(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１００）面方位の単結晶シリコン基板上に、上記単結晶シリコン基板自身の表面からなる第１の領域と、上記単結晶シリコン基板上に（１００）面方位に優先配向またはエピタキシャル成長した酸化セリウム層からなる第２の領域とを有し、
上記第１の領域の上記単結晶シリコン基板上に半導体レーザーがエピタキシャル成長により形成され、または、原子層接着されており、上記第２の領域の上記酸化セリウム層上に光変調素子および光検出素子がエピタキシャル成長により形成されており、
上記光変調素子および上記光検出素子は導電性酸化物からなる下部電極上の強誘電性、圧電性または焦電性酸化物薄膜を含み、
上記強誘電性、圧電性または焦電性酸化物薄膜が、ペロブスカイト型結晶構造、イルメナイト型結晶構造またはＧｄＦｅＯ3 型結晶構造を有する（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｐｂ，Ｍｇ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｎａ，Ｋ，Ｙ，Ｓｂ，Ｌｉ，Ｌｎ）（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｓｎ，Ｔｈ，Ｃｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ｇａ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｐｂ）Ｏ3 （ただし、Ｂａ＋Ｓｒ＋Ｃａ＋Ｐｂ＋Ｍｇ＋Ｂｉ＋Ａｇ＋Ｎａ＋Ｋ＋Ｙ＋Ｓｂ＋Ｌｉ＋Ｌｎ＝１、Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ｓｎ＋Ｔｈ＋Ｃｅ＋Ｒｕ＋Ｒｈ＋Ｉｒ＋Ｃｕ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｎｂ＋Ｔａ＋Ｓｂ＋Ｂｉ＋Ｐｂ＝１）からなる（００１）面方位の酸化物薄膜、または、ペロブスカイト型結晶構造、イルメナイト型結晶構造またはＧｄＦｅＯ3 型結晶構造を有する（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｐｂ，Ｍｇ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｎａ，Ｋ，Ｙ，Ｓｂ，Ｌｉ，Ｌｎ）（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｓｎ，Ｔｈ，Ｃｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ｇａ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｐｂ）Ｏ3 （ただし、Ｂａ＋Ｓｒ＋Ｃａ＋Ｐｂ＋Ｍｇ＋Ｂｉ＋Ａｇ＋Ｎａ＋Ｋ＋Ｙ＋Ｓｂ＋Ｌｉ＋Ｌｎ＝１、Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ｓｎ＋Ｔｈ＋Ｃｅ＋Ｒｕ＋Ｒｈ＋Ｉｒ＋Ｃｕ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｎｂ＋Ｔａ＋Ｓｂ＋Ｂｉ＋Ｐｂ＝１）からなる二種類以上の（００１）面方位の酸化物薄膜からなる酸化物人工超格子によって構成されている光集積化酸化物装置。
【請求項２】
上記光変調素子の上記強誘電性、圧電性または焦電性酸化物薄膜が（００１）面方位のＰＬＺＴ薄膜によって構成され、上記光検出素子の上記強誘電性、圧電性または焦電性酸化物薄膜が（００１）面方位のＰｂＴｉＯ3 薄膜によって構成されている請求項１記載の光集積化酸化物装置。
【請求項３】
上記半導体レーザーはＧａＡｓ系半導体レーザー、ＺｎＳｅ系半導体レーザー、ＧａＮ系半導体レーザーまたはＺｎＯ系半導体レーザーである請求項１記載の光集積化酸化物装置。
【請求項４】
（１００）面方位の単結晶シリコン基板上に、上記単結晶シリコン基板自身の表面からなる第１の領域と、上記単結晶シリコン基板上に（１００）面方位に優先配向またはエピタキシャル成長した酸化セリウム層からなる第２の領域とを形成する工程と、
上記第１の領域の上記単結晶シリコン基板上に半導体レーザーをエピタキシャル成長により形成し、または、原子層接着する工程と、
上記第２の領域の上記酸化セリウム層上に、導電性酸化物からなる下部電極上の強誘電性、圧電性または焦電性酸化物薄膜を含み、上記強誘電性、圧電性または焦電性酸化物薄膜が、ペロブスカイト型結晶構造、イルメナイト型結晶構造またはＧｄＦｅＯ3 型結晶構造を有する（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｐｂ，Ｍｇ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｎａ，Ｋ，Ｙ，Ｓｂ，Ｌｉ，Ｌｎ）（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｓｎ，Ｔｈ，Ｃｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ｇａ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｐｂ）Ｏ3 （ただし、Ｂａ＋Ｓｒ＋Ｃａ＋Ｐｂ＋Ｍｇ＋Ｂｉ＋Ａｇ＋Ｎａ＋Ｋ＋Ｙ＋Ｓｂ＋Ｌｉ＋Ｌｎ＝１、Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ｓｎ＋Ｔｈ＋Ｃｅ＋Ｒｕ＋Ｒｈ＋Ｉｒ＋Ｃｕ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｎｂ＋Ｔａ＋Ｓｂ＋Ｂｉ＋Ｐｂ＝１）からなる（００１）面方位の酸化物薄膜、または、ペロブスカイト型結晶構造、イルメナイト型結晶構造またはＧｄＦｅＯ3 型結晶構造を有する（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｐｂ，Ｍｇ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｎａ，Ｋ，Ｙ，Ｓｂ，Ｌｉ，Ｌｎ）（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｓｎ，Ｔｈ，Ｃｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ｇａ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｐｂ）Ｏ3 （ただし、Ｂａ＋Ｓｒ＋Ｃａ＋Ｐｂ＋Ｍｇ＋Ｂｉ＋Ａｇ＋Ｎａ＋Ｋ＋Ｙ＋Ｓｂ＋Ｌｉ＋Ｌｎ＝１、Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ｓｎ＋Ｔｈ＋Ｃｅ＋Ｒｕ＋Ｒｈ＋Ｉｒ＋Ｃｕ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｎｂ＋Ｔａ＋Ｓｂ＋Ｂｉ＋Ｐｂ＝１）からなる二種類以上の（００１）面方位の酸化物薄膜からなる酸化物人工超格子によって構成されている光変調素子および光検出素子をエピタキシャル成長により形成する工程とを有する光集積化酸化物装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はシリコン機能性母体基板および光集積化酸化物装置に関し、特に、シリコン上で展開される光集積化酸化物エレクトロニクスに適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物薄膜材料は、１９８６年に報告された高温超伝導酸化物に端を発し((1)Z. Phys. B.,64,189-193(1986)) 、この数年で驚異的に発展してきていることは周知の事実である（例えば、(2)MRS Bulletin,XVII,No.8,16-54(1992) 、(3)MRS
Bulletin,XIX,No.9,21-55(1994)）。
【０００３】
一方、１９５０年代の一時期に精力的に研究されながら、強誘電体薄膜の界面制御の難しさなどにより産業に浸透しなかった、強誘電体を用いたメモリデバイス（例えば、(4)Electrical Engineering,71,916-922(1952)、(5)Bell Labs. Record,33,335-342(1955))が、最近、強誘電体不揮発性メモリとして新たに脚光を浴びるようになり、その研究開発が急速に展開されてきている。この強誘電体不揮発性メモリの現状については、詳細に報告されている（例えば、(6)Appl. Phys. Lett.,48,1439-1440(1986) 、(7) 米国特許第４７１３１５７号、(8)IEDM Tech. Dig.,850-851(1987)、(9)IEEE J. Solid State Circuits,23,1171-1175(1988)、(10)Tech. Dig. ISSCC 88,130-131(1988) 、(11)応用物理、第62巻、第12号、1212-1215(1993) 、(12)エレクトロニク・セラミクス、第24巻、７月号、6-10(1993)、(13)電子材料、第33巻、第８号（1994)(「強誘電体薄膜の不揮発性メモリへの応用」特集号) 、(14)セラミックス、第27巻、720-727(1992))。
