)晶氧化物層14，由于鉑族元素或合金膜的導(dǎo)電層13具有導(dǎo)電性、且其電阻率為11μΩ·cm左右的低電阻，所以就能夠作為電極(例如第一實施例的下部電極23)來使用。特別是，使用高頻對氧化物層14施加電場的情況下，由于導(dǎo)電層的結(jié)晶性優(yōu)良，所以就具有可抑制晶粒邊界等引起的阻抗增加的優(yōu)點。
氧化物層14由在上述導(dǎo)電層13上外延生長的具有單鈣鈦礦晶格的晶體構(gòu)成。具有單鈣鈦礦晶格的晶體，例如可列舉出鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、鉍層狀結(jié)構(gòu)、鎢青銅結(jié)構(gòu)等。具有這些結(jié)晶結(jié)構(gòu)的晶體是強電介質(zhì)體，具有光電效應(yīng)。
并且，在氧化物層14中，具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。例如，可以使用由Pb(Zr1-xTix)O3(0≤x≤1)通式所表示的PZT。此外，還可以使用由Pb(B’1/3B”2/3)O3(B’二價金屬、B”五價金屬)、或Pb(B’1/2B”1/2)O3(B’三價金屬、B”五價金屬)、Pb(B’1/2B”1/2)O3(B’二價金屬、B”六價金屬)通式所表示的晶體，還有在PZT中添加附加元素且由(Pb1-yLay)(Zr1-xTix)O3(0≤x、y≤1)通式所表示的PLZT，由Pb(B’1/3B”2/3)xTiyZr1-x-yO3(0≤x、y≤1、B’二價金屬、B”五價金屬)、Pb(B’1/2B”1/2)xTiyZr1-x-yO3(0≤x、y≤1、B’三價金屬、B”五價金屬)、Pb(B’1/2B”1/2)xTiyZr1-x-yO3(0≤x、y≤1、B’二價金屬、B”六價金屬)、或(Sr1-xBax)TiO3(0≤x≤1)通式所表示的晶體。
由上述Pb(B’1/3B”2/3)O3(B’二價金屬、B”五價金屬)通式所表示的晶體中進一步優(yōu)選的是，例如可列舉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、PbMn1/3Ta2/3O3。其中特別優(yōu)選的是，可列舉出PbNi1/3Nb2/3O3、PbCo1/3Nb2/3O3、PbMg1/3Nb2/3O3、PbZn1/3Nb2/3O3。
此外，由上述Pb(B’1/2B”1/2)O3(B’三價金屬、B”五價金屬)通式所表示的晶體中特別優(yōu)選的是，例如可列舉PbFe1/2Nb1/2O3、PbSc1/2Nb1/2O3、PbSc1/2Ta1/2O3。
并且，由上述Pb(B’1/2B”1/2)O3(B’二價金屬、B”六價金屬)通式所表示的晶體中優(yōu)選的是，例如可列舉PbMg1/2W1/2O3。而且，例如也可以為0.65PbMg1/3Nb2/3O3-0.35PbTiO3或0.5PbNi1/3Nb2/3O3-0.35PbTiO3-0.15PbZrO3等的多組分類晶體。
此外，具有鉍層狀結(jié)構(gòu)的晶體中代表性的，例如可列舉出SrBi2Ta2O9(SBT)、Br4Ti3O12、(Bi4-xRx)Ti3O12(R是Y、Sc及稀土類元素、1≤x≤3)、(SrxBa1-x)Bi4Ti4O15、PbBi4Ti4O15等，并且還可在這些晶體中添加1～2mol％的V(釩)或W(鎢)。具有鎢青銅結(jié)構(gòu)的晶體中代表性的，例如可列舉出Ba2NaNb3O15、Ba1-xSrxNb2O6等。
氧化物層14，可以使用CVD法、CSD(化學(xué)溶液淀積；Chemical SolutionDeposition)法、溶膠·凝膠法、PLD(脈沖激光淀積；Pulse Laser Deposition)法、MOCVD(有機金屬CVD)法等來形成，但只要是可適用于大面積基板的方法就沒有限定，但CSD法在能夠容易地在比較大面積的基板上形成這一點上，是優(yōu)選的。
而且，也可在導(dǎo)電層13和氧化物層14之間，形成具有顯示半導(dǎo)電性或?qū)щ娦缘拟}鈦礦晶格的結(jié)晶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)電性氧化物層或?qū)щ娦匝趸飳?。例如，具體地，作為半導(dǎo)電性氧化物，優(yōu)選的是摻雜Nb或La的SrTiO3。例如，摻雜量設(shè)為1原子％。此外，作為導(dǎo)電性氧化物，可列舉出SrRuO3、CaRuO3、LaRuO3、LaxSr1-xCoO3(0≤x≤1)、LaxSr1-xMnO3(0≤x≤1)。由于因光電效應(yīng)而引起折射率變化，對氧化物層14施加電場，并使此電場導(dǎo)通、截止或使方向反轉(zhuǎn)等重復(fù)氧化物層14的極化反轉(zhuǎn)時，就存在因?qū)щ妼?3和氧化物層14界面的氧缺失等晶格缺陷而引起氧化物層14自發(fā)極化的劣化的同時，引起光電效應(yīng)劣化。