專利名稱：波長變換元件和制造波長變換元件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及波長變換元件和制造波長變換元件的方法。
背景技術：
半導體激光器和固態(tài)激光器具有材料特有的發(fā)射波長，因此其波長范圍的擴展與 應用領域的擴展直接相連。盡管已經將紅外光源用于環(huán)境測試和醫(yī)療及生物技術領域，但 是目前正在研究其在汽車排氣檢測、激光電離質譜、果糖分析、牙齒治療、非侵害性血液測 試和腦內血流測試中的應用。然而，諸如紅寶石激光器、釔鋁石榴石(YAG)激光器和二氧化碳激光器的光源僅 能夠發(fā)射特定波長的光。盡管諸如鈦藍寶石激光器的其它光源的波長是可調的，但是這種 光源僅能夠發(fā)射波長在650nm IlOOnm附近的光。因此，不能在全部波長區(qū)域內獲得激光 束。因此，期望能夠將從激光束源發(fā)射的特定波長的光變換成具有不同波長的光的波長變 換元件。通常，使用硼酸鹽基晶體如硼酸鋇(BBO)和硼酸鋰(LBO)的波長變換元件是已知 的。根據這種波長變化元件，通過使用晶體雙折射的相匹配來進行波長變換。然而，利用使 用晶體雙折射的波長變換元件難以獲得足夠的波長變換效率。而且，由于晶體的雙折射是 晶體本身固有的且不能進行調節(jié)，所以使用雙折射的波長變換元件在波長選擇性等方面的 靈活性差。另外，使用鐵電體氧化物晶體如鈮酸鋰(LiNbO3)和鉭酸鋰(LiTaO3)的波長變換元 件也是已知的。這些鐵電體氧化物晶體在原子排列的特定方向上具有偏壓(極化)，且由于 這種偏壓而在兩端處分別發(fā)生正向極化和負向極化。通過施加電場能夠使所述極化部分反 轉。因此，當在鐵電體氧化物晶體中形成周期性疇相反結構時，與使用硼酸鹽晶體的雙折射 匹配時相比，能夠提高相互作用長度，從而能夠更高效地進行波長變換。日本特開2008-170710號公報(專利文獻1)公開了一種波長變換元件，其使用含 有氮(N)以及鎵(( )、鋁(Al)和銦(In)中的至少一種且具有自發(fā)極化的化合物半導體晶 體。在專利文獻1中，在所述化合物半導體晶體中形成了具有周期性反轉成二維晶格幾何 形態(tài)的自發(fā)極化的極化結構，且這種極化結構對于第一波長的入射光在二維上滿足準相位 匹配(QPM)條件。因此，由于與使用硼酸鹽晶體的雙折射匹配時相比能夠提高相互作用長 度，所以可以實現高效波長變換。專利文獻1公開了一種通過使用化合物半導體晶體形成二維疇相反結構來制備 波長變換元件的方法。具體來說，在具有+c面的氮化鎵(GaN)襯底上形成與二維疇相反結 構圖案相對應的掩模圖案。然后，在所述GaN襯底的+c面和所述掩模圖案上在+c軸方向 上形成GaN層。在這種情況下，在所述GaN襯底的+c面上外延生長+c區(qū)域，使得所述GaN 層的厚度在+c軸方向上增大，且在所述掩模層上外延生長-C區(qū)域，使得所述GaN層的厚度 在-C軸方向上增大。由此，形成了二維疇相反結構。引用列表
專利文獻專利文獻1 日本特開2008-170710號公報

發(fā)明內容
技術問題然而，諸如LiNbO3和LiTaO3的鐵電體氧化物晶體具有帶有中心離子如鈮(Nb)和 鉭(Ta)的鈣鈦礦型晶體結構。為了在鐵電體氧化物晶體中形成極化結構，根據極化來施加 電壓，從而移動所述中心離子。本發(fā)明的發(fā)明人首先表明，使用鐵電體氧化物晶體的波長變 換元件不能在長時間內保持其性能，因為通過施加電壓會造成晶體的弱化。已經將具有6. 2eV能量帶隙、約3. SffK^1Cm"1的熱導率和高電阻的AlxGa(1_x) N(0. 5彡χ彡1)(下文中也稱作“AWaN”)晶體如氮化鋁(AlN)晶體用作短波長光學器件用 材料。