【０００４】
また、酸化物超伝導デバイス（文献(2) および(3) を参照) は当然のことながら、酸化物非線形光学素子などの応用についても同様に、近年多くの研究開発が行われていることは、周知の通りである。しかしながら、超伝導デバイスや強誘電体不揮発性メモリの分野が著しく発展してきている一方で、光学素子の分野では、依然としてバルク材料が使用されるなど、シリコンデバイスで使用されているようなリソグラフィー技術との融合は図られてこなかった。
【０００５】
これに対し、本発明者は、シリコン上への酸化物のエピタキシャル薄膜の重要性が、上述の超伝導デバイスや強誘電体不揮発性メモリだけに限ることではないことに以前より着目し、これまでに、シリコン基板上に酸化物薄膜を積層させた酸化物積層構造およびこれを用いた強誘電体不揮発性メモリについていくつかの報告または提案をしてきている（(15)特開平８−３３０５４０号公報、(16)特開平８−３３５６７２号公報、(17)特開平８−３４００８７号公報、(18)特願平８−３３６１５８号、(19)J. Ceram. Soc. Japan. Int. Edition,103,1088-1099(1995)、(20)Mater. Sci. Eng. B.,41,166-173(1966)）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方、光集積化酸化物エレクトロニクスにおいては、半導体レーザーなどの半導体発光素子を酸化物光学素子などの酸化物素子とともに同一基板上に集積化する必要があるが、本発明者の知る限り、これまでは、その具体的なデバイス構造についてはほとんど報告されておらず、特に、酸化物をエピタキシャル成長させることにより酸化物素子を形成した光集積化酸化物装置についての報告は皆無であるといってよい。
【０００７】
したがって、この発明の目的は、酸化物光学素子、強誘電体不揮発性メモリ、酸化物超伝導デバイスなどの酸化物素子と半導体レーザーなどの半導体発光素子とを同一基板上に最適構造でしかも高密度で集積化することができるシリコン機能性母体基板およびこのシリコン機能性母体基板を用いた光集積化酸化物装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記目的を達成すべく、酸化物光学素子、強誘電体不揮発性メモリ、酸化物超伝導デバイスなどの酸化物素子と半導体レーザーなどの半導体発光素子とを同一基板上に集積化する場合に最適な構造、材料系、プロセスなどについて詳細な検討を行った。以下にその概要を述べる。
【０００９】
まず、基板としては、半導体メモリーの基本材料として使用実績があり、安価かつ入手容易で結晶性にも優れた単結晶シリコン基板が選択される。
【００１０】
次に、単結晶シリコン基板上に酸化物素子を形成するためには、単結晶シリコン基板上に酸化物薄膜をエピタキシャル成長させることが好ましいが、酸化物薄膜を単結晶シリコン基板上に直接エピタキシャル成長させることは一般には難しい。そこで、単結晶シリコン基板上にまず、この単結晶シリコン基板と格子整合する材料からなるバッファ層をエピタキシャル成長または優先配向させ、その上にこのバッファ層と格子整合する酸化物薄膜をエピタキシャル成長させることを考える。このようにすることにより、広範囲の酸化物の中から、形成する酸化物素子に最適な材料を選択することができる。このバッファ層は、その上に酸化物薄膜をエピタキシャル成長させることができるようにするためには、酸化物からなるものが好ましい。ここで、この酸化物からなるバッファ層は、単結晶シリコン基板上に直接エピタキシャル成長させることができることが好ましい。
【００１１】
このような単結晶シリコン基板上に直接エピタキシャル成長可能な酸化物材料としては、表１に示すように、現在、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化セリウム（セリア）（ＣｅＯ2 ）、α型アルミナ（α−Ａｌ2 Ｏ3 ）、イットリウム安定化ジルコニウム（ＹＳＺ）およびマグネシウム・アルミニウム・スピネル（ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ）の五種類に限られている。もちろん、これ以外の酸化物が単結晶シリコン基板上に直接エピタキシャル成長しないことが明らかとなっているわけではなく、これ以外に直接エピタキシャル成長可能なものがある可能性はある。表１には、酸化物結晶の格子定数（ａ、ｃ）および熱膨張率（α）を示してある（いくつかのデータはF.S.Galasso 著「Structure and Properties of Inorganic Solids」（Int.Series of Monographs in Solid State Physics, Vol.7）に記載されているものを用いた）。なお、シリコン（Ｓｉ）の格子定数および熱膨張率は、それぞれａ＝０．５４３０８８４ｎｍおよびα＝３．０×１０-6／Ｋである。
【００１２】
【表１】
0004221765.tif 000002
【００１３】
上述の五種類の酸化物材料、すなわちＭｇＯ、ＣｅＯ2 、α−Ａｌ2 Ｏ3 、ＹＳＺおよびＭｇＡｌ2 Ｏ4 の中で、その構成元素の拡散による問題が少ないことや、その上へのペロブスカイト型酸化物のエピタキシャル成長の可能性が高いことなどにより最も有力なのがＣｅＯ2 およびＭｇＡｌ2 Ｏ4 である。ところが、この両者には一長一短がある。図１に、これらのＣｅＯ2 およびＭｇＡｌ2 Ｏ4 の格子定数の温度依存性をＳｉの格子定数の温度依存性とともに示す。
【００１４】
図１より、単結晶シリコン基板（ただし、面方位は（１００））との格子整合の観点からは断然、ＣｅＯ2 の方がＭｇＡｌ2 Ｏ4 よりも優れている。しかしながら、格子整合した場合の結晶学的積層配置に関しては、図２および図３に示すように、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 では、その上へのペロブスカイト型酸化物（ＡＢＯ3 ）のエピタキシャル成長が非常に容易であるが、ＣｅＯ2 に関しては大きな技術上の壁が存在していた。
【００１５】
すなわち、従来は、Ｓｉ（１００）上でもＣｅＯ2 （１００）はエピタキシャル成長せず、ＣｅＯ2 （１１０）がエピタキシャル成長すると多くの論文で報告されている。実際にこれらの論文のうちＣｅＯ2 に関係するもののほとんどが、ＣｅＯ2 （１１０）／Ｓｉ（１００）構造しか得られないという結果を示している（(21)Appl. Phys. Lett.,59,3604-3606(1991)) 。したがって、この結晶学的積層配置では、まず、その上にペロブスカイト型酸化物を（１００）面方位にエピタキシャル成長させることは難しいと考えられる。
【００１６】
しかしながら、本発明者らは最近、ＣｅＯ2 （１００）／Ｓｉ（１００）の高配向膜をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法で作製することに成功した。この研究内容についてはすでに報告されている（(18)特願平８−３３６１５８号、(22)3rd TIT International Symposium on Oxide Electronics(Yokohama,Dec.18-20,1996) 、(23)特願平８−３３７２４１号）。
【００１７】
したがって、本発明者の知見によれば、ＣｅＯ2 （１００）／Ｓｉ（１００）の実現に技術的な障害はほとんど存在しないと言える。この結果、図４に示すように、ＣｅＯ2 （１００）上にペロブスカイト型酸化物のＡＢＯ3 （１００）を結晶学的に完全にエピタキシャル成長させることが可能となった。
【００１８】
このような背景から、特願平８−３３６１５８号において本発明者が提案したＣｅＯ2 （１００）／Ｓｉ（１００）構造およびその製造方法が重要になる。この技術は、単結晶シリコン基板上に酸化物素子を集積化する場合に、十分に活かされるはずである。
【００１９】
一方、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 に関しては、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜は、ＧａＡｓ系半導体レーザー、ＧａＮ系半導体レーザー、ＺｎＯ系半導体レーザーなどを単結晶シリコン基板上に搭載する際の良好な下地となるので、これを使用すれば、後述のような原子層接着を行わずに、薄膜の成長のみで単結晶シリコン基板上に集積化する全ての素子を形成することが可能である。
【００２０】