通過在導(dǎo)電層13及氧化物層14之間形成半導(dǎo)電性或電導(dǎo)電性氧化物層來抑制自發(fā)極化的劣化，就能夠抑制因光電效應(yīng)引起的折射率的可變范圍的狹小化。而且，在后述的光偏轉(zhuǎn)元件中，雖然在氧化物層14上形成上部電極，但在氧化物層和上部電極的界面中也相同地，也可形成具有顯示半導(dǎo)電性或?qū)щ娦缘拟}鈦礦晶格的結(jié)晶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)電性氧化物層或?qū)щ娦匝趸飳印?br> 接著，說明疊層結(jié)構(gòu)體的制造方法。圖2是表示疊層結(jié)構(gòu)體的制造工序的流程圖。
參照圖2，首先，清洗單晶基板11后，利用稀釋氫氟酸(DHF；dilutedhydrofluoric acid)去除單晶基板11的自然氧化膜。去除自然氧化膜，并露出單晶基板11的結(jié)晶面(S102)。
接著，利用CVD法、MBE法等，在去除自然氧化膜的單晶基板11上外延生長鎂氧尖晶石的中間層12(S104)。CVD法也可以在大面積、例如直徑300mm左右的單晶基板11上形成均勻的薄膜，在這一點上是優(yōu)選的。在使用CVD法的情況下，在各個源室內(nèi)加熱鎂氧尖晶石的組成元素并使其蒸發(fā)，通過載體氣體送入到成膜室內(nèi)，將單晶基板11加熱到750℃～1050℃，設(shè)定成膜速度為5nm/分～30nm/分，形成80nm～600nm的厚度。
接著，在鎂氧尖晶石的中間層12上外延生長導(dǎo)電層13(S106)。具體地，將基板加熱并保持在400℃或其以上，優(yōu)選為500℃或其以上的溫度，并在氬氣氣氛中通過RF濺射法，堆積20～2000nm厚度的鉑族金屬(S106)。此時，通過在氬氣氣氛中加入少量的氧，例如對30sccm的氬氣中加入1sccm～3sccm的氧氣，就能夠進一步形成結(jié)晶性良好的導(dǎo)電層13。這是因為，抑制中間層12表面的鎂氧尖晶石的氧原子在成膜中脫離，保持鎂氧尖晶石膜表面的結(jié)晶性，在導(dǎo)電層13中反映出良好的結(jié)晶性。
接著，在導(dǎo)電層13上例如通過CSD法形成氧化物層14(S108)。具體地，在導(dǎo)電層13上旋涂調(diào)制了Pb、Zr、Ti等的濃度的PZT薄膜形成劑，使溶劑揮發(fā)干燥。按照要求，重復(fù)旋涂幾次，以獲得所希望的厚度。
接著，使氧化物層14結(jié)晶化，進行用于外延生長的加熱處理(S110)。具體地，利用可進行RTA(短時間退火)的鹵素?zé)敉嘶鹧b置、爐等，在氧氣氛中，設(shè)定為500℃～800℃、5分～15分來進行。
而且，也可利用PLD法來形成氧化物層13(S108A)。具體地，將真空室內(nèi)的壓力設(shè)為26.6Pa(200mTorr)，安裝形成有由PZT等形成的靶和導(dǎo)電層13的基板，對靶照射激光，使靶材料霧化，經(jīng)過噴流在導(dǎo)電層13上進行堆積。根據(jù)激光的輸出、重疊頻率等來調(diào)節(jié)堆積的厚度。而且，對大面積的基板成膜的情況下，通過將靶或基板進行噴流相對移動，就能夠形成厚度更均勻的氧化物層。如上所述，就形成了圖1所示的疊層結(jié)構(gòu)體10。
圖3中是表示疊層結(jié)構(gòu)體中、由硅單晶基板11/鎂氧尖晶石膜12/鉑膜13構(gòu)成的薄膜疊層體16的X射線衍射圖形的圖。在上述的本實施方式中，薄膜疊層體16是在單晶基板11使用硅、中間層12使用鎂氧尖晶石膜、導(dǎo)電層13使用鉑膜的疊層體。
圖3是使用X射線衍射儀來測定薄膜疊層體16的以θ夾角入射到薄膜疊層體16的膜面、在2θ方向的衍射角所顯示的強度的結(jié)果(2θ-θ法)。
參照圖3，示出了單晶硅基板11的(004)面、鎂氧尖晶石膜的(004)面、及鉑膜的(002)面的衍射線。若著眼于鉑膜的衍射線可看出，在2θ＝46°處示出了(002)面的衍射線，而例如在(111)面(2θ＝39°)及(001)面(2θ＝65°)沒有示出。從這些情況可知，鉑膜以(001)面為主表面，層疊方向完全取向于
方向。而且，鎂氧尖晶石膜僅示出(004)面的衍射線。因此可知，在硅單晶基板的(001)面上鎂氧尖晶石膜以及在其上的鉑膜單軸取向。
圖4A～圖4C示出了對于圖3的薄膜疊層體16的各層膜、由僅旋轉(zhuǎn)試料的φ掃描的X射線衍射圖形的圖。圖4A是對鉑膜的(202)面、圖4B是對鎂氧尖晶石膜的(404)面、圖4C是對硅單晶基板的(202)面進行φ掃描的圖。參照圖4A～圖4C可知，鉑膜、鎂氧尖晶石膜、硅單晶基板11在相同角度中具有4個對稱軸。即可知，在硅的單晶基板11上，按立方體上立方體(cube-on-cube)的方式外延生長薄膜疊層體16。
