研究成果詳細

　本学大学院理工学研究科材料工学専攻の篠崎和夫准教授，脇谷尚樹助手（現在は静岡大学工学部物質工学科准教授），本学総合分析支援センターの木口賢紀助 教らのグループと株式会社富士通研究所基盤技術研究所（栗原和明主管研究員ら）は共同で，シリコン基板上に高品質な光学結晶膜を作成し，赤外光を伝播させ た．光通信システムを劇的に小さくすることに役立つ研究成果である．

　光通信システムは，光変調器や光スイッチなどの光デバイスと，シリ コン半導体ICやガリウムヒ素半導体などの電子デバイスを別々に製造し，組み合わせて構成する．シリコン半導体は極めて多くの素子を小さなチップに詰め込 んでおり，非常に高密度である．しかもシリコン半導体は材料コストが低い．一方，光変調器や光スイッチなどは1個の部品が1個の素子に対応しており，シリ コン半導体ICに比べると外形寸法が大きい．しかも材料には高価な光学結晶を使うため，材料コストが高い．
　そこで，安価なシリコン基板上に光変 調器や光スイッチなどの光デバイスを光学結晶の薄膜で形成できれば，光デバイスを劇的に小型化できるとともに，材料コストの大幅な削減が可能となる．ただ し，シリコンと酸化物光学結晶では結晶の構造や格子定数（結晶を構成する原子の周期）に大きな違いがあり，シリコン基板上に光導波が可能な厚さ （2～10?m程度）の高品質な光学結晶膜を作製することは，非常に困難だとされてきた．

　篠崎和夫准教授らのグループと富士通研究所 は，シリコン基板上にバッファー層と呼ばれる複数の薄膜からなる中間層を形成し，その上に光学結晶膜を成長させた．バッファー層の導入により，シリコンと 光学結晶の結晶構造と格子定数の違いを緩和するとともに，シリコンと光学結晶の反応を防いだ．その結果，赤外光が伝播可能な，高い品質の光学結晶膜を得る ことに成功した．
　光学結晶の材料は，PZT（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(Zr?Ti)O3）である．PZTは優れた電気光学効果（電界を加え ると屈折率が変化する効果）を備える材料として知られており，光変調器や光スイッチなどに応用しやすい．実験ではシリコン基板上に形成したPZT薄膜に赤 外線を通し，カメラで伝播光を観測した（図1）．
　バッファー層は3層構造である（図2）．シリコン基板上に形成した下層はSiを酸化させずに Si基板上に結晶構造がそろった膜を作成する役割を持ち，中央層は下層と上層がきちんとした配向をもつための緩衝作用をしている．PZTに接している上層 はPZTと同じ結晶構造をもち，電気を流し電極の役割も兼ねる薄膜である．また，バッファー層は，シリコンとPZTの反応を防ぐバリヤー層を兼ねている．
　 PZT膜に赤外光（波長1.55μm）を通したときの伝播損失は1dB/cmと，シリコン基板上のPZT膜として公表された数値としては最も低い値（良好 な値）を得られた．また電気光学効果の大きさを示す係数も76pm/Vと，公表されたなかで最も高い値（良好な値）を達成できた．
　また，電気光 学効果を有する別の光学結晶である，PMT-PT（マグネシウム酸ニオブ酸チタン酸鉛：（0.67Pb(Mg1/3Nb2 /3)O3-0.33PbTiO3（PMT-PT））にも中間層の技術を応用した（図3）．PMT-PTでも従来に比べて高い品質の膜をシリコン基板上に 形成できた．

　なお，本研究成果は文部科学省の科学技術振興調整費「産学官協同研究の効果的推進（マッチングファンド）」の研究成果をさらに発展させたものである．

図1　シリコン基板上に高品質のPZT膜を形成して赤外光を伝播させる シリコン（Si）基板上に中間層（Y添加ZrO2層，CeO2層，SrRuO3層）を堆積し，その上にPZT膜を形成した．PZT膜の厚さは10μm．波長1.55μmの赤外光を長さ4mmにわたって伝播させ，カメラで伝播光を観測した．	図2　中間層の構造 Y添加ZrO2層，CeO2層，SrRuO3層の3層構造である．いずれも改良型パルスレーザー堆積法で堆積した．組成の変動が少なく，結晶性の高い薄膜を堆積できる手法である．PZT膜はゾルゲル法で成膜した．	図3　PZT以外の光学結晶への展開 マグネ シウム酸ニオブ酸チタン酸鉛（0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3（PMT-PT））に応用し，波長633nmの光において 55pm/Vと高い電気光学定数を得た．粗大粒子を取り除くマスクと2種類のレーザーを同時に照射する改良型パルスレーザー堆積法により，高い成膜速度を 保ちながら高品質の薄膜を成長させることに成功した．