次に、酸化物素子の上部電極についてであるが、一般には強誘電体に対する電極として白金（Ｐｔ）電極が知られている（例えば、(24)J. Appl. Phys.,70,382-388(1991))。このＰｔ電極を用いた強誘電体不揮発性メモリの代表例に、ＰＺＴ薄膜を一対のＰｔ電極間にはさんだ構造を有するＦｅＲＡＭがあるが、Ｐｔ電極のはがれが起きやすかったり、経時変化を示すいわゆるファティーグ特性が悪いものが多かった。これは、Ｐｔ電極との界面の近傍におけるＰＺＴ薄膜の酸素欠損や、ＰＺＴの自発分極値が大きいこと、すなわち格子変位量が大きいことに由来する結合力の疲労などの因子が複雑に絡んで起こるものと考えられている（例えば、(25)J. Appl. Phys.,70,382-388(1991))。
【００２１】
また、Ｐｔはその加工性にも問題があるだけでなく、界面の酸素欠損防止の面からも次に述べる酸化物電極群が注目されている。
【００２２】
すなわち、例えば、強誘電体不揮発性メモリ用の電極として、ＳｒＲｕＯ3 電極に関して多くの研究がなされている（(26)Science,258,1766-1769(1992) 、(27)Mater. Res. Soc. Symp. Proc.,310,145-150(1993)、(28)Appl. Phys. Lett.,63,2570-2572(1993)、(29)Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 341,229-240 (1993)、(30)E6.8, MRS Fall Meeting at Boston (Nov.28,1995)、(31)Appl. Phys. Lett., 66, 2197-2199 (1995))。
【００２３】
また、同じく強誘電体不揮発性メモリ用の電極として、ＬａＳｒＣｏＯ3 電極についても多くの研究がなされている（(32)Appl. Phys. Lett.,63,3592-3594(1993)、(33)Appl. Phys. Lett.,64,1588-1590(1994)、(34)Appl. Phys. Lett.,64,2511-2513(1994)、(35)Appl. Phys. Lett.,66,1337-1339(1995)) 。
【００２４】
さらに、同じく強誘電体不揮発性メモリ用の電極として、ＹＢＣＯ相やＬＳＣＯ相などの超伝導酸化物電極についても多くの研究がなされている（(36)Science,252,944-946(1991) 、(37)Appl. Phys. Lett.,61,1537-1539(1992)、(38)Appl. Phys. Lett.,63,27-29(1993)、(39)Appl. Phys. Lett.,63,30-32(1993)、(40)J. Am. Ceram. Soc.,76,3141-3143(1993) 、(41)Appl. Phys. Lett.,64,1050-1052(1994)、(42)Appl. Phys. Lett.,64,3646-3648(1994)、(43)Appl. Phys. Lett.,66,2493-2495(1995)、(44)Appl. Phys. Lett.,64,3181-3183(1994)、(45)Appl. Phys. Lett.,66,2069-2071(1995)、(46)Appl. Phys. Lett.,67,554-556(1995)、(47)J. Appl. Phys.,77,6466-6471(1995) 、(48)J. Appl. Phys.,78,4591-4595(1995) 、(49)5th Int. Supercond. Ele.Conf./ISEC'95(Sept.18-21,Nagoya,Japan)(1995)pp.246-248、(50)Jpn. J. Appl. Phys.,33,5182-5186(1994)、(51)Physica C,235-240,739-740(1994) 、(52)Appl. Phys. Lett.,66,299-301(1995)、(53)Appl. Phys. Lett.,66,1172-1174(1995)、(54)Appl. Phys. Lett.,67,58-60(1995)) 。
【００２５】
特に、電極材料として、強誘電体層と同じペロブスカイト関連構造を有する導電性酸化物を使用すれば、残留分極値の向上（例えば、(55)Mater. Res. Soc. Symp. Proc.,401,139-149(1996)) だけでなく、ファティーグ特性の回復および向上も図ることができることが報告されている（例えば、(56)Jpn. J. Appl. Phys.,33,5207(1994))。
【００２６】
しかしながら、上述の強誘電体不揮発性メモリや酸化物超伝導デバイス、さらにはＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 、ＫＴａ1-x Ｎｂx Ｏ3 などを用いた酸化物光学素子などのこれまでの研究開発（例えば、(57)Mater. Res. Soc. Symp. Proc.,341,253(1994)、(58)Mater. Res. Soc. Symp. Proc.,341,265(1994)）では、それらの基板に関する考察がほとんどなされておらず、問題があった。実際に、例えば酸化物光学素子は、これまではほとんど単体のものであり、単結晶シリコン基板上に成長された膜を用いたものに関しては、ほとんど知られていないのが現状である。また、強誘電体バルク単結晶の物性値はほとんど知られており、バルク材料として新たな物性を今後見い出すのは極めて難しい状況にある。しかしながら、この発明におけるようなエピタキシャル単結晶化の技術思想の下では、電極に酸化物を使用することにより、より一層強調させることになると考えられるが、膜面内に二次元的な圧縮応力（ＧＰａ級）が生じるため、従来知られていないような、光偏向、光変調、高調波（２倍波、３倍波など）、あるいは、ラマンナース散乱などの超音波物性などの非線形効果を引き出し得る可能性を秘めている。
【００２７】
このような背景から、単結晶シリコン基板上に酸化物薄膜を積層していく途中あるいは最終段階で、電極として導電性酸化物薄膜を積極的に使用することが考えられるわけである（文献(15)〜(20)を参照) 。
【００２８】
さて、酸化物素子の電極材料としての導電性酸化物については、ペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物には多くの導電性酸化物群があり、これら全てがその候補と言える。これらの導電性酸化物のうち、一般式ＡＢＯ3 で表される単純ペロブスカイト型酸化物の具体例を挙げると、下記の通りである。
【００２９】
【化１】
0004221765.tif 000003
【００３０】
【化２】
0004221765.tif 000004
【００３１】
【化３】
0004221765.tif 000005
【００３２】
【化４】
0004221765.tif 000006
【００３３】
【化５】
0004221765.tif 000007
【００３４】
【化６】
0004221765.tif 000008
【００３５】
【化７】
0004221765.tif 000009
【００３６】
また、導電性酸化物のうち層状ペロブスカイト型酸化物としては、
【００３７】
【化８】
0004221765.tif 000010
【００３８】
が挙げられる。その具体例をいくつか挙げると、ＳｒＲｕＯ3 、ＳｒＩｒＯ3 、Ｓｒ2 ＲｕＯ4 、Ｓｒ2 ＩｒＯ4 などである。
【００３９】
層状ペロブスカイト型酸化物としては、これらのほかに例えばＢａ2 ＲｕＯ4 などもある。
【００４０】
電極材料としては、上に挙げたもののほかに、いわゆる高温超伝導酸化物も候補と考えられる。その具体例をいくつか挙げると、下記の通りである。
【００４１】
【化９】
0004221765.tif 000011
【００４２】
【化１０】
0004221765.tif 000012
【００４３】
【化１１】
0004221765.tif 000013
【００４４】
【化１２】
0004221765.tif 000014
【００４５】
【化１３】
0004221765.tif 000015
【００４６】
このように、電極材料としては実に多くの候補があるが、このうち特に興味深いのは、その非拡散性によるＳｒ−Ｒｕ（Ｉｒ）−Ｏ系および超伝導酸化物群である。前者では、ＳｒＲｕＯ3 、Ｓｒ2 ＲｕＯ4 、ＳｒＩｒＯ3 、Ｓｒ2 ＩｒＯ4 などがそのペロブスカイト型結晶構造のコヒーレンシーを維持し、拡散も少ないことから最良の電極材料の一つである。後者の超伝導酸化物を電極として使用した場合、動作温度が超伝導転移温度以下であればサイズ効果を少なくし得るという報告もあり、今後に期待がもてる材料である（(59)Phys. Solid State,36,1778-1781(1994)) 。
【００４７】
特に、（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4-d 、すなわちいわゆるＴ´相は、本発明者らによって、Ｎｄ2 ＣｕＯ4 からなる母体材料へのＣｅ固溶と酸素欠陥との導入により超伝導になることが発見された物質でもあり（例えば、(60)特許第２５６９７８０号）、高真空を要するデバイスプロセスには好適な材料系である。
【００４８】