圖5A是示出了對薄膜疊層體16的鉑膜的(002)面的搖擺曲線的圖。另一方面，圖5B示出了在不根據(jù)本發(fā)明的MgO單晶基板上外延生長的鉑膜的(002)面的搖擺曲線的圖。參照圖5A，本實施方式的鉑膜的(002)面的衍射線的峰值的半幅值為0.39°。由于圖5B所示的不根據(jù)本發(fā)明的鉑膜的(002)面的衍射線的峰值的半幅值為0.41°或0.41°以上，所以可知本實施方式的導(dǎo)電層13的鉑膜結(jié)晶性優(yōu)良。
重要的是鉑膜的結(jié)晶性決定了在鉑膜上外延生長的PZT等氧化物層的結(jié)晶性，因此優(yōu)選地盡可能結(jié)晶性良好。根據(jù)本實施方式，由于與MgO的單晶基板上外延生長的鉑膜相同，所以能夠形成結(jié)晶性良好的氧化物層。
圖6示出了對氧化物層的由φ掃描產(chǎn)生的X射線衍射圖形的圖。此氧化物層是利用CSD法涂敷、結(jié)晶化PLZT薄膜形成劑(PLZT113/3/45/55、濃度15質(zhì)量％)，而形成PLZT膜的層。在此，PLZT113/3/45/55表示Pb、La、Zr及Ti的摩爾濃度比分別為113∶3∶45∶55。此外，φ掃描是對PLZT膜的(222)面進行的。
參照圖6可知，氧化物層14的PLZT膜，在與圖4所示的單晶基板11/中間層12/導(dǎo)電層13相同角度上具有4個對稱軸。即可知，在導(dǎo)電層13上以立方體上立方體(cube-on-cube)的方式形成有氧化物層14。
如上所述，在硅或GaAs單晶基板11上依次外延生長鎂氧尖晶石膜的中間層12、導(dǎo)電層13、氧化物層14來形成疊層結(jié)構(gòu)體，成為氧化物層14的基底層的導(dǎo)電層13，具有與現(xiàn)有的MgO的單晶基板上外延生長的鉑膜相同的良好結(jié)晶性，因此，在導(dǎo)電層13上形成的氧化物層成為外延層，具有優(yōu)良的結(jié)晶性。
因此，在此疊層結(jié)構(gòu)體即氧化物層上進一步形成的其它氧化物層也成為外延膜，也能具有良好的結(jié)晶性。其結(jié)果，將氧化物層作為覆蓋層、且將另一個氧化物層作為核心層的波導(dǎo)型光偏轉(zhuǎn)元件，由于另一個氧化物層(核心層)的結(jié)晶性良好，所以可顯著地減少因散射引起的光傳播損失，而且由于氧化物層(覆蓋層)的結(jié)晶性也良好，所以能夠減少與另一個氧化物層的界面處全反射中的損失。
此外，疊層結(jié)構(gòu)體，由于導(dǎo)電層為結(jié)晶性良好的鉑膜等的金屬或金屬氧化物，所以能夠防止因電阻低、晶粒邊界、晶格缺陷等引起的高頻中阻抗的增加。下面，根據(jù)附圖來說明本發(fā)明的實施例。
圖7是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的光偏轉(zhuǎn)元件的平面圖。此外，圖8是根據(jù)第一實施例的光偏轉(zhuǎn)元件的截面圖。
參照圖7及圖8，在硅單晶基板21上依次層疊鎂氧尖晶石膜22、下部電極23、下部覆蓋層24、核心層25、上部電極26來構(gòu)成根據(jù)本實施例的光偏轉(zhuǎn)元件20。在這些層當(dāng)中，鎂氧尖晶石膜22、下部電極23、下部覆蓋層24的PLZT膜及核心層25的PZT膜，是相對于各自的下層，延續(xù)了下層的結(jié)晶性而外延生長的。
光偏轉(zhuǎn)元件20形成波導(dǎo)型偏轉(zhuǎn)元件。在此，例如，設(shè)定核心層25的PZT膜的折射率為2.45，下部覆蓋層24的折射率為2.36。即，相對于核心層25的折射率，下部覆蓋層24的折射率小。而且，在核心層25的上面雖沒有形成覆蓋層，但由于空氣的折射率為1.0左右，所以核心層25的折射率大，而且在核心層25的上面，核心層25傳播的光被全反射。而且，從被下部覆蓋層24所吸收的光損失的觀點來看，核心層25的折射率和下部覆蓋層24的折射率之差，相對于核心層25的折射率最好為0.5％或其以上。在比0.5％小的情況下，在與下部覆蓋層24的界面處很難全反射在核心層25傳播的光，就會使光損失增大。
光偏轉(zhuǎn)元件20中，相應(yīng)于在下部電極23和上部電極26之間施加的電壓，在上部電極26的下方的核心層25及下部覆蓋層24中，形成因光電效應(yīng)而引起折射率變化的折射率變化區(qū)域25A、24A。折射率變化區(qū)域25A、24A形成為以將與上部電極26相同的形狀作為上表面的三角柱狀。
