(57)【要約】【課題】  基板表面の結晶格子とこの基板表面に接する薄膜の結晶格子との関係を適切に選定することにより、誘電体材料に発生する分域数を低減し、素子特性の向上を図る。【解決手段】  異方格子の表出した正方晶又は斜方晶の基板１と、誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜２から構成されている。単結晶基板１の結晶面のうち基板表面に表出した結晶面の２つのバルク状態の格子定数をＸｓ，Ｙｓ（Ｘｓ＜Ｙｓ）とし、誘電体薄膜２の結晶面のうち基板表面に接合する結晶面のバルク状態の格子定数をＸｆ，Ｙｆ（Ｘｆ≦Ｙｆ）としたとき、誘電体薄膜２が正方晶となる使用温度域において、０．００＜２｜Ｙｆ−Ｙ｜／（Ｙｆ＋Ｙ）＜＋０．０５（Ｙ＝Ｙｓ／ｊ（ｊは自然数））の関係を満足する単結晶基板１と誘電体薄膜２を選択することで、誘電体薄膜の結晶配向性を制御する。正方格子の表出した立方晶又は正方晶の基板についても可能である。【選択図】  図４
2005311197.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異方格子の表出した正方晶又は斜方晶の単結晶基板と、該単結晶基板上に設けられた誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜とからなり、前記単結晶基板の結晶面のうち基板表面に表出した結晶面の２つのバルク状態の格子定数が異なり、該格子定数をＸｓ，Ｙｓ（ただし、Ｘｓ＜Ｙｓ）とし、前記誘電体薄膜の結晶面のうち前記基板表面に接合する結晶面のバルク状態の格子定数をＸｆ，Ｙｆ（ただし、Ｘｆ≦Ｙｆ）としたとき、前記誘電体薄膜が正方晶となる使用温度域において、
０．００＜２｜Ｙｆ−Ｙ｜／（Ｙｆ＋Ｙ）＜＋０．０５
（ただし、Ｙ＝Ｙｓ／ｊ（ｊは自然数））
の関係を満足することを特徴とする誘電体薄膜素子。
【請求項２】
異方格子の表出した正方晶又は斜方晶のバッファ薄膜が設けられている基板と、該基板上に設けられた正方晶誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜からなり、前記バッファ薄膜の結晶面のうちバッファ薄膜表面に表出した結晶面の２つのバルク状態の格子定数が異なり、該格子定数をＸｓ，Ｙｓ（ただし、Ｘｓ＜Ｙｓ）とし、前記誘電体薄膜の結晶面のうち前記バッファ薄膜表面に接合する結晶面のバルク状態の格子定数をＸｆ，Ｙｆ（ただし、Ｘｆ≦Ｙｆ）としたとき、前記誘電体薄膜が正方晶となる使用温度域において、
０．００＜２｜Ｙｆ−Ｙ｜／（Ｙｆ＋Ｙ）＜＋０．０５
（ただし、Ｙ＝Ｙｓ／ｊ（ｊは自然数））
の関係を満足することを特徴とする誘電体薄膜素子。
【請求項３】
正方格子の表出した立方晶又は正方晶の単結晶基板と、該単結晶基板上に設けられた正方晶誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜とからなる、前記単結晶基板の結晶面のうち基板表面に表出した結晶面の２つのバルク状態の格子定数が同一であり、該格子定数をＸｓとし、前記誘電体薄膜の結晶面のうち前記基板表面に接合する結晶面のバルク状態の格子定数をＸｆ，Ｙｆ（ただし、Ｘｆ≦Ｙｆ）としたとき、前記誘電体薄膜が正方晶となる使用温度域において、
０．００＜２｜Ｘｆ−Ｘ｜／（Ｘｆ＋Ｘ）＜＋０．０５
（ただし、Ｘ＝Ｘｓ／ｉ（ｉは自然数））
の関係を満足することを特徴とする誘電体薄膜素子。
【請求項４】
正方格子の表出した立方晶又は正方晶のバッファ薄膜が設けられている基板と、該基板上に設けられた誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜からなり、前記バッファ薄膜の結晶面のうちバッファ薄膜表面に表出した結晶面の２つのバルク状態の格子定数が同一であり、該格子定数をＸｓとし、前記誘電体薄膜の結晶面のうち前記バッファ薄膜表面に接合する結晶面のバルク状態の格子定数をＸｆ，Ｙｆ（ただし、Ｘｆ≦Ｙｆ）としたとき、前記誘電体薄膜が正方晶となる使用温度域において、
０．００＜２｜Ｘｆ−Ｘ｜／（Ｘｆ＋Ｘ）＜＋０．０５
（ただし、Ｘ＝Ｘｓ／ｉ（ｉは自然数））
の関係を満足することを特徴とする誘電体薄膜素子。
【請求項５】
前記単結晶基板又は前記バッファ層として、Ｋ２Ｔａ４Ｏ１１酸化物を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘電体薄膜素子。
【請求項６】
異方格子の表出した正方晶又は斜方晶の単結晶基板上に誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜を形成し、前記単結晶基板の結晶面のうち基板表面に表出した結晶面の２つのバルク状態の格子定数が異なり、該格子定数をＸｓ，Ｙｓ（ただし、Ｘｓ＜Ｙｓ）とし、前記誘電体薄膜の結晶面のうち前記基板表面に接合する結晶面のバルク状態の格子定数をＸｆ，Ｙｆ（ただし、Ｘｆ≦Ｙｆ）としたとき、前記誘電体薄膜が正方晶となる使用温度域において、
０．００＜２｜Ｙｆ−Ｙ｜／（Ｙｆ＋Ｙ）＜＋０．０５
（ただし、Ｙ＝Ｙｓ／ｊ（ｊは自然数））
の関係を満足するように、前記単結晶基板と前記誘電体薄膜を選択することで、該誘電体薄膜の結晶配向性を制御することを特徴とする誘電体薄膜素子の製造方法。
【請求項７】