次に、ＣｅＯ2 からなるバッファ層上に積層される強誘電性酸化物薄膜材料に関しては、格子定数がＣｅＯ2 の格子定数に近いこと、ペロブスカイト関連結晶構造を有していること、誘電率が高い、あるいは強誘電性に優れていること、そして、現実的な問題ではあるが、下地であるＣｅＯ2 からなるバッファ層との間で拡散の問題が生じないこと、の四点を満足する必要がある。これに関しては、多くのペロブスカイト型誘電性酸化物ＡＢＯ3 がこれらの諸条件を満足し得ると考えられる。このことは上述の通りである。
【００４９】
特に、シリコン上に基本結晶学的積層配置ＡＢＯ3 （００１）／ＣｅＯ2 （１００）／Ｓｉ（１００）を実現し得ることは、後述するいくつかの種類の強誘電体不揮発性メモリに十分適合するものであるだけでなく、これによって、多くの利点が得られる。
【００５０】
さらに、ＡＢＯ3 （００１）／ＣｅＯ2 （１００）の界面を良好なものにすることが、電気的に問題となるトラップを生じさせないためにも必要であるという観点から、これらの界面に、第２のバッファ層として、同じペロブスカイト型結晶構造を有し、しかもＢサイトがＣｅで占められている物質、すなわちＲＣｅＯ3 （Ｒ＝Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｐｂ，Ｍｇ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ａｇ，Ｎａ，Ｋ，Ｙ，Ｌｎ）を形成すれば、良好な界面を形成することができるはずである。これは格子整合の観点からも元素拡散の観点からも支持される材料設計である。このようなより改善されたＳｉ上の基本結晶学的積層配置はＡＢＯ3 （００１）／ＲＣｅＯ3 （００１）／ＣｅＯ2 （１００）／Ｓｉ（１００）となる。この積層配置は、ＣｅＯ2 からなるバッファ層の最表面に最初に堆積させる元素をＲ原子とすることにより実現することができる。その際、あまりＲ原子のみを堆積させすぎないことが肝要であり、また、適度な基板温度あるいは熱処理温度により、Ｃｅ原子の拡散を促進させることも重要である。
【００５１】
次に、半導体レーザーなどの半導体発光素子を単結晶シリコン基板上に搭載する技術としては、まず第１に、その搭載部位における単結晶シリコン基板の表面を清浄化しておき、この清浄化された領域上に半導体層を直接エピタキシャル成長させて半導体発光素子を形成する方法がある。単結晶シリコン基板上に半導体層を直接エピタキシャル成長させるのが難しければ、第２の方法として、原子層接着技術により半導体発光素子を単結晶シリコン基板上に接着する方法がある。
【００５２】
この原子層接着技術（圧縮接合ともいう）について説明する。この技術は最近注目されつつある技術である（例えば、(61)機械技術研究所報Vol.50(1996)No.3,53-58、(62)日本金属学会誌、第55巻、第９号、1002-1010(1991) 、(63)エレクトロニク・セラミクス、第22巻、第113 号、20-26(1991))。この技術は二つの物体を接着剤なしに強固に接着することができる方法であり、簡単に言うと、高真空中で、両者の接合面を一旦アルゴンイオンなどでイオンミリング（イオンエッチング）することにより清浄表面を出し、高真空中で両者をゆっくりと目的の位置に位置決めして圧着するものであり、この圧着によって、一方の物体の最表面原子層にある原子の結合が他方の物体の最表面原子層にある原子の結合手と結び付き、通常の原子間力以上に強固の力で接合されるというものである。この原子層接着のためには、蒸着機やスパッタリング装置、あるいは分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置などの高真空または超高真空装置が必要であり、さらに、内部に位置合わせを行うことができる工夫が施されていること、イオンエッチングを同時に行うことができることが必要不可欠である。この原子層接着技術によれば、あらかじめ形成された半導体発光素子を単結晶シリコン基板上の所望の部位に搭載することができる。
【００５３】
この発明は、本発明者による上記考察に基づいて、案出されたものである。
【００５４】
すなわち、上記目的を達成するために、この発明の第１の発明は、
単結晶シリコン基板上に、単結晶シリコン基板自身の表面からなる第１の領域と、単結晶シリコン基板上に（１００）面方位に優先配向またはエピタキシャル成長した酸化セリウム層からなる第２の領域とを有する
ことを特徴とするシリコン機能性母体基板である。
【００５５】
この発明の第２の発明は、
単結晶シリコン基板上に、単結晶シリコン基板自身の表面からなる第１の領域と、単結晶シリコン基板上に（１００）面方位に優先配向またはエピタキシャル成長したマグネシウム・アルミニウム・スピネル層からなる第２の領域とを有する
ことを特徴とするシリコン機能性母体基板である。
【００５６】
この発明の第３の発明は、
単結晶シリコン基板上に酸化セリウム層が（１００）面方位に優先配向またはエピタキシャル成長し、酸化セリウム層上に部分的にマグネシウム・アルミニウム・スピネル層がエピタキシャル成長している
ことを特徴とするシリコン機能性母体基板である。
【００５７】
この発明の第４の発明は、
単結晶シリコン基板上に酸化セリウム層が（１００）面方位に優先配向またはエピタキシャル成長し、酸化セリウム層上にマグネシウム・アルミニウム・スピネル層がエピタキシャル成長している
ことを特徴とするシリコン機能性母体基板である。
【００５８】
この発明の第５の発明は、
単結晶シリコン基板上に、単結晶シリコン基板自身の表面からなる第１の領域と、単結晶シリコン基板上に（１００）面方位に優先配向またはエピタキシャル成長した酸化セリウム層からなる第２の領域とを有し、
第１の領域上に半導体発光素子がエピタキシャル成長により形成されている
ことを特徴とする光集積化酸化物装置である。
【００５９】
この発明の第６の発明は、
単結晶シリコン基板上に、単結晶シリコン基板自身の表面からなる第１の領域と、単結晶シリコン基板上に（１００）面方位に優先配向またはエピタキシャル成長したマグネシウム・アルミニウム・スピネル層からなる第２の領域とを有し、
第１の領域上に半導体発光素子がエピタキシャル成長により形成されている
ことを特徴とする光集積化酸化物装置である。
【００６０】
この発明の第７の発明は、
単結晶シリコン基板上に、単結晶シリコン基板自身の表面からなる第１の領域と、単結晶シリコン基板上に（１００）面方位に優先配向またはエピタキシャル成長した酸化セリウム層からなる第２の領域とを有し、
第１の領域上に半導体発光素子が原子層接着されている
ことを特徴とする光集積化酸化物装置である。
【００６１】
この発明の第７の発明においては、典型的には、酸化セリウム層上に光変調素子および光検出素子のうちの少なくとも一方がエピタキシャル成長により形成される。
【００６２】
この発明の第８の発明は、
単結晶シリコン基板上に、単結晶シリコン基板自身の表面からなる第１の領域と、単結晶シリコン基板上に（１００）面方位に優先配向またはエピタキシャル成長したマグネシウム・アルミニウム・スピネル層からなる第２の領域とを有し、
第１の領域上に半導体発光素子が原子層接着されている
ことを特徴とする光集積化酸化物装置である。
【００６３】
この発明の第８の発明においては、典型的には、マグネシウム・アルミニウム・スピネル層上に光変調素子および光検出素子のうちの少なくとも一方がエピタキシャル成長により形成される。
【００６４】
この発明の第９の発明は、
単結晶シリコン基板上に酸化セリウム層が（１００）面方位に優先配向またはエピタキシャル成長し、酸化セリウム層上に部分的にマグネシウム・アルミニウム・スピネル層がエピタキシャル成長し、
マグネシウム・アルミニウム・スピネル層上に半導体発光素子がエピタキシャル成長により形成され、酸化セリウム層上に光変調素子および光検出素子のうちの少なくとも一方がエピタキシャル成長により形成されている
ことを特徴とする光集積化酸化物装置である。
【００６５】
この発明の第１０の発明は、
単結晶シリコン基板上に酸化セリウム層が（１００）面方位に優先配向またはエピタキシャル成長し、酸化セリウム層上にマグネシウム・アルミニウム・スピネル層がエピタキシャル成長し、
マグネシウム・アルミニウム・スピネル層上に半導体発光素子、光変調素子および光検出素子のうちの少なくとも二つがエピタキシャル成長により形成されている
ことを特徴とする光集積化酸化物装置である。
【００６６】
この発明において、単結晶シリコン基板は、好適には（１００）面方位であるが、第２および第６の発明においては（１１１）面方位であってもよい。
【００６７】