入射到核心層25的光，反復(fù)地在核心層25和下部覆蓋層24的界面處、或核心層25上表面(與空氣的界面)處進行全反射，同時在核心層25中傳播。在核心層25中傳播、且與折射率變化區(qū)域25A的界面中，根據(jù)折射法則光產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。即，垂直或平行于與折射率變化區(qū)域25A的界面而入射的光沒有偏轉(zhuǎn)而直線前進，除此以外的情況光產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。如圖7所示，由于折射率變化區(qū)域25A的入射側(cè)相對于光垂直設(shè)置上部電極26的底邊，所以入射光不偏轉(zhuǎn)而直線前進，并且，來自對應(yīng)于上部電極26斜邊的折射率變化區(qū)域的出射部分中，光產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，而出射與光偏轉(zhuǎn)元件20的出射表面相比，例如在箭頭標(biāo)記LB1～LB2的范圍內(nèi)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的光。例如，本實施例的光偏轉(zhuǎn)元件20相對于下部電極23、對上部電極26施加·掃描25V～100V的電壓時，可偏轉(zhuǎn)0.5度～2度。而且，通過施加電壓，不僅核心層25的折射率變化區(qū)域25A，而且下部覆蓋層24的折射率變化區(qū)域24A也會產(chǎn)生變化。相對于核心層25的折射率變化區(qū)域25A的折射率，低0.5％或其以上。能夠抑制核心層25的折射率變化區(qū)域25A的光損失。接著，說明本實施例的光偏轉(zhuǎn)元件20的制造例子。
首先，清洗以(001)面作為主表面的2英寸的硅單基板21后，將其浸漬在9質(zhì)量％的稀釋氫氟酸中，并去除硅單晶基板表面的自然氧化膜(SiOx)。
接著，利用CVD法在硅單晶基板上形成100nm厚度的鎂氧尖晶石膜。具體地，將硅單晶基板配置在CVD的成膜室內(nèi)，保持在基板溫度900℃。Mg的原料中使用MgCl2，并在Mg源室內(nèi)將其加熱到500℃并使其蒸發(fā)，使用氫氣作為運載氣體，將MgCl2的蒸發(fā)物送入到成膜室內(nèi)。Al原料使用金屬Al，并在Al源室內(nèi)將其加熱到550℃并使其蒸發(fā)，將氯化氫氣體和氫氣作為運載氣體，作為AlCl3送入到成膜室內(nèi)。此外，導(dǎo)入碳酸氣體及氫氣，將上述MgCl2的蒸發(fā)物和AlCl3混合，并導(dǎo)入到成膜室內(nèi)。在成膜室中，將硅單晶基板加熱到900℃按成膜速度20nm/分形成鎂氧尖晶石膜。
接著，在鎂氧尖晶石膜上通過濺射法形成200nm厚度的鉑膜。具體地，使濺射裝置內(nèi)為1Pa(7.5×10-3Torr)的壓力，流過30sccm的氬氣和1sccm的氧氣，同時將基板加熱到600℃，并外延生長。
接著，在鉑膜上通過CSD法形成構(gòu)成下部覆蓋層的PLZT膜。具體地，在鉑膜上滴下大約0.3cm3的市場上銷售的PLZT薄膜形成劑(PLZT9/65/35、濃度17質(zhì)量％)，按3000rpm旋轉(zhuǎn)20秒鐘。在此，PLZT9/65/35表示，La、Zr及Ti的摩爾濃度比分別為9∶65∶35。接著，在140℃下預(yù)熱的加熱板上加熱涂敷PLZT后的基板5分鐘，并使PZT薄膜形成劑的溶劑揮發(fā)，進一步在350℃下加熱5分鐘，使PLZT薄膜形成劑熱分解。然后，冷卻到室溫。
接著，進行RTA(短時間退火)處理，例如利用鹵素?zé)敉嘶鹧b置使PLZT膜結(jié)晶化。具體地，將基板配置在鹵素?zé)敉嘶鹧b置中，一面按5升/分鐘流過氧氣，一面進行650℃、10分鐘加熱，使PLZT膜結(jié)晶化。結(jié)晶化后的PLZT膜的膜厚是200nm。從PLZT薄膜形成劑的涂敷到結(jié)晶化的處理共計重復(fù)了11次，PLZT膜的總厚為2.2μm。
接著，在下部覆蓋層的PLZT膜之上利用CSD法形成構(gòu)成核心層的PZT膜。具體地，在PLZT膜上約滴下0.3cm3的市場上銷售的PZT薄膜形成劑(PZT52/48，濃度17質(zhì)量％)，按3000rpm旋轉(zhuǎn)20秒鐘。接著，在140℃下預(yù)熱的加熱板上加熱涂敷PZT后的基板5分鐘，使PZT薄膜形成劑的溶劑揮發(fā)，進一步在350℃下加熱5分鐘，使PZT薄膜形成劑熱分解。然后，冷卻到室溫。
接著，例如利用鹵素?zé)敉嘶鹧b置使PZT膜結(jié)晶化。具體地，將基板配置在鹵素?zé)敉嘶鹧b置中，一面按5升/分鐘流過氧氣，一面進行650℃、10分鐘加熱，使PLZT膜結(jié)晶化。結(jié)晶化后的PZT膜的膜厚是200nm。從PZT薄膜形成劑的涂敷到結(jié)晶化的處理共計重復(fù)了13次，核心層PZT膜的總厚為2.6μm。
接著，在核心層25的PZT膜上利用濺射法形成厚度150nm的鉑膜的上部電極26。具體地，在PZT膜上配置直角三角形的圖形，設(shè)濺射裝置內(nèi)的壓力為1Pa(7.5×10-3Torr)、流過氬氣30sccm，而形成鉑膜。設(shè)上部電極26的尺寸為底邊300μm、高度1000μm的直角三角形，且將底邊配置在入射側(cè)。
而且，不需要利用外延生長上部電極26，也可利用濺射法、蒸鍍法等形成上部電極26，材料不限定于Pt膜，也可使用金屬或合金、或?qū)щ娦匝趸?。適用于上部電極26的金屬或合金很難被氧化，例如，鉑族元素、Ru等，此外導(dǎo)電性氧化物為，例如IrO2、RuO2等。