異方格子の表出した正方晶又は斜方晶のバッファ薄膜が設けられている基板上に正方晶誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜を形成し、前記バッファ薄膜の結晶面のうちバッファ薄膜表面に表出した結晶面の２つのバルク状態の格子定数が異なり、該格子定数をＸｓ，Ｙｓ（ただし、Ｘｓ＜Ｙｓ）とし、前記誘電体薄膜の結晶面のうち前記バッファ薄膜表面に接合する結晶面のバルク状態の格子定数をＸｆ，Ｙｆ（ただし、Ｘｆ≦Ｙｆ）としたとき、前記誘電体薄膜が正方晶となる使用温度域において、
０．００＜２｜Ｙｆ−Ｙ｜／（Ｙｆ＋Ｙ）＜＋０．０５
（ただし、Ｙ＝Ｙｓ／ｊ（ｊは自然数））
の関係を満足するように、前記バッファ薄膜と前記誘電体薄膜を選択することで、該誘電体薄膜の結晶配向性を制御することを特徴とする誘電体薄膜素子の製造方法。
【請求項８】
正方格子の表出した立方晶又は正方晶の単結晶基板上に正方晶誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜を形成し、前記単結晶基板の結晶面のうち基板表面に表出した結晶面の２つのバルク状態の格子定数が同一であり、該格子定数をＸｓとし、前記誘電体薄膜の結晶面のうち前記基板表面に接合する結晶面のバルク状態の格子定数をＸｆ，Ｙｆ（ただし、Ｘｆ≦Ｙｆ）としたとき、前記誘電体薄膜が正方晶となる使用温度域において、
０．００＜２｜Ｘｆ−Ｘ｜／（Ｘｆ＋Ｘ）＜＋０．０５
（ただし、Ｘ＝Ｘｓ／ｉ（ｉは自然数））
の関係を満足するように、前記単結晶基板と前記誘電体薄膜を選択することで、該誘電体薄膜の結晶配向性を制御することを特徴とする誘電体薄膜素子の製造方法。
【請求項９】
正方格子の表出した立方晶又は正方晶のバッファ薄膜が設けられている基板上に誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜を形成し、前記バッファ薄膜の結晶面のうちバッファ薄膜表面に表出した結晶面の２つのバルク状態の格子定数が同一であり、該格子定数をＸｓとし、前記誘電体薄膜の結晶面のうち前記バッファ薄膜表面に接合する結晶面のバルク状態の格子定数をＸｆ，Ｙｆ（ただし、Ｘｆ≦Ｙｆ）としたとき、前記誘電体薄膜が正方晶となる使用温度域において、
０．００＜２｜Ｘｆ−Ｘ｜／（Ｘｆ＋Ｘ）＜＋０．０５
（ただし、Ｘ＝Ｘｓ／ｉ（ｉは自然数））
の関係を満足するように、前記バッファ薄膜と前記誘電体薄膜を選択することで、該誘電体薄膜の結晶配向性を制御することを特徴とする誘電体薄膜素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体薄膜素子及びその製造方法に関し、より詳細には、光導波路や圧電素子等に用いられる誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気光学素子や圧電素子に代表される誘電体薄膜素子は、その機能を発現する元となる物性の均質性を保つため、主に単分域化処理されたバルク単結晶が用いられている。  
誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）は、高い光非線形効果や機械結合定数を有し、高効率な電気光学素子や圧電素子等の誘電体薄膜素子を実現できる誘電体材料である。しかしながら、この誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３は、その温度により高温から低温へ順に立方晶、正方晶、斜方晶、菱面体への構造相転移を生じ、それぞれの構造相転移温度は、組成ｘの値により変化する。そして、これらの構造相転移を通過することにより、分域構造が形成される。
【０００３】
図１（ａ），（ｂ）は、誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）バルク結晶における立方晶−正方晶移転時の分域形成の概念図で、図１（ａ）は立方晶、図１（ｂ）は正方晶を示している。以下、構造相転移による分域形成について説明する。
【０００４】
例えば、ｘ＝０のＫＮｂＯ３の場合、正方格子の表出した立方晶と正方晶の構造相転移温度は、約４２０℃であり、高温相である立方晶の単結晶は、高温から約４２０℃の構造相転移温度を超えて冷却すると、ｃ軸長が伸びた正方晶へ相転移する。周辺外場が等方的である場合、立方晶のａ軸、ｂ軸、ｃ軸のいずれの軸方向に格子が膨張し、正方晶のｃ軸となるかは不定で３つの自由度があり、それによって３種類の分域が生成される。かつ、それぞれの正方晶のｃ軸の方向が、立方晶のａ軸、ｂ軸、ｃ軸各軸の方向に対して正方向か負方向かの２つの自由度があるから、各軸に対して１８０°反転した２種類の分域も生成される。これらをまとめて、立方晶から正方晶への構造転移によって、３×２、すなわち、計６種の分域が形成される。
【０００５】
この分域は、特定方位で発現する結晶物性を応用した誘電体薄膜素子の場合、分域の配向方位が均一でないため、結晶物性として有している本来の性能を引き出せない。例えば、ＫＮｂＯ３バルク単結晶の場合、特許文献１に記載されているように、温度を変化させつつ所望の方向に電界を印加して分域の方向をそろえる、いわゆる単分域化処理を行なうことで結晶物性から予測される性能に近付けることがある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３４８１９５号公報