この発明において、光変調素子および光検出素子は、典型的には、強誘電性、圧電性または焦電性酸化物薄膜を含む。これらの強誘電性、圧電性または焦電性酸化物薄膜は、ペロブスカイト型結晶構造、イルメナイト型結晶構造またはＧｄＦｅＯ3 型結晶構造を有する（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｐｂ，Ｍｇ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｎａ，Ｋ，Ｙ，Ｓｂ，Ｌｉ，Ｌｎ）（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｓｎ，Ｔｈ，Ｃｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ｇａ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｐｂ）Ｏ3 （ただし、Ｂａ＋Ｓｒ＋Ｃａ＋Ｐｂ＋Ｍｇ＋Ｂｉ＋Ａｇ＋Ｎａ＋Ｋ＋Ｙ＋Ｓｂ＋Ｌｉ＋Ｌｎ＝１、Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ｓｎ＋Ｔｈ＋Ｃｅ＋Ｒｕ＋Ｒｈ＋Ｉｒ＋Ｃｕ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｎｂ＋Ｔａ＋Ｓｂ＋Ｂｉ＋Ｐｂ＝１）からなる酸化物薄膜によって構成してもよいし、これらのうちの二種類以上の酸化物薄膜からなる酸化物人工超格子によって構成してもよい。
【００６８】
この発明において、半導体発光素子は、典型的には半導体レーザーであり、具体的には、例えば、赤色発光のＧａＡｓ系半導体レーザー、青緑色発光のＺｎＳｅ系半導体レーザー、青色発光のＧａＮ系半導体レーザー、紫外ＺｎＯ系半導体レーザー（(64)23rd Int. Conf. on the Physics of Semiconductors,2,1453-1456(1996)、(65)第25回薄膜・表面物理セミナー（応用物理学会主催）、1997年７月24日〜25日、39-44)などである。これらのうちＧａＡｓ系半導体レーザーおよびＺｎＳｅ系半導体レーザーは、単結晶シリコン基板上へのエピタキシャル成長によって形成することは難しいので原子層接着技術により搭載するのが好ましいが、ＧａＮ系半導体レーザーおよびＺｎＯ系半導体レーザーは、単結晶シリコン基板上にエピタキシャル成長を行うことにより形成することができるので、それらを単結晶シリコン基板上に搭載するのに原子層接着技術を用いる必要は、必ずしもない。また、例えば、ＺｎＯ系半導体レーザーを単結晶シリコン基板上にエピタキシャル成長により形成する場合、（１００）面方位の単結晶Ｓｉ基板上に（０００１）面方位のサファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）薄膜をまずエピタキシャル成長させ、その上に（０００１）面方位のＺｎＯ薄膜をエピタキシャル成長させることができる。
【００６９】
この発明において、単結晶シリコン基板上の酸化セリウム層上にペロブスカイト型結晶構造のＡＢＯ3 層を成長させる場合、酸化セリウム層上に第２のバッファ層として同じペロブスカイト型結晶構造を有し、しかもＢサイトがＣｅであるような物質であるＲＣｅＯ3 層（ただし、Ｒ＝Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ）を成長させてから、その上にＡＢＯ3 層を成長させるのが好ましい。これは、格子整合の観点からも、元素拡散の観点からも支持される。この場合、第２のバッファ層としてのＲＣｅＯ3 層は、第１のバッファ層としてのＣｅＯ2 層とＡＢＯ3 層との結晶学的コヒーレンシーを維持しつつ、結晶欠陥をなくすことにより、電気的なトラップを消滅させる働きがある。さらに、ＡＢＯ3 層上に導電性酸化物薄膜を電極として積層する場合、この導電性酸化物薄膜のＡＢＯ3 層に対する密着性および結晶学的コヒーレンシーは良好であるので、はがれの問題や、空間電荷層などに由来すると考えられている疲労（ファティーグ）の問題はない。このことは、酸化物素子のみならず、強誘電体不揮発性メモリや超伝導デバイスなどにも同様に言える。
【００７０】
この発明において、単結晶シリコン基板とその上の酸化セリウム層またはマグネシウム・アルミニウム・スピネル層との間には厚さが２０ｎｍ以下、典型的には厚さが数ｎｍ〜十数ｎｍのアモルファス層が存在することもある。
【００７１】
この発明においては、必要に応じて、光集積化酸化物装置を、小型のペルティエ素子などの電子冷凍装置に接合して冷却を行うようにしてもよい。
【００７２】
上述のように構成されたこの発明においては、単結晶シリコン基板上にバッファ層として酸化セリウム層またはマグネシウム・アルミニウム・スピネル層が設けられたシリコン機能性母体基板を用い、その上にエピタキシャル成長技術や原子層接着技術により半導体発光素子、光変調素子、光検出素子などの酸化物素子を集積化することができる。この場合、少なくとも酸化物素子については、酸化物薄膜をエピタキシャル成長させた後、これらの酸化物薄膜をリソグラフィー技術を用いてパターニングすることにより形成することができるため、高密度に集積化することができる。また、単結晶シリコン基板上へのエピタキシャル成長によっては形成することが難しい半導体発光素子、例えばＧａＡｓ系半導体レーザーやＺｎＳｅ系半導体レーザーは原子層接着により単結晶シリコン基板上に搭載することができるので、所望の半導体発光素子を集積化することができる。そして、同一の単結晶シリコン基板上に半導体発光素子、光変調素子、光検出素子などの素子を集積化することができるため、光信号処理を極めて容易に行うことができる。また、光変調素子や光検出素子の機能性薄膜を構成する酸化物薄膜として酸化物薄膜超格子を用いたり、大きな二次元圧縮応力が存在するものを用いたりすることにより、素子特性を大幅に向上させることができ、ひいては光集積化酸化物装置の高性能化を図ることができる。
【００７３】
なお、酸化物素子を強誘電体薄膜のエピタキシャル成長により形成することには、いわゆるサイズ効果を克服することができるという意味がある。このサイズ効果とは、強誘電体薄膜の膜厚を減少させたとき、この強誘電体薄膜は強誘電性を保持することができるか、というものである。これは、室温で正方晶（強誘電性）が安定である物質の粒径が非常に小さくなると、ある値を境にしてそれ以下の粒径で急激に立方晶に変化して強誘電性を失う現象で、従来はもっぱら微粒子に対して議論されてきた。つまり、これは三次元的なサイズ縮小による物性変化と言える。このサイズ効果は、具体的には、例えばＢａＴｉＯ3 多結晶薄膜の場合は０．１μｍ以下である。ＰＺＴ多結晶薄膜の場合も、同様な結果が得られている。このサイズ効果は、エピタキシャル成長層に人工超格子のような格子歪を適度に導入する材料設計を施すことにより大幅に抑制することが可能である。
【００７４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
【００７５】
図５は、この発明の第１の実施形態による光集積化酸化物装置を示す。図１に示すように、この第１の実施形態による光集積化酸化物装置においては、（１００）面方位の単結晶Ｓｉ基板１上に、この単結晶Ｓｉ基板１自身の清浄表面からなる領域Ａと、この単結晶Ｓｉ基板１上に（１００）面方位に優先配向またはエピタキシャル成長したＣｅＯ2 薄膜２からなる領域Ｂとが設けられている。ＣｅＯ2 薄膜２はバッファ層を構成する。単結晶Ｓｉ基板１は、不純物をドープしたものであっても、ノンドープのものであってもよい。また、これらの領域Ａ、Ｂは実際には単結晶Ｓｉ基板１上に多数設けられているが、ここではそれぞれ一つのみ示してある。
【００７６】
単結晶Ｓｉ基板１自身の清浄表面からなる領域Ａ上には、ＧａＡｓ基板上にレーザー構造を構成する半導体層が積層されたＧａＡｓ系半導体レーザー３がそのＧａＡｓ基板の裏面が原子層接着されることにより搭載されている。符号３ａは活性層を示す。
【００７７】
ＣｅＯ2 薄膜２の所定領域の上には（１００）面方位のＳｒＲｕＯ3 薄膜４、（００１）面方位のＰＬＺＴ薄膜５および（１００）面方位のＳｒＲｕＯ3 薄膜６が順次積層されており、これらのＳｒＲｕＯ3 薄膜４、ＰＬＺＴ薄膜５およびＳｒＲｕＯ3 薄膜６により光変調素子７が構成されている。ここで、ＳｒＲｕＯ3 薄膜４およびＳｒＲｕＯ3 薄膜６は、それぞれ下部電極および上部電極を構成する。これらのＳｒＲｕＯ3 薄膜４およびＳｒＲｕＯ3 薄膜６の比抵抗値は１００〜３００μΩ・ｃｍであり、電極として用いるのに十分低い値である。ＰＬＺＴ薄膜５は非線形光学特性を有する光変調用の光学薄膜を構成する。
【００７８】