接著，為了去除濺射時的PZT膜的損傷，進行了退火。具體地，在電爐中一面按5升/分鐘流過氧氣，一面進行600℃、1小時的加熱。形成上部電極26時，因為構(gòu)成上部電極26的濺射原子等使PZT膜表面受到損傷，所以，利用加熱處理，就能夠去除變形、減緩殘留應(yīng)力等，提高PZT膜表面的結(jié)晶性。
接著，研磨入射側(cè)及出射側(cè)的端面，使激光能夠入射·出射。通過上述方法，形成了本實施例的光偏轉(zhuǎn)元件20。
而且，獲得了結(jié)晶學(xué)的關(guān)系是外延生長的PZT膜(核心層25)(001)//PLZT膜(下部覆蓋層24)(001)//Pt膜(下部電極23)(001)//鎂氧尖晶石膜22(001)//硅單晶基板21(001)、面內(nèi)方位是PZT膜(核心層25)[100]//PLZT膜(下部覆蓋層24)[100]//Pt膜(下部電極23)[100]//鎂氧尖晶石膜22[100]//硅單晶基板21[100]的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本實施例的光偏轉(zhuǎn)元件，除了在核心層上再形成上部覆蓋層之外，與第一實施例相同。
圖9是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的光偏轉(zhuǎn)元件的截面圖。圖中，對與前面已說明的部分相應(yīng)的部分賦予相同的參考符號并省略說明。
參照圖9，在硅單晶基板21上依次層疊鎂氧尖晶石膜22、下部電極23、下部覆蓋層24、核心層25、上部覆蓋層31、上部電極26來形成根據(jù)本實施例的光偏轉(zhuǎn)元件30的結(jié)構(gòu)。其中，鎂氧尖晶石膜22、下部電極23、下部覆蓋層24的PLZT膜、核心層25的PZT膜及上部覆蓋層31的PLZT膜，是相對于各自的下層外延生長的，且延續(xù)著下層的結(jié)晶性。從鎂氧尖晶石膜22到核心層25，上部電極26及端面的加工與第一實施例相同地形成。
光偏轉(zhuǎn)元件30與第一實施例的光偏轉(zhuǎn)元件20相同地形成有波導(dǎo)型偏轉(zhuǎn)元件，核心層25構(gòu)成為由下部覆蓋層24及上部覆蓋層31夾持的結(jié)構(gòu)。在第一實施例中，雖然使空氣(折射率1.0)作為上部覆蓋層而起作用，但在本實施例中使用PLZT膜。并且，設(shè)定核心層的PZT膜的折射率為2.45，設(shè)定下部及上部覆蓋層24、31的PLZT膜的折射率為2.36，即，相對于核心層的折射率，下部及上部覆蓋層的折射率小。
并且，從因被下部及上部覆蓋層24、31所吸收引起的光損失的觀點來看，核心層25的折射率、和下部及上部覆蓋層24、31的折射率之差，與在第一實施例中說明的核心層25和下部覆蓋層24的折射率的關(guān)系相同。
因此，入射到核心層25的光，在核心層25、和下部及上部覆蓋層24、31的界面中反復(fù)進行全反射，同時在核心層中傳播。此外，由于上部電極與第一實施例相同地形成，所以省略說明。
在核心層25的PZT膜上利用與下部覆蓋層24的PLZT膜相同的材料及工序，形成上部覆蓋層31的PLZT膜。PLZT膜的總厚為2.2μm。如上所述，形成了第二實施例的光偏轉(zhuǎn)元件30。
而且，獲得了結(jié)晶學(xué)的關(guān)系為外延生長的PLZT膜(上部覆蓋層31)(001)//PZT膜(核心層25)(001)//PLZT膜(下部覆蓋層24)(001)//Pt膜(下部電極23)(001)//鎂氧尖晶石膜22(001)//硅單晶基板21(001)的結(jié)構(gòu)。此外，能夠獲得面內(nèi)方位為PLZT膜(上部覆蓋層31)[100]//PZT膜(核心層25)[100]//PLZT膜(下部覆蓋層24)[100]//Pt膜(下部電極23)[100]//鎂氧尖晶石膜22[100]//硅單晶基板21[100]的結(jié)構(gòu)。
而且，上部覆蓋層31，只要是在上述的核心層25和折射率的條件的范圍內(nèi)，就不僅可以使用與下部覆蓋層相同的材料，而且還可以使用其它材料，例如，氧化硅膜等。
根據(jù)本實施例的光偏轉(zhuǎn)元件，除替代第二實施例的導(dǎo)電層的下部電極23的鉑膜而形成銥(Ir)膜之外，與第二實施例相同。下面，省略與第二實施例相同的制造工序的說明。而且符號使用表示第二實施例的光偏轉(zhuǎn)元件的截面的圖9的符號。
在鎂氧尖晶石膜22上利用濺射法形成厚度200nm的銥?zāi)?。具體地，使濺射裝置內(nèi)成為1Pa(7.5×10-3Torr)的壓力，一面流過30sccm的氬氣和1sccm的氧氣，一面將基板加熱到600℃，進行外延生長。
根據(jù)本實施例，銥?zāi)さ纳L方向是(001)，銥?zāi)さ拿鎯?nèi)方位[100]為與其它層的[100]相同的方向。