【非特許文献１】Advanced Materials. 1993年、Vol.５、No.3、S, Miyazawa 他「High-Tc Superconducting Thin Films」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年の半導体加工技術の進歩によって電子部品の小型化が進み、誘電体薄膜素子もその加工技術を応用して小型化が進みつつある。小型の誘電体薄膜素子においては、機能を発揮するのに必要十分なサイズの薄膜形状で誘電体材料を作製することは、バルク単結晶を用いるよりその作製コストの観点から有利である。
【０００８】
しかしながら、単結晶基板上に作成した誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜も、バルク単結晶同様に、構造相転移により分域構造が形成される。分域構造を有した誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜は、バルク単結晶のように、電界印加方向を選択できる自由度がなく、単分域化処理を行なうことが困難である。したがって、バルク単結晶の場合のように、結晶物性から予測される性能を引き出すことが難しかった。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、基板表面の結晶格子とこの基板表面に接する薄膜の結晶格子との関係を適切に選定することにより、誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）材料に発生する分域数を低減でき、素子特性の向上を図るようにした誘電体薄膜素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、異方格子の表出した正方晶又は斜方晶の単結晶基板と、該単結晶基板上に設けられた誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜とからなり、前記単結晶基板の結晶面のうち基板表面に表出した結晶面の２つのバルク状態の格子定数が異なり、該格子定数をＸｓ，Ｙｓ（ただし、Ｘｓ＜Ｙｓ）とし、前記誘電体薄膜の結晶面のうち前記基板表面に接合する結晶面のバルク状態の格子定数をＸｆ，Ｙｆ（ただし、Ｘｆ≦Ｙｆ）としたとき、前記誘電体薄膜が正方晶となる使用温度域において、０．００＜２｜Ｙｆ−Ｙ｜／（Ｙｆ＋Ｙ）＜＋０．０５（ただし、Ｙ＝Ｙｓ／ｊ（ｊは自然数））の関係を満足することを特徴とする。（図４に対応）
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、異方格子の表出した正方晶又は斜方晶のバッファ薄膜が設けられている基板と、該基板上に設けられた正方晶誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜からなり、前記バッファ薄膜の結晶面のうちバッファ薄膜表面に表出した結晶面の２つのバルク状態の格子定数が異なり、該格子定数をＸｓ，Ｙｓ（ただし、Ｘｓ＜Ｙｓ）とし、前記誘電体薄膜の結晶面のうち前記バッファ薄膜表面に接合する結晶面のバルク状態の格子定数をＸｆ，Ｙｆ（ただし、Ｘｆ≦Ｙｆ）としたとき、前記誘電体薄膜が正方晶となる使用温度域において、０．００＜２｜Ｙｆ−Ｙ｜／（Ｙｆ＋Ｙ）＜＋０．０５（ただし、Ｙ＝Ｙｓ／ｊ（ｊは自然数））の関係を満足することを特徴とする。（図５に対応）
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、正方格子の表出した立方晶又は正方晶の単結晶基板と、該単結晶基板上に設けられた正方晶誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜とからなる、前記単結晶基板の結晶面のうち基板表面に表出した結晶面の２つのバルク状態の格子定数が同一であり、該格子定数をＸｓとし、前記誘電体薄膜の結晶面のうち前記基板表面に接合する結晶面のバルク状態の格子定数をＸｆ，Ｙｆ（ただし、Ｘｆ≦Ｙｆ）としたとき、前記誘電体薄膜が正方晶となる使用温度域において、０．００＜２｜Ｘｆ−Ｘ｜／（Ｘｆ＋Ｘ）＜＋０．０５（ただし、Ｘ＝Ｘｓ／ｉ（ｉは自然数））の関係を満足することを特徴とする。（図４に対応）
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、正方格子の表出した立方晶又は正方晶のバッファ薄膜が設けられている基板と、該基板上に設けられた誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜からなり、前記バッファ薄膜の結晶面のうちバッファ薄膜表面に表出した結晶面の２つのバルク状態の格子定数が同一であり、該格子定数をＸｓとし、前記誘電体薄膜の結晶面のうち前記バッファ薄膜表面に接合する結晶面のバルク状態の格子定数をＸｆ，Ｙｆ（ただし、Ｘｆ≦Ｙｆ）としたとき、前記誘電体薄膜が正方晶となる使用温度域において、０．００＜２｜Ｘｆ−Ｘ｜／（Ｘｆ＋Ｘ）＜＋０．０５（ただし、Ｘ＝Ｘｓ／ｉ（ｉは自然数））の関係を満足することを特徴とする。（図５に対応）