ＣｅＯ2 薄膜２の別の所定領域の上には、（００１）面方位の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜８、（００１）面方位のＰｂＴｉＯ3 薄膜９、（００１）面方位の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１０、（１００）面方位のＣｅＯ2 薄膜１１、（００１）面方位の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１２、（００１）面方位のＰｂＴｉＯ3 薄膜１３および（００１）面方位の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１４が順次積層されている。そして、（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜８、ＰｂＴｉＯ3 薄膜９および（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１０により焦電素子からなる光検出素子１５が構成されている。また、（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１２、ＰｂＴｉＯ3 薄膜１３および（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１４により焦電素子からなるもう一つの光検出素子１６が構成されている。ここで、（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜８および（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１０は、それぞれ光検出素子１５の下部電極および上部電極を構成し、ＰｂＴｉＯ3 薄膜９は焦電体薄膜を構成する。同様に、（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１２および（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１４は、それぞれ光検出素子１６の下部電極および上部電極を構成し、ＰｂＴｉＯ3 薄膜１３は焦電体薄膜を構成する。ＣｅＯ2 薄膜１１は光検出素子１５と光検出素子１６とを互いに電気的に絶縁するための絶縁層を構成する。
【００７９】
上述のように構成されたこの第１の実施形態による光集積化酸化物装置においては、半導体レーザー３の活性層３ａから発生する光Ｌがこの光変調素子７に入射する。このとき、光変調素子７の下部電極であるＳｒＲｕＯ3 薄膜４と上部電極であるＳｒＲｕＯ3 薄膜６との間に電圧を印加することにより、光Ｌの進行方向に垂直な方向のＰＬＺＴ薄膜５の屈折率が変化する結果、光Ｌは偏向される。このときの光Ｌの屈折角は、光変調素子７を通る光の光路超格子と電気光学定数とによる。したがって、後述のようなＰＬＺＴ薄膜５における二次元歪みを利用することにより、従来達成されていなかったような大きな偏向角を得ることができ、信号処理を確実に行うことができるようになる。
【００８０】
次に、この第１の実施形態による光集積化酸化物装置の製造方法について説明する。
【００８１】
まず、図６に示すように、単結晶Ｓｉ基板１を用意する。この単結晶Ｓｉ基板１のサイズは必要に応じて選択することができるが、例えば直径８インチ程度の大口径のものを用いることができる。
【００８２】
次に、図７に示すように、単結晶Ｓｉ基板１に例えばいわゆるＲＣＡ洗浄を施して表面を清浄化した後、この清浄表面をマスク１７で覆う。このマスク１７の材料は必要に応じて選ぶことができるが、例えばＡｕを用いることができる。
【００８３】
次に、図８に示すように、マスク１７で覆われていない部分の単結晶Ｓｉ基板１の表面に水素終端処理を施す。
【００８４】
次に、図９に示すように、マスク１７で覆われていない部分の単結晶Ｓｉ基板１の水素終端処理が施された表面にＭＯＣＶＤ法によりＣｅＯ2 薄膜２を（１００）面方位にエピタキシャル成長させる。このＭＯＣＶＤ法によるＣｅＯ2 薄膜２のエピタキシャル成長は具体的には次のようにして行う。すなわち、成長にはホットウォール型反応容器を用い、有機金属化合物原料であるＣｅ（ＤＰＭ）4 （これはＣｅ（ｔｈｄ）4 と略記されることがある。ＤＰＭはジピバロイルメタン、ｔｈｄは２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオンを意味する。）をＣｅ原料として用いる。キャリアガスとしてはアルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ2 ）との混合ガスを用いる。反応容器は通常、１０Ｔｏｒｒ以下に減圧される。このＭＯＣＶＤ法によるＣｅＯ2 薄膜２のエピタキシャル成長においては、成長時の基板温度が７００℃を超えると、その上にエピタキシャル成長されるＣｅＯ2 薄膜２の面方位は徐々に（１００）ではなくなり、（１１１）面方位のＣｅＯ2 薄膜２が成長するようになる。したがって、成長時の基板温度は、７００℃以下が好ましい。一方、基板温度が６００℃を下回ると、その上に成長するＣｅＯ2 薄膜の結晶性が著しく悪化する。このため、基板温度は６００〜７００℃の範囲が最適である。このようにして成長されるＣｅＯ2 薄膜２の膜厚は３０〜１００ｎｍ程度である。
【００８５】
次に、図１０に示すように、例えばＭＢＥ法により、ＣｅＯ2 薄膜２上に（００１）面方位の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜８をエピタキシャル成長させる。このときの基板温度は例えば６００〜８００℃とする。また、成長後に例えば８００℃程度の温度でポストアニールを行うことにより、ＣｅＯ2 薄膜２からこの（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜８にＣｅが自己拡散して高い電気伝導性を帯びるようになる。
【００８６】
次に、ＭＢＥ法により、（００１）面方位のＰｂＴｉＯ3 薄膜９をエピタキシャル成長させる。このＭＢＥ法によるＰｂＴｉＯ3 薄膜９のエピタキシャル成長は具体的には例えば次のようにして行うことができる。すなわち、ＭＢＥ装置の超高真空容器において、電子ビームによるＴｉの蒸発源とクヌーセンセル（Ｋセル）によるＰｂの蒸発源とを用意する。そして、この超高真空容器内にＯ2 ガスを制御性よく導入し、全圧を１０-4Ｔｏｒｒ程度に保持して、電子ビームによるＴｉの蒸発速度とＰｂのＫセルのシャッターとを適度に制御して、反射高速電子回折（ＲＨＥＥＤ）振動を検出し、フィードバックさせながら成長を行う。この成長時の基板温度は、例えば５００〜９００℃の範囲であるが、より良質な膜を得るには、７００℃以上が好ましい。
【００８７】
次に、上述と同様な方法により、（００１）面方位の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１０、（１００）面方位のＣｅＯ2 薄膜１１、（００１）面方位の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１２、（００１）面方位のＰｂＴｉＯ3 薄膜１３および（００１）面方位の（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１４を順次エピタキシャル成長させる。
【００８８】
次に、（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１４上に例えばＳｉＯ2 膜からなるマスク（図示せず）を形成した後、このマスクを用いて、（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１４、ＰｂＴｉＯ3 薄膜１３、（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１２、ＣｅＯ2 薄膜１１、（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜１０、ＰｂＴｉＯ3 薄膜９および（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜８をエッチングすることによりパターニングする。これによって、図１０に示すように、光検出素子１５、１６が形成される。
【００８９】
次に、光検出素子１５、１６の表面を例えばＳｉＯ2 膜のようなマスク（図示せず）で覆った状態で、例えばＭＢＥ法により、（１００）面方位のＳｒＲｕＯ3 薄膜４をエピタキシャル成長させる。このＳｒＲｕＯ3 薄膜４は元来斜方晶であるが、エピタキシャル成長時には、その結晶構造がペロブスカイト類似構造からペロブスカイト構造となって成長する。
【００９０】
次に、同様にして、ＭＢＥ法により、ＰＬＺＴ薄膜４およびＳｒＲｕＯ3 薄膜５を順次エピタキシャル成長させる。
【００９１】
次に、マスク１７を除去してこのマスク１７で覆われていた部分の単結晶Ｓｉ基板１の表面を露出させる。
【００９２】
次に、図１２に示すように、この露出した部分の単結晶Ｓｉ基板１の表面をアルゴンイオンエッチングして清浄化する。一方、あらかじめＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ系半導体層をエピタキシャル成長させてレーザー構造を形成し、さらに上部電極まで形成したＧａＡｓ系半導体レーザー３を用意し、同一の高真空チャンバー内でこのＧａＡｓ系半導体レーザー３のＧａＡｓ基板の裏面をアルゴンイオンエッチングにより清浄化する。この後、高真空チャンバー内で、露出した単結晶Ｓｉ基板１の表面の所定位置にＧａＡｓ系半導体レーザー３を位置決めし、そのＧａＡｓ基板の裏面を単結晶Ｓｉ基板１の表面に接合し、圧着する。これによって、単結晶Ｓｉ基板１の表面とＧａＡｓ系半導体レーザー３のＧａＡｓ基板の裏面とが原子層接着される。
【００９３】