本實施例除了在硅單晶基板和鎂氧尖晶石膜之間設(shè)置熱氧化膜，還在上部覆蓋層設(shè)置2個上部電極及棱鏡之外，與第二實施例相同。
圖10是根據(jù)本發(fā)明第四實施例的光偏轉(zhuǎn)元件的平面圖。此外，圖11是根據(jù)第四實施例的光偏轉(zhuǎn)元件的截面圖。圖中，對與前面已說明的部分相對應(yīng)的部分賦予相同的參考符號并省略說明。
參照圖10及圖11，根據(jù)本實施例的光偏轉(zhuǎn)元件40構(gòu)成為在硅單晶基板41上依次層疊熱氧化膜42、鎂氧尖晶石膜22、下部電極23、下部覆蓋層24、核心層25、上部覆蓋層31、第一及第二上部電極26A、26B，還在上部覆蓋層31上設(shè)置用于將激光導(dǎo)入到核心層的棱鏡。其中，鎂氧尖晶石膜22、下部電極23、下部覆蓋層24、核心層25及上部覆蓋層31是相對于各自的下層，而延續(xù)下層的結(jié)晶性，并外延生長的。
光偏轉(zhuǎn)元件40中，利用在上部覆蓋層31上設(shè)置的棱鏡44入射激光，通過上部覆蓋層31而傳播到核心層25。在核心層25中傳播的光，通過第一及第二上部電極26A、26B被偏轉(zhuǎn)，從光偏轉(zhuǎn)元件40的出射表面，出射向核心層的面內(nèi)方向偏轉(zhuǎn)的光。
在此，通過由第一及第二上部電極26A、26B形成的2個折射率變化區(qū)域25A、25B可獲得寬的偏轉(zhuǎn)角。
接著，說明本實施例的光偏轉(zhuǎn)元件40的制造例子。
首先，使用將(001)面作為主表面的2英寸的硅單晶基板21，與第一實施例相同地，形成到鎂氧尖晶石膜。
接著，在大氣壓下，一面按5升/分鐘流過氧氣，一面在1000℃～1100℃下進行30分～3小時的熱處理。利用此熱處理，通過鎂氧尖晶石膜的中間層22使氧擴散到單晶基板41，在單晶基板41的表面形成熱氧化膜42。而且，也可替代氧氣進行使用水蒸氣的濕法退火。此情況的溫度條件及熱處理時間與使用氧氣的情況相同。
由于用熱氧化膜42來隔斷硅單晶基板和鎂氧尖晶石膜的結(jié)合，所以，鎂氧尖晶石膜就能夠不受硅單晶基板的束縛而自己再排列，通過熱處理原子移動也變得容易，因此就能夠進一步提高鎂氧尖晶石膜的結(jié)晶性。熱氧化膜和鎂氧尖晶石膜的總膜厚為150nm。而且，替代氧氣而使用氮氣時，不形成熱氧化膜，也不能確認(rèn)出提高了鎂氧尖晶石的結(jié)晶性。
接著，在鎂氧尖晶石膜上利用濺射法形成厚度200nm的鉑膜。具體地，使濺射裝置內(nèi)成為1Pa(7.5×10-3Torr)的壓力，一面流過30sccm的氬氣和1sccm的氧氣，一面將基板加熱到600℃，進行外延生長。
接著，利用PLD法，形成下部覆蓋層的(Ba、Sr)TiO3。具體地，使用(Ba0.6Sr0.4)的靶，將處理室內(nèi)設(shè)為13.3Pa(100mTorr)，一面流過2.8sccm的氧氣，一面將基板加熱到800℃，將Nd:YAG激光器(波長355nm)的激光以10Hz的重疊頻率，照射靶200分鐘，形成3.0μm厚度的(Ba0.6Sr0.4)TiO3膜。
接著，交換靶，并在下部覆蓋層24上利用PLD法來形成核心層25的PZT膜。具體地，使用PZT10/90D的靶，將處理室內(nèi)設(shè)為2.7Pa(20Torr)，一面流過2.8sccm的氧氣，一面將基板加熱到650℃，將Nd:YAG激光器(波長355nm)的激光以10Hz的重疊頻率，照射靶200分鐘，形成厚度3.0μm的PZT膜。
接著，利用PLD法在核心層25上形成上部覆蓋層31的(Ba、Sr)TiO3膜。具體地，使用(Ba0.6Sr0.4)TiO3的靶，將處理室內(nèi)設(shè)為13.3Pa(100mTorr)，一面流過2.8sccm的氧氣，一面將基板加熱到800℃，將Nd:YAG激光器(波長355nm)的激光以10Hz的重疊頻率，照射靶200分鐘，形成厚度3.0μm的(Ba0.6Sr0.4)TiO3膜。
接著，在上部覆蓋層31的(Ba0.6Sr0.4)TiO3膜上利用濺射法形成厚度150nm的鉑膜的上部電極26A、26B。具體地，在(Ba0.6Sr0.4)TiO3膜上配置直角三角形的圖形，設(shè)濺射裝置內(nèi)的壓力為1Pa(7.5×10-3Torr)、流過30sccm的氬氣，而形成鉑膜。將上部電極26A、26B的尺寸設(shè)為底邊300μm、高度1000μm的直角三角形。
接著，為了去除濺射時的(Ba0.6Sr0.4)TiO3膜的損傷，進行了退火。具體地，在電爐中一面流過5升/分鐘的氧氣，一面進行600℃、1小時的加熱。
接著，研磨出射側(cè)的端面，使激光能夠出射，此外在上部覆蓋層31上固定棱鏡。如上所述，形成了本實施例的光偏轉(zhuǎn)元件40。