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記単結晶基板又は前記バッファ層として、Ｋ２Ｔａ４Ｏ１１酸化物を用いることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明は、誘電体薄膜素子の製造方法であって、異方格子の表出した正方晶又は斜方晶の単結晶基板上に誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜を形成し、前記単結晶基板の結晶面のうち基板表面に表出した結晶面の２つのバルク状態の格子定数が異なり、該格子定数をＸｓ，Ｙｓ（ただし、Ｘｓ＜Ｙｓ）とし、前記誘電体薄膜の結晶面のうち前記基板表面に接合する結晶面のバルク状態の格子定数をＸｆ，Ｙｆ（ただし、Ｘｆ≦Ｙｆ）としたとき、前記誘電体薄膜が正方晶となる使用温度域において、０．００＜２｜Ｙｆ−Ｙ｜／（Ｙｆ＋Ｙ）＜＋０．０５（ただし、Ｙ＝Ｙｓ／ｊ（ｊは自然数））の関係を満足するように、前記単結晶基板と前記誘電体薄膜を選択することで、該誘電体薄膜の結晶配向性を制御することを特徴とする。（図４に対応）
【００１６】
また、請求項７に記載の発明は、誘電体薄膜素子の製造方法であって、異方格子の表出した正方晶又は斜方晶のバッファ薄膜が設けられている基板上に正方晶誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜を形成し、前記バッファ薄膜の結晶面のうちバッファ薄膜表面に表出した結晶面の２つのバルク状態の格子定数が異なり、該格子定数をＸｓ，Ｙｓ（ただし、Ｘｓ＜Ｙｓ）とし、前記誘電体薄膜の結晶面のうち前記バッファ薄膜表面に接合する結晶面のバルク状態の格子定数をＸｆ，Ｙｆ（ただし、Ｘｆ≦Ｙｆ）としたとき、前記誘電体薄膜が正方晶となる使用温度域において、０．００＜２｜Ｙｆ−Ｙ｜／（Ｙｆ＋Ｙ）＜＋０．０５（ただし、Ｙ＝Ｙｓ／ｊ（ｊは自然数））の関係を満足するように、前記バッファ薄膜と前記誘電体薄膜を選択することで、該誘電体薄膜の結晶配向性を制御することを特徴とする。（図５に対応）
【００１７】
また、請求項８に記載の発明は、誘電体薄膜素子の製造方法であって、正方格子の表出した立方晶又は正方晶の単結晶基板上に正方晶誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜を形成し、前記単結晶基板の結晶面のうち基板表面に表出した結晶面の２つのバルク状態の格子定数が同一であり、該格子定数をＸｓとし、前記誘電体薄膜の結晶面のうち前記基板表面に接合する結晶面のバルク状態の格子定数をＸｆ，Ｙｆ（ただし、Ｘｆ≦Ｙｆ）としたとき、前記誘電体薄膜が正方晶となる使用温度域において、０．００＜２｜Ｘｆ−Ｘ｜／（Ｘｆ＋Ｘ）＜＋０．０５（ただし、Ｘ＝Ｘｓ／ｉ（ｉは自然数））の関係を満足するように、前記単結晶基板と前記誘電体薄膜を選択することで、該誘電体薄膜の結晶配向性を制御することを特徴とする。（図４に対応）
【００１８】
また、請求項９に記載の発明は、誘電体薄膜素子の製造方法であって、正方格子の表出した立方晶又は正方晶のバッファ薄膜が設けられている基板上に誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜を形成し、前記バッファ薄膜の結晶面のうちバッファ薄膜表面に表出した結晶面の２つのバルク状態の格子定数が同一であり、該格子定数をＸｓとし、前記誘電体薄膜の結晶面のうち前記バッファ薄膜表面に接合する結晶面のバルク状態の格子定数をＸｆ，Ｙｆ（ただし、Ｘｆ≦Ｙｆ）としたとき、前記誘電体薄膜が正方晶となる使用温度域において、０．００＜２｜Ｘｆ−Ｘ｜／（Ｘｆ＋Ｘ）＜＋０．０５（ただし、Ｘ＝Ｘｓ／ｉ（ｉは自然数））の関係を満足するように、前記バッファ薄膜と前記誘電体薄膜を選択することで、該誘電体薄膜の結晶配向性を制御することを特徴とする。（図５に対応）
【発明の効果】
【００１９】
本発明による誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜素子は、単結晶基板又はバッファ薄膜が設けられている基板と、単結晶基板上又はバッファ薄膜上に設けられた誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜とからなり、単結晶基板又はバッファ薄膜の表面に表出した結晶格子の格子定数と、単結晶基板又はバッファ薄膜の表面に接合する誘電体薄膜の結晶格子の格子定数との関係、つまり、基板表面の結晶格子と基板表面に接する誘電体薄膜の結晶格子との関係を適切に選定することにより、誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）材料に発生する分域数を低減でき、素子特性を向上させるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。  
本発明では、誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜に対して、基板もしくは基板上のバッファ層の表面に表出している結晶格子と、基板もしくは基板上のバッファ層の表面に接合する薄膜の結晶格子との格子定数の長さの違いを利用し、誘電体薄膜に応力を印加することで、構造相転移の分域配向方向を制御することを特徴とする。
【００２１】
誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜を単結晶基板上に作製すると、基板の格子配列状態を継承した配向性薄膜が得られる場合がある。この場合、使用した基板上の表面にある結晶格子と薄膜の基板表面に接合する結晶格子には、唯一基板がＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３で組成ｘが薄膜と一致している場合を除けば、必ず格子定数に差があり、その差によって薄膜には応力が印加される。この応力を選択的に印加すると、誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）が本来有する相転移による分域配向方向を制御することができる。
【００２２】
以下、相転移による分域配向方向の制御方法について説明する。  
まず、異方格子の表出した正方晶や斜方晶でｃ軸が基板表面に沿って表出している（１００）面もしくは（０１０）面の単結晶基板を用いて誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜を作製した場合について説明する。
【００２３】
図２（ａ），（ｂ）は、誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜における立方晶−正方晶移転時の分域発生の概念図（基板表面の結晶格子に異方性がある場合）で、図２（ａ）は立方晶、図２（ｂ）は正方晶を示している。なお、図中符号２１は基板表面の結晶格子、２２はＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３薄膜の結晶格子を示している。
【００２４】
基板表面にあるｂ軸とｃ軸、もしくはａ軸とｃ軸の格子定数が異なるから、誘電体薄膜には基板表面のｂ軸方向とｃ軸方向、もしくはａ軸方向とｃ軸方向それぞれに対して、異方性を有する応力が印加される。一般に、誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜は、高温の立方晶が安定な温度域で作製される。その後、冷却過程で立方晶から正方晶への相転移が生ずる。あるいは、素子使用時の冷却で立方晶から正方晶への相転移が生ずる。この相転移通過の際、用いた基板表面の結晶格子に異方性があるから、基板表面にある２つの結晶軸のうち格子定数が長い結晶軸方向に誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜の正方晶のｃ軸が配列し、基板と誘電体薄膜の格子定数の差で発生している応力を低減させる現象が生じる。
【００２５】
これにより、バルク単結晶では、上述したように、６種類の分域が発生するのに対し、誘電体薄膜では基板表面にある結晶格子のうち格子定数が長い結晶軸方向に対して正方向か負方向かの２つの自由度のみに限定され、２種類の分域が発生するのみとなる。
【００２６】
上述した分域の配向方向数の減少は、単結晶基板に代えて同種材料の異方格子の表出した正方晶や斜方晶をバッファ層として作製した基板を用いても実現可能である。
【００２７】
種々の実験結果から、上述した効果を発現する応力には適値が存在し、過度の応力が発生した場合は、クラック等の結晶欠陥を発生することが分かった。その適値は、誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜の場合、単結晶基板の結晶面のうち基板表面に表出する結晶面のバルク状態の格子定数をＸｓ，Ｙｓ（ただし、Ｘｓ≦Ｙｓ）とし、誘電体薄膜の結晶面のうち基板表面に接合する結晶面のバルク状態の格子定数をＸｆ，Ｙｆ（ただし、Ｘｆ≦Ｙｆ）としたとき、誘電体薄膜が正方晶となる温度域において、
０．００＜２｜Ｙｆ−Ｙ｜／（Ｙｆ＋Ｙ）＜＋０．０５
ただし、Ｙ＝Ｙｓ／ｊ（ｊは自然数）
の関係を満足するという関係式で定義できた。
【００２８】
次に、異方格子の表出した正方晶や斜方晶に代えて、正方格子の表出した立方晶もしくは正方晶で基板表面に正方格子が表出した単結晶基板を用いて誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜を作製した場合について説明する。
【００２９】
図３（ａ），（ｂ）は、誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜における立方晶−正方晶移転時の分域発生の概念図（基板表面の結晶格子が正方格子である場合）で、図３（ａ）は立方晶、図３（ｂ）は正方晶を示している。
【００３０】
基板表面の結晶格子は等方的であり、発生応力は基板表面に垂直な方向に対応する結晶軸の伸縮で緩和される。一般に、誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜は、高温の立方晶が安定な温度域で作製される。その後、冷却過程で立方晶から正方晶への相転移が生ずる。あるいは、素子使用時の冷却で立方晶から正方晶への相転移が生ずる。この際、誘電体薄膜の基板面に接合する結晶格子は、用いた基板表面の等方的な結晶格子との結合によって制限されるから、基板表面に垂直な方向にある立方晶のａ軸が正方晶のｃ軸となることで配列し、発生応力を低減させる。
【００３１】
これにより、上述したように、バルク単結晶で６種類の分域が発生するのに対し、基板表面に垂直な方向に対して正方向か負方向かの２つの自由度のみに限定され、２種類の分域が発生するのみとなる。
【００３２】