この後、単結晶Ｓｉ基板１をチップ化する。これによって、図５に示す目的とする光集積化酸化物装置が製造される。
【００９４】
この第１の実施形態によれば、以下のような種々の利点を得ることができる。すなわち、単結晶Ｓｉ基板１上に基本的な光関連素子、具体的には、ＧａＡｓ系半導体レーザー３、光変調素子７および光検出素子１５、１６を高密度で集積化することができる。しかも、ＧａＡｓ系半導体レーザー３は、通常の製造プロセスによりあらかじめ製造されたものを単結晶Ｓｉ基板１に原子層接着しているので、単結晶Ｓｉ基板１上に半導体層をエピタキシャル成長させることにより形成する場合に比べて、集積化が容易である。さらに、光変調素子７および光検出素子１５、１６を構成する酸化物薄膜はエピタキシャル成長により形成していることにより、その機能性薄膜部分、具体的には光変調素子７のＰＬＺＴ薄膜５や光検出素子１５、１６のＰｂＴｉＯ3 薄膜９、１３には、従来では考えられないような数ＧＰａ級の極めて大きな二次元圧縮応力が生じるので、非線形光学特性の大幅な向上を図ることができる。これに関し、格子歪誘起強誘電性の概念のイメージを図１３および図１４に示す。これは、下地格子との格子不整合により導入された二次元圧縮応力によるキュリー点の著しい上昇の結果現れる驚異的な強誘電性が期待されるからである。この物性は一般には下地からの膜厚に依存するため、格子緩和しない範囲での超格子の周期が好適である。
【００９５】
以上のように、この第１の実施形態によれば、構造の最適化により、優れた特性を有し、かつ信頼性の高い高集積かつ高密度の光集積化酸化物装置を実現することができる。
【００９６】
図１５はこの第２の実施形態による光集積化酸化物装置を示す。図１５に示すように、この第２の実施形態による光集積化酸化物装置においては、光変調素子７はＰＬＺＴ薄膜５からなり、このＰＬＺＴ薄膜５上にくし型電極１８ａ、１８ｂが設けられている。この光変調素子７においては、そのくし型電極１８ａ、１８ｂの間に電圧を印加することにより、ＰＬＺＴ薄膜５の面内に屈折率分布を生じさせることができるため、この光変調素子７に入射する光の進行方向を面内で変化させることができる。そこで、これに応じて、光検出素子１５、１６は、横方向（基板面に平行な方向）に配置されている。その他のことは第１の実施形態による光集積化酸化物装置と同様であるので、説明を省略する。
【００９７】
この第２の実施形態による光集積化酸化物装置によれば、第１の実施形態による光集積化酸化物装置と同様な利点を得ることができるほか、横方向への光信号の伝達により信号処理を行うことができるという利点をも得ることができる。
【００９８】
図１６はこの発明の第３の実施形態による光集積化酸化物装置を示す。図１６に示すように、この第３の実施形態による光集積化酸化物装置においては、（１１１）面方位の単結晶Ｓｉ基板２１上にＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜２２が（１１１）面方位にエピタキシャル成長している。このＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜２２はバッファ層を構成する。
【００９９】
ＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜２２の所定領域の上には、ＧａＮ系半導体レーザー２３がエピタキシャル成長により形成されている。
【０１００】
ＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜２２の別の所定領域の上にはＳｒＲｕＯ3 薄膜２４が積層され、このＳｒＲｕＯ3 薄膜２４上にＬｉＮｂＯ3 薄膜２５が積層されている。このＬｉＮｂＯ3 薄膜２５の上部には周期的ドメイン反転層２６が作り込まれている。これらのＳｒＲｕＯ3 薄膜２４、ＬｉＮｂＯ3 薄膜２５および周期的ドメイン反転層２６により、第２高調波発生素子２７が構成されている。ここで、ＳｒＲｕＯ3 薄膜２４は電極を構成する。
【０１０１】
上述のように構成されたこの第３の実施形態による光集積化酸化物装置においては、ＧａＮ系半導体レーザー２３から発生する周波数ωのレーザー光が第２高調波発生素子２７を通ることにより、周波数２ωの光、すなわち第２高調波が得られる。
【０１０２】
次に、この第３の実施形態による光集積化酸化物装置の製造方法について説明する。
【０１０３】
まず、図１７に示すように、（１１１）面方位の単結晶Ｓｉ基板２１に例えばＲＣＡ洗浄を施すことにより表面を清浄化した後、この清浄表面に水素終端処理を施す。
【０１０４】
次に、図１８に示すように、単結晶Ｓｉ基板２１上にＭＯＣＶＤ法により（１１１）面方位のＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜２２をエピタキシャル成長させる。このＭＯＣＶＤ法によるＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜２２のエピタキシャル成長は具体的には次のようにして行う。このエピタキシャル成長においては、有機金属化合物としてマグネシウム・ジアルミニウム・イソプロポキシド（ＭｇＡｌ2 （ＯＣ3 Ｈ7 ）8 ）という複合金属アルコキシドを用いる。この複合金属アルコキシドによれば、単一のソース源で極めて容易に化学量論組成に成長を行うことができる。すなわち、Ｍｇ用の有機金属化合物原料とＡｌ用の有機金属化合物原料とをそれぞれ別個に制御するのは容易ではないが、上述の複合金属アルコキシドを原料として用いれば、その分解温度までは単一の蒸気圧を制御すればよいので、成長を極めて容易に行うことができる。具体的には、ＭｇＡｌ2 （ＯＣ3 Ｈ7 ）8 の単体を所定の温度に保持することにより、一定の蒸気圧を維持し、それにより得られる原料ガスを用いて成長を行う。この成長時の基板温度は例えば７００℃である。
【０１０５】
なお、上述の複合金属アルコキシドＭｇＡｌ2 （ＯＣ3 Ｈ7 ）8 を一旦有機溶媒に溶かしてそれを噴霧機に導入し、これにより原料ガスを得る方法が提案されているが（(66)J. Mater. Res.，9,1333-1336(1994))、この方法は成長の高速性においては優れているものの、良質な膜が得られるかどうかは不明である。確かにこの論文では、Ｓｉ（１００）およびＭｇＯ（１００）上へのＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜のエピタキシャル成長が報告されているが、得られた膜はいずれも厚い。これは、最終的に厚く成長させた膜が下地とエピタキシャルな関係を保っているにすぎず、薄膜のエピタキシャル性に関してはこれだけでは何とも言えない。
【０１０６】
次に、図１９に示すように、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜２２の所定領域の上にマスク２７を形成する。
【０１０７】
次に、図２０に示すように、マスク２７で覆われていない部分のＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜２２上にＭＯＣＶＤ法により（０００１）面方位のＧａＮ薄膜２８をエピタキシャル成長させる。このＧａＮ薄膜２８のエピタキシャル成長においては、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）とアンモニア（ＮＨ3 ）とを原料に用いる。なお、（１１１）面方位のＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜上に（０００１）面方位のＧａＮ薄膜がエピタキシャル成長することはすでに報告されている（(67)Appl. Phys. Lett.,68,337-339(1996)、(68)Appl. Phys. Lett.,68,1129-1131(1996)) 。
【０１０８】
次に、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮ薄膜２８上に、ＧａＮ／ＩｎＧａＮヘテロ接合を含むＧａＮ系半導体層を順次エピタキシャル成長させた後、これらをエッチングにより所定形状にパターニングする。これによって、図２１に示すように、ＧａＮ系半導体レーザー２３が形成される。なお、ＧａＮ系半導体レーザーの形成方法についてはすでに報告されている（例えば、(69)Appl. Phys. Lett.,62，2390(1993)) 。
【０１０９】
次に、図２２に示すように、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜２２の別の所定領域の上に、ＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法により、（１１１）面方位のＳｒＲｕＯ3 薄膜２３をエピタキシャル成長させる。
【０１１０】
次に、ＭＢＥ法またはＭＯＣＶＤ法により、ＬｉＮｂＯ3 薄膜２５をエピタキシャル成長させる。
【０１１１】
次に、例えば真空蒸着法によりＬｉＮｂＯ3 薄膜２５上に例えばＰｔ膜を形成した後、このＰｔ膜をエッチングによりパターニングしてポーリング用くし型電極２９を形成する。