根據(jù)本實施例的光偏轉(zhuǎn)元件40，在硅單晶基板41和鎂氧尖晶石膜22之間設(shè)置有熱氧化膜42。由于通過熱氧化膜42來隔斷硅單晶基板41和鎂氧尖晶石膜22的界面中的結(jié)合，所以，鎂氧尖晶石膜22能夠不受硅單晶基板的結(jié)晶面的束縛而在熱處理過程中自己再排列。因此，由于能夠以更高的結(jié)晶性形成鎂氧尖晶石膜22，所以就能夠提高在鎂氧尖晶石膜22上形成的下部電極23、下部覆蓋層24、核心層25、及上部覆蓋層31的結(jié)晶性。
本實施例的光偏轉(zhuǎn)元件與第四實施例相同地構(gòu)成。此外，本實施例的光偏轉(zhuǎn)元件除核心層的制作條件不同之外，與第四實施例相同。
在本實施例中，在下部覆蓋24層上利用PLD法來形成核心層25的PZT膜。具體地，使用PZT10/90的靶，將處理室內(nèi)設(shè)為2.7Pa(20mTorr)～27Pa(200mTorr)，一面流過6sccm的氧氣，一面將基板加熱到600℃～700℃，將Nd:YAG激光器(波長355nm)的激光以10Hz的重疊頻率，照射靶200分鐘，形成厚度3.0μm的PZT膜。
圖12是示出了根據(jù)本實施例的核心層25的傳播損失和結(jié)晶性的關(guān)系的圖。在圖12中，縱軸表示核心層25的傳播損失，橫軸表示對核心層25的PZT膜的(002)面的由搖擺曲線獲得的峰值的半幅值。而且，PZT膜的(002)面的搖擺曲線，是使用X射線衍射儀，通過利用2θ-θ法對準(zhǔn)PZT膜的(002)面的衍射線的角度，改變?nèi)肷涿娑@得的。此外，傳播損失是利用光功率計來測定通過光電探測器檢測出的光。
參照圖12，按本實施例的室內(nèi)壓力20mPa、基板溫度650℃的條件來形成的PZT膜，其半幅值為0.9度，損失為19dB。如圖12所示可知，半幅值越小，即PZT膜的結(jié)晶性越好，就越能夠減少光的傳播損失。
雖然以上詳述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本發(fā)明并沒有限定于這樣的特定的實施方式，可以在權(quán)利要求范圍內(nèi)所記載的本發(fā)明的范圍內(nèi)進行各種變形和變更。
例如，可以將第一～第三實施例和第四實施例加以組合。此外，在第一～第四實施例中，雖然下部或上部覆蓋層使用PLZT膜、核心層使用PZT膜，但毫無疑問，只要能夠確保上述的下部或上部覆蓋層和核心層的折射率的大小關(guān)系，也可以使用在本實施方式中列舉的氧化物層的材料。
此外，雖然在實施例中以偏轉(zhuǎn)元件為例來進行了說明，但同樣可以適用于布拉格(Bragg)反射型開關(guān)、全反射型開關(guān)、方向性結(jié)合開關(guān)、馬赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉開關(guān)、相位調(diào)諧元件、模式轉(zhuǎn)換元件、波長濾波元件等使用光電效應(yīng)的所有光導(dǎo)元件中。
產(chǎn)業(yè)上的利用可能性由以上詳細(xì)說明可明確，根據(jù)本發(fā)明，傳播光束的第二氧化物層由外延膜形成，且結(jié)晶性優(yōu)越良好，因此，能夠提供光傳播損失低、光學(xué)特性優(yōu)良的低制造成本的光偏轉(zhuǎn)元件及其制造方法。
權(quán)利要求
1.一種光偏轉(zhuǎn)元件，具有單晶基板；在上述單晶基板上形成的由鎂氧尖晶石膜形成的中間層；在上述中間層上形成的由含有鉑族元素的導(dǎo)電層形成的下部電極；在上述下部電極上形成的第一氧化物層；在上述第一氧化物層上形成的第二氧化物層；在上述第二氧化物層上形成的上部電極，其特征在于上述中間層、下部電極、第一氧化物層及第二氧化物層由外延膜形成；上述第二氧化物層的折射率大于上述第一氧化物層的折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光偏轉(zhuǎn)元件，其特征在于，上述單晶基板是硅單晶基板。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光偏轉(zhuǎn)元件，其特征在于，在上述單晶基板和中間層之間還形成有非晶質(zhì)層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光偏轉(zhuǎn)元件，其特征在于，上述非晶質(zhì)層是硅氧化膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光偏轉(zhuǎn)元件，其特征在于，上述單晶基板由砷化鎵基板形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光偏轉(zhuǎn)元件，其特征在于，上述下部電極以Pt或Ir為主成分。