上述した分域数の減少は、単結晶基板に代えて同種材料の立方晶のバッファ層を作製した基板を用いても実現可能である。
【００３３】
種々の実験結果から、上述した立方晶基板を用いた場合の応力の適値は、単結晶基板の結晶面のうち基板表面に表出した結晶面のバルク状態の格子定数をＸｓとし、誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜の結晶面のうち基板表面に接合する結晶面のバルク状態の格子定数をＸｆ，Ｙｆ（ただし、Ｘｆ≦Ｙｆ）としたとき、誘電体薄膜が正方晶となる温度域において、
０．００＜２｜Ｘｆ−Ｘ｜／（Ｘｆ＋Ｘ）＜＋０．０５
ただし、Ｘ＝Ｘｓ／ｉ（ｉは自然数）
の関係を満足するという関係式に定義できた。なお、この場合、基板が立方晶や正方格子の表出した正方晶であるから、基板表面に表出する単位格子は等価であるから、ＹやＹｓは、ＸやＸｓと同じ値である。
【００３４】
ここで、上述した関係式のうち、２｜Ｙｆ−Ｙ｜／（Ｙｆ＋Ｙ）や２｜Ｘｆ−Ｘ｜／（Ｘｆ＋Ｘ）について説明をする。一般に基板と誘電体薄膜の格子整合を論ずる場合、｜Ｙｆ−Ｙ｜／Ｙや｜Ｘｆ−Ｘ｜／Ｘという表式を用いる。しかしながら、上述した表式の｜Ｙｆ−Ｙ｜／Ｙや｜Ｘｆ−Ｘ｜／Ｘは、半導体薄膜成長のエピタキシャル成長条件で使用される表式で、例えば、基板厚０．５ｍｍ、薄膜厚０．５μｍといった、薄膜厚が基準厚に比して十分に小さく、格子歪みによる応力が薄膜で吸収される場合に使用できる表式である。
【００３５】
本発明が解決する対象の光導波路や圧電素子等で使用する薄膜厚は、例えば、５μｍや５０μｍであり、薄膜厚が基板厚に比して十分に小さい訳ではない。この場合、もはや誘電体薄膜のみで格子歪みによる応力を吸収できず、誘電体薄膜から基板への格子歪みによる応力に関しても考慮しなければならない。この点を表式に反映するため、従来の分母ＹやＸに代えて、薄膜格子と基板格子の平均値、すなわち分母（Ｙｆ＋Ｙ）／２や（Ｘｆ＋Ｘ）／２を使用し、基板と誘電体薄膜とを対等に見積った表式２｜Ｙｆ−Ｙ｜／（Ｙｆ＋Ｙ）や２｜Ｘｆ−Ｘ｜／（Ｘｆ＋Ｘ）を使用した。
【００３６】
なお、高度に配向したエピタキシャル成長薄膜を用いて素子を作製することで、より高い性能を引き出すことができるから、エピタキシャル成長現象に重要な成長温度での単結晶基板と誘電体薄膜との格子定数を整合させ、誘電体薄膜をエピタキシャル成長させることが望ましい。さらに詳しく説明すると、単結晶基板の結晶面のうち基板表面に沿って表出している結晶面の成膜温度での格子定数をＸｓｇ，Ｙｓｇ（ただしＸｓｇ≦Ｙｓｇ）とし、誘電体薄膜の結晶面のうち基板表面に平行な結晶面の成膜温度でのバルク状態の格子定数をＸｆｇ，Ｙｆｇ（ただしＸｆｇ≦Ｙｆｇ）としたとき、
２｜Ｘｆｇ−Ｘｓｇ｜／（Ｘｆｇ＋Ｘｓｇ）＜＋０．００５、
２｜Ｙｆｇ−Ｙｓｇ｜／（Ｙｆｇ＋Ｙｓｇ）＜＋０．００５
の関係を満足する単結晶基板と誘電体薄膜を選択することが好ましい。
【００３７】
なお、非特許文献１には、酸化物単結晶基板上に酸化物薄膜をエピタキシャル成長させる条件について記載されているが、本発明のように、単結晶基板やバッファ薄膜が設けられている基板の表面に表出した結晶格子の格子定数と単結晶基板やバッファ薄膜の表面に接合する誘電体薄膜の格子定数とに意図的に差を設け、分域数の減少を発現させる効果については何ら開示されていない。
【００３８】
また、上述した条件を満足する誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜は、分域数が減少し、かつ誘電体薄膜のｃ軸方向が基板表面に対して平行もしくは垂直である。ｃ軸配向方向が基板方位に対して定まっているため、誘電体薄膜でもｃ軸方向に電極を作製でき、それに電界を加えることで、上述した特許文献１に記載されている方法と同様に、単分域化をすることもできる。この単分域化処理を付加することで、分域配向方向を２種類から１種類にし、より特性を高めた誘電体薄膜素子を実現することもできる。
【実施例１】
【００３９】
図４は、本発明の誘電体薄膜素子の実施例１を説明するための構成図で、符号１は基板、２は誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜を示している。
【００４０】
実施例１の誘電体薄膜素子は、表面に異方格子の表出した正方晶もしくは斜方晶、又は正方格子の表出した立方晶もしくは正方晶の単結晶基板１と、誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜２から構成されている。
【００４１】
つまり、単結晶基板１の結晶面のうち基板表面に表出した結晶面の２つのバルク状態の格子定数と、誘電体薄膜２の結晶面のうち基板表面に接合する結晶面のバルク状態の格子定数が、誘電体薄膜２が正方晶となる使用温度域において、後述する所定の関係を満足するように、単結晶基板１と誘電体薄膜２を選択したものである。
【００４２】
誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜の作製には、液相エピタキシャル法、ＭＯＣＶＤ法及びスパッタ法を使用した。膜厚は、６μｍに固定し、基板の種類による違いを比較検討した。誘電体薄膜の組成は、室温で正方晶となる０．４５≦ｘ≦０．６１の中でｘ＝０．５６を選択した。別途育成したバルク単結晶のＸ線回折実験から、ＫＴａ0.56Ｎｂ0.44Ｏ３バルク単結晶は、室温で正方晶であり、格子定数はａ＝ｂ＝３．９９７Å、ｃ＝４．０６７Åであることを確認した。