【０１１２】
次に、下部電極としてのＳｒＲｕＯ3 薄膜２３とポーリング用くし型電極２９との間に所定のパルス状の電圧を印加し、ＬｉＮｂＯ3 薄膜２５の上部に周期的分極反転構造、すなわち周期的ドメイン反転層２６を形成する。なお、このポーリングの方法については、詳しく報告されている（(70)Appl. Phys. Lett.,62，435-436(1993))。
【０１１３】
この後、ポーリング用くし型電極２９をエッチングにより除去する。
【０１１４】
以上、この発明の実施形態につき具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものでなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【０１１５】
例えば、上述の第１および第２の実施形態において、光検出素子１５、１６のＰｂＴｉＯ3 薄膜９、１３の代わりに、例えば人工超格子［（ＳｒＴｉＯ3 ）n （ＰｂＴｉＯ3 ）m ］薄膜を用いてもよい。この場合、当然のことながら、バルクでの格子定数よりもこのペロブスカイトＰｂＴｉＯ3 （００１）膜は十分に格子歪を受けてエピタキシャル成長していることも少なくない。
【０１１６】
また、第１の実施形態において、光変調素子７の電極を構成するＳｒＲｕＯ3 薄膜４、６の代わりに、例えば、（ＳｒＣａ）ＲｕＯ3 薄膜、Ｓｒ2 ＲｕＯ3 薄膜、超伝導酸化物薄膜などを用いてもよい。ここで、Ｓｒ2 ＲｕＯ4 薄膜を用いる場合、その面方位は（００１）である。
【０１１７】
また、第２の実施形態において、第２高調波発生素子２８のＬｉＮｂＯ3 薄膜２６の代わりに、ＬｉＮｂＯ3 薄膜とＬｉＴａＯ3 薄膜との超格子を用いてもよい。このＬｉＮｂＯ3 ／ＬｉＴａＯ3 超格子を用いれば、より高効率化を図ることができる。このＬｉＮｂＯ3 ／ＬｉＴａＯ3 超格子の成長にはＭＢＥ法を用いるのが好ましい。この場合の結晶構造は、厚膜でなければ、イルメナイト型結晶構造ではなく、ペロブスカイトで規定することができる結晶構造となるので、（１１１）面が配向すると考えられる。しかしながら、この場合、これらの膜は、ポーリング用くし型電極２９によってポーリングさせるため、必ずしもこの配向きでなくてもよい。さらにまた、このＬｉＮｂＯ3 薄膜２６の代わりに、例えばＫ（Ｎｂ1-x Ｔａx ）Ｏ3 薄膜などを用いてもよい。また、ポーリング用くし型電極２８は、場合によっては、除去せずに、そのまま残しておいてもよい。これは、周期的ドメイン反転層２７に光が入射すれば、１／２倍の波長の第２高調波が得られるからである。
【０１１８】
さらに、上述の第１、第２および第３の実施形態においては、薄膜の成長方法としてＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法を用いているが、薄膜の成長方法としては、これらのほかに、反応性蒸着法あるいはレーザアブレーション法（これはパルスレーザデポジション法またはレーザＭＢＥ法と呼ばれることもある）などの他の原子層成長法を用いてもよい。
【０１１９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によるシリコン機能性母体基板によれば、酸化物光学素子、強誘電体不揮発性メモリ、酸化物超伝導デバイスなどの酸化物素子と半導体レーザーなどの半導体発光素子とを同一基板上に最適構造で集積化することができる。
【０１２０】
この発明による光集積化酸化物構造体によれば、酸化物光学素子、強誘電体不揮発性メモリ、酸化物超伝導デバイスなどの酸化物素子と半導体レーザーなどの半導体発光素子とを同一基板上に最適構造で集積化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＭｇＡｌ2 Ｏ4 およびＣｅＯ2 の格子定数の温度依存性をシリコンの格子定数の温度依存性とともに示す略線図である。
【図２】ＡＢＯ3 ／ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ／Ｓｉ（１００）の結晶学的積層構造を示す略線図である。
【図３】ＡＢＯ3 ／ＣｅＯ2 ／Ｓｉ（１００）の結晶学的積層構造を示す略線図である。
【図４】ＡＢＯ3 ／ＣｅＯ2 ／Ｓｉ（１００）の結晶学的積層構造を示す略線図である。
【図５】この発明の第１の実施形態による光集積化酸化物装置を示す断面図である。ＦｅＲＡＭにおける強誘電体薄膜の厚さの減少に伴うリーク電流の問題を説明するための断面図である。
【図６】この発明の第１の実施形態による光集積化酸化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図７】この発明の第１の実施形態による光集積化酸化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図８】この発明の第１の実施形態による光集積化酸化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図９】この発明の第１の実施形態による光集積化酸化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１０】この発明の第１の実施形態による光集積化酸化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１１】この発明の第１の実施形態による光集積化酸化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１２】この発明の第１の実施形態による光集積化酸化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１３】格子歪誘起強誘電性の概念を説明するための略線図である。
【図１４】格子歪誘起強誘電性の概念を説明するための略線図である。
【図１５】この発明の第２の実施形態による光集積化酸化物装置を示す斜視図である。
【図１６】この発明の第３の実施形態による光集積化酸化物装置を示す断面図である。
【図１７】この発明の第３の実施形態による光集積化酸化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１８】この発明の第３の実施形態による光集積化酸化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１９】この発明の第３の実施形態による光集積化酸化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図２０】この発明の第３の実施形態による光集積化酸化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図２１】この発明の第３の実施形態による光集積化酸化物装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図２２】この発明の第３の実施形態による光集積化酸化物装置の製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１・・・単結晶Ｓｉ基板、２・・・ＣｅＯ2 薄膜、３・・・ＧａＡｓ系半導体レーザー、４、６・・・ＳｒＲｕＯ3 薄膜、５・・・ＰＬＺＴ薄膜、７・・・光変調素子、８、１０、１２、１４・・・（Ｎｄ1-x Ｃｅx ）2 ＣｕＯ4 薄膜、１５、１６・・・光検出素子、１８ａ、１８ｂ・・・くし型電極、２２・・・ＭｇＡｌ2 Ｏ4 薄膜、２３・・・ＧａＮ薄膜、２４・・・ＧａＮ系半導体レーザー、２５・・・ＳｒＲｕＯ3 薄膜、２６・・・ＬｉＮｂＯ3 薄膜、２７・・・周期的ドメイン反転層、２８・・・第２高調波発生素子
【図１】
0004221765.tif 000016
【図２】
0004221765.tif 000017
【図３】
0004221765.tif 000018
【図４】
0004221765.tif 000019
【図５】
0004221765.tif 000020
【図６】
0004221765.tif 000021
【図７】
0004221765.tif 000022
【図８】
0004221765.tif 000023
【図９】
0004221765.tif 000024
【図１０】
0004221765.tif 000025
【図１１】
0004221765.tif 000026
【図１２】
0004221765.tif 000027
【図１３】
0004221765.tif 000028
【図１４】
0004221765.tif 000029
【図１５】
0004221765.tif 000030
【図１６】
0004221765.tif 000031
【図１７】
0004221765.tif 000032
【図１８】
0004221765.tif 000033
【図１９】
0004221765.tif 000034
【図２０】
0004221765.tif 000035
【図２１】
0004221765.tif 000036
【図２２】
0004221765.tif 000037