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光偏轉(zhuǎn)元件，其特征在于，上述第二氧化物層具有光電效應(yīng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光偏轉(zhuǎn)元件，其特征在于，上述第一及第二氧化物層中的至少一層具有包含單鈣鈦礦晶格的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光偏轉(zhuǎn)元件，其特征在于，上述包含單鈣鈦礦晶格的結(jié)晶結(jié)構(gòu)是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、鉍層狀結(jié)構(gòu)或鎢青銅結(jié)構(gòu)的任意一種結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光偏轉(zhuǎn)元件，其特征在于，上述第一氧化物層是用(Sr1-xBax)TiO3(0≤x≤1)、或(Pb1-yLay)(Zr1-xTix)O3(0≤x、y≤1)的通式所表示的結(jié)晶層。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光偏轉(zhuǎn)元件，其特征在于，上述單晶基板、中間層及下部電極的層疊方向的結(jié)晶方位是
。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光偏轉(zhuǎn)元件，其特征在于，上述第一及第二氧化物層的層疊方向的結(jié)晶方位是
。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光偏轉(zhuǎn)元件，其特征在于，上述第一及第二氧化物層中的至少一層是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’是二價金屬、B”是五價金屬)、Pb(B’1/2B”1/2)xTiyZr1-x-yO3(0≤x、y≤1、B’是三價金屬、B”是五價金屬、或B′是二價金屬、B”是六價金屬)、(Sr1-xBax)Nb2O6(0≤x≤1)、(Sr1-xBax)Ta2O6(0≤x≤1)、PbNb2O6、或Ba2NaNb5O15。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光偏轉(zhuǎn)元件，其特征在于在上述第二氧化物層和上部電極之間，還具有通過外延生長而形成在上述第二氧化物層上的第三氧化物層；上述第二氧化物層的折射率大于上述第一及第三氧化物層的折射率。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光偏轉(zhuǎn)元件，其特征在于，上述第三氧化物層具有包含單鈣鈦礦晶格的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光偏轉(zhuǎn)元件，其特征在于，上述第三氧化物層的層疊方向的結(jié)晶方位是
。
17.一種光偏轉(zhuǎn)元件的制造方法，包括中間層形成工序，在上述單晶基板上形成由鎂氧尖晶石形成的中間層；下部電極形成工序，在上述中間層上形成由鉑族元素構(gòu)成的導(dǎo)電層形成的下部電極；第一氧化物層形成工序，在上述下部電極上形成第一氧化物層；第二氧化物層形成工序，在上述第一氧化物層上形成第二氧化物層；上部電極形成工序，在上述第二氧化物層上形成上部電極，其特征在于，上述中間層、下部電極、第一氧化物層及第二氧化物層通過外延生長形成。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光偏轉(zhuǎn)元件的制造方法，其特征在于，在上述中間層形成工序和下部電極形成工序之間，還包括在含有氧氣或水蒸氣的氣氛中進行熱處理的工序。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的光偏轉(zhuǎn)元件的制造方法，其特征在于，在上述單晶基板和上述中間層之間形成熱氧化膜。
全文摘要
在硅單晶基板(21)之上，依次層疊鎂氧尖晶石膜(22)、下部電極(23)、下部覆蓋層(24)、核心層(25)、上部電極(26)而構(gòu)成光偏轉(zhuǎn)元件，其中，鎂氧尖晶石膜(22)、下部電極(23)、下部覆蓋層(24)的PLZT膜、及核心層(25)的PZT膜是相對于各自的下層由外延生長而形成的。相應(yīng)于在下部電極(23)和上部電極(26)之間施加的電壓，形成由光電效應(yīng)而改變折射率的折射率變化區(qū)域(25A、24A)，在與折射率變化區(qū)域(25A)的交界處，入射到核心層(25)的光偏轉(zhuǎn)向核心層(25)的面內(nèi)方向。
文檔編號G02F1/055GK1688926SQ0382418
公開日2005年10月26日 申請日期2003年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月27日
發(fā)明者近藤正雄, 山脅秀樹 申請人:富士通株式會社