【００４３】
異方格子の表出した正方晶もしくは斜方晶基板を使用した場合の効果は、斜方晶ＬａｙＮｄ１−ｙＧａＯ３（０．０≦ｙ≦０．３）基板を用いて検討した。ＬａｙＮｄ１−ｙＧａＯ３（０．０≦ｙ≦０．３）基板は、室温でａ＝ｂ＝３．８６１（ｙ＝０．０）〜３．８７９（ｙ＝０．３）Å、ｃ＝３．８５５（ｙ＝０．０）〜３．８３１（ｙ＝０．３）Åの格子定数を有している。ここで、ＫＴａ0.56Ｎｂ0.44Ｏ３バルク単結晶との比較のため、ＬａｙＮｄ１−ｙＧａＯ３基板は、擬立方晶の格子定数を示した。この格子定数から、ＬａｙＮｄ１−ｙＧａＯ３基板は擬立方晶の（１００）面もしくは（０１０）面を用いた場合、基板表面には直交した格子長３．８６１（ｙ＝０．０）〜３．８７９（ｙ＝０．３）Åと３．８５５（ｙ＝０．０）〜３．８３１（ｙ＝０．３）Åの格子配列が表出する。
【００４４】
従って、ＫＴａ0.56Ｎｂ0.44Ｏ３バルク単結晶とは、基板表面には直交した格子定数の長い方を選択し、２｜４．０６７−３．８６１｜／（４．０６７＋３．８６１）＝０．０５２（ｙ＝０．０）〜２｜４．０６７−３．８７９｜／（４．０６７＋３．８７９）＝０．０４７（ｙ＝０．３）の値を有している。ＬａｙＮｄ１−ｙＧａＯ３（０．０≦ｙ≦０．３）基板上に作製した誘電体ＫＴａ0.56Ｎｂ0.44Ｏ３薄膜は、室温でのＸ線回折によりｙ＝０．１３を境に分域の配向方向に変化が認められた。具体的には、０．０≦ｙ＜０．１３の範囲で、薄膜のｃ軸が基板面内に配向し、そのｃ軸が１８０度異なる２つの分域を有していた。
【００４５】
一方、０．１３≦ｙ≦０．３の範囲では、誘電体薄膜ｃ軸の基板面内配向が認められず、クラックの発生が確認できた。なお、ｙ＝０．１３のＬａ0.13Ｎｄ0.87ＧａＯ３基板は、誘電体ＫＴａ0.56Ｎｂ0.44Ｏ３バルク単結晶と、２｜４．０６７−３．８６９｜／（４．０６７＋３．８６９）＝０．０５の関係を有している。
【００４６】
作製した誘電体薄膜素子は、上述した誘電体薄膜ｃ軸の基板面内配向状態に対応した特性の優劣が存在した。具体的には、誘電体薄膜ｃ軸が基板面内配向し、１８０度異なる２つの分域に分域方向が限定された誘電体薄膜素子が、バルクから予測される設計特性に近い特性を発現できた。
【００４７】
以上の実験結果から、誘電体薄膜ｃ軸の基板面内配向に必要な関係は、２｜Ｙｆ−Ｙ｜／（Ｙｆ＋Ｙ）＜＋０．０５であり、２｜Ｙｆ−Ｙ｜／（Ｙｆ＋Ｙ）＝０以外であれば、配向に必要な応力が発生するから、０．００＜２｜Ｙｆ−Ｙ｜／（Ｙｆ＋Ｙ）＜＋０．０５と結論することができた。
【００４８】
また、基板として、正方晶Ｋ２Ｔａ４Ｏ１１単結晶の表面に異方格子が表出した基板も用いた。正方晶Ｋ２Ｔａ４Ｏ１１の格子定数は、室温でａ＝ｂ＝３．１４４Å、ｃ＝３．９６９Åであり、基板面として（１００）面もしくは（０１０）面を使用した。この場合、２｜Ｙｆ−Ｙ｜／（Ｙｆ＋Ｙ）は、２｜４．０６７−３．９６９｜／（４．０６７＋３．９６９）＝０．０２である。上述したＬａｙＮｄ１−ｙＧａＯ３（０．０≦ｙ≦０．１３）基板の場合と同様に、誘電体薄膜ｃ軸の基板面内配向が認められ、１８０度異なる２つの分域に分域方向が限定された誘電体薄膜素子が、バルクから予測される設計特性に近い特性を実現できた。
【００４９】
立方晶基板を使用した場合の効果は、立方晶ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．６１≦ｘ≦１．０）基板と立方晶ＭｇＡｌ２Ｏ４基板と立方晶ＭｇＯ基板を用いて検討した。ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．６１≦ｘ≦１．０）基板とＭｇＡｌ２Ｏ４基板とＭｇＯ基板は、それぞれ室温で、ａ＝ｂ＝ｃ＝３．９８９（ｘ＝１．０）〜３．９９４（ｘ＝０．６１）Å、ａ＝ｂ＝ｃ＝８．０８６Å、ａ＝ｂ＝ｃ＝４．２１１Åの格子定数である。ＭｇＡｌ２Ｏ４基板については、ＫＴａ0.56Ｎｂ0.44Ｏ３バルク単結晶との比較のため、基板表面の結晶格子として格子定数の２分の１、すなわち、ａ／２＝ｂ／２＝ｃ／２＝４．０４３Åを使用した。
【００５０】
上述した格子定数から、ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．６１≦ｘ≦１．０）基板とＭｇＡｌ２Ｏ４基板とＭｇＯ基板の（１００）面を用いた場合、それぞれ、基板表面には直交した格子長３．９８９（ｘ＝１．０）〜３．９９４（ｘ＝０．６１）Å、４．０４３Å、４．２１１Åの格子配列が表出する。また、ＫＴａ0.56Ｎｂ0.44Ｏ３バルク単結晶とは、ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．６１≦ｘ≦１．０）基板の場合、２｜３．９９７−３．９８９｜／（３．９９７＋３．９８９）＝０．００２（ｘ＝１．０）〜２｜３．９９７−３．９９４｜／（３．９９７＋３．９９４）＝０．００１（ｘ＝０．６１）、ＭｇＡｌ２Ｏ４基板の場合、２｜３．９９７−４．０４３｜／（３．９９７＋４．０４３）＝０．０１１、ＭｇＯ基板の場合、２｜３．９９７−４．２１１｜／（３．９９７＋４．２１１）＝０．０５２の値を有している。ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３基板とＭｇＡｌ２Ｏ４基板上に作製した誘電体ＫＴａ0.56Ｎｂ0.44Ｏ３薄膜は、Ｘ線回折により室温においてｃ軸が基板面に垂直に配向しており、そのｃ軸長は、基板からの応力によりバルク単結晶のｃ軸長より伸縮していることを確認した。
【００５１】
また、顕微鏡観察により、ｃ軸が１８０°異なる二つの分域を有していた。一方、ＭｇＯ基板上に作製した誘電体ＫＴａ0.56Ｎｂ0.44Ｏ３薄膜は、Ｘ線回折により室温においてｃ軸が基板面に垂直に配向しており、そのｃ軸長は、基板からの応力によりバルク単結晶のｃ軸長より収縮していることを確認した。しかしながら、ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３基板やＭｇＡｌ２Ｏ４基板の場合と異なり、クラックの発生が確認できた。従って、ＭｇＯ基板の場合、結晶品質劣化につながる過度の応力が膜に印加されていることが判明した。
【００５２】
作製した誘電体薄膜素子は、上述したクラックの有無に対応した特性の優劣が存在した。クラックのないＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．６１≦ｘ≦１．０）基板もしくはＭｇＡｌ２Ｏ４基板を用いた誘電体薄膜素子が、バルクから予測される設計特性に近い特性を発現できた。
【００５３】
以上の実験結果から誘電体薄膜にクラックの発生しない関係は、ＭｇＯの結果を除外し、２｜Ｘｆ−Ｘ｜／（Ｘｆ＋Ｘ）＜＋０．０５であり、２｜Ｘｆ−Ｘ｜／（Ｘｆ＋Ｘ）＝０以外であれば、相転移時の分極配向に必要な応力が発生するから、０．００＜２｜Ｘｆ−Ｘ｜／（Ｘｆ＋Ｘ）＜＋０．０５と結論することができた。
【００５４】
なお、正方格子の表出する正方晶の（００１）面は、立方晶の（１００）面、（０１０）面、（００１）面と等価に基板表面に正方格子が表出するから、同様の結果が得られることは言うまでもない。
【実施例２】
【００５５】
図５は、本発明の誘電体薄膜素子の実施例２を説明するための構成図で、符号１１は基板、１２は誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜、１３はバッファ層（薄膜）を示している。
【００５６】
実施例２の誘電体薄膜素子は、基板１１と、この基板１１上に設けられた、表面に異方格子の表出した正方晶もしくは斜方晶、正方格子の表出した立方晶もしくは正方晶のバッファ層１３と、このバッファ層１３上に設けられたＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜１２とから構成されている。
【００５７】
つまり、バッファ層１３の結晶面のうちバッファ層表面に表出した結晶面の２つのバルク状態の格子定数と、誘電体薄膜１２の結晶面のうちバッファ薄膜表面に接合する結晶面のバルク状態の格子定数が、誘電体薄膜１２が正方晶となる使用温度域において所定の関係を満足するように、バッファ層１３と誘電体薄膜１２を選択したものである。
【００５８】
表面に異方格子の表出した正方晶もしくは斜方晶、正方格子の表出した立方晶もしくは正方晶の単結晶基板に代えて、基板上に表面に異方格子の表出した正方晶もしくは斜方晶、正方格子の表出した立方晶もしくは正方晶のバッファ層１３を形成した基板１１を用いて、誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜１２を作製した。作製した誘電体薄膜素子は、図３を用いて説明した実施例１と同様の結果が得られ、実施例１で述べたのと同様な効果を発現した。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）バルク結晶における立方晶−正方晶移転時の分域形成の概念図で、（ａ）は立方晶、（ｂ）は正方晶を示している。
【図２】誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜における立方晶−正方晶移転時の分域発生の概念図（基板表面の結晶格子に異方性がある場合）で、（ａ）は立方晶、（ｂ）は正方晶を示している。
【図３】誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜における立方晶−正方晶移転時の分域発生の概念図（基板表面の結晶格子が正方格子である場合）で、（ａ）は立方晶、（ｂ）は正方晶を示している。
【図４】本発明の誘電体薄膜素子の実施例１を説明するための構成図である。
【図５】本発明の誘電体薄膜素子の実施例２を説明するための構成図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  単結晶基板
２，１２  誘電体ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０．０≦ｘ≦１．０）薄膜
１１  基板
１３  バッファ層
２１  基板表面の結晶格子
２２  ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３薄膜の結晶格子
【図１】
2005311197.tif 000003
【図２】
2005311197.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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