因此，預期可將AlGaN晶體用于波長變換元件中。然而，當通過專利文獻1中公開的 制造波長變換元件的方法在GaN襯底上形成AlGaN層時，所形成的AWaN層的結晶度發(fā)生 劣化，因為在GaN襯底與AWaN之間的組成不同。本發(fā)明的發(fā)明人首先表明，當所述AlGaN 層具有低結晶度時，波長變換元件的性能因結晶度低而不能長期保持。進行了本發(fā)明以解決上述問題。其目的是提供具有提高的性能保持壽命的波長變 換元件和制造所述波長變換元件的方法。解決問題的手段本發(fā)明的發(fā)明人已經發(fā)現，當位錯密度高時，波長變換元件不能在長時間內保持 其性能。換言之，由入射光的能量誘發(fā)的熱被位錯吸收且因這種熱而縮短了波長變換元件 的性能保持壽命。本發(fā)明人對在可有效提高波長變換元件的性能保持壽命時降低位錯密度的程度 進行了仔細研究。結果，本發(fā)明人發(fā)現，形成疇相反結構的至少一種晶體的位錯密度應小于
IX IO7CnT2。本發(fā)明的波長變換元件是具有光波導，并對從所述光波導的一端輸入的入射光的 波長進行變換且從所述光波導的另一端輸出出射光的波長變換元件。所述波長變換元件包 含由AlxGa(1_x)N(0. 5彡χ彡1)構成的第一晶體和組成與所述第一晶體的組成相同的第二 晶體。所述第一晶體和第二晶體形成疇相反結構，其中極化方向沿所述光波導周期性反轉。 所述疇相反結構對于所述入射光滿足準相位匹配條件。所述第一晶體和第二晶體中的至少 一種晶體具有IXlO3cnT2以上且小于IXlO7cnT2的位錯密度。根據本發(fā)明的波長變換元件，所述第一晶體和第二晶體中的至少一種晶體具有 IXioW以上且小于IXlO7CnT2的位錯密度。由于所述位錯密度小于lX107cm_2，所以能 夠抑制位錯對入射光能量的吸收。由此，能夠抑制構成光波導的晶體的溫度升高。當使用波 長變換元件時，能夠抑制因熱而造成的出射光強度的下降(衰減比)。因此，使用AlxGa(1_x) N(0. 1)的波長變換元件具有提高的性能保持壽命。在上述波長變換元件中，所述第一晶體和第二晶體中的至少一種優(yōu)選具有 1 X IO3CnT2以上且小于1 X IO5CnT2的位錯密度。根據這種特征，能夠進一步抑制位錯對入射光能量的吸收。因此，能夠實現具有更 加提高的性能保持壽命的波長變換元件。
本發(fā)明的另一個方面提供了一種制造波長變換元件的方法，所述波長變換元件具 有光波導并對從所述光波導的一端輸入的入射光的波長進行變換且從所述光波導的另一 端輸出出射光。所述方法包括下列步驟準備由AlxGaa_x)N(0. 5彡χ彡1)構成的底部襯底； 在所述底部襯底上生長組成與所述底部襯底的組成相同的晶體；將所述晶體分成兩個以上 的部分使其極化發(fā)生反轉，從而形成第一晶體和第二晶體；以及形成疇相反結構并以所述 疇相反結構對于所述入射光滿足準相位匹配條件的方式將所述第一晶體和第二晶體結合 在一起，在所述疇相反結構中所述第一晶體和第二晶體的極化方向沿所述光波導周期性反 轉。本發(fā)明的另一個方面提供了一種制造波長變換元件的方法，所述波長變換元件具 有光波導并對從所述光波導的一端輸入的入射光的波長進行變換且從所述光波導的另一 端輸出出射光。所述方法包括下列步驟準備由AlxGaa_x)N(0. 5彡χ彡1)構成的底部襯底； 在所述底部襯底上生長組成與所述底部襯底的組成相同的第一晶體；準備組成與所述第一 晶體的組成相同的第二晶體；以及形成疇相反結構并以所述疇相反結構對于所述入射光滿 足準相位匹配條件的方式將所述第一晶體和第二晶體結合在一起，在所述疇相反結構中所 述第一晶體和第二晶體的極化方向沿所述光波導周期性反轉。本發(fā)明的還一個方面提供了一種制造波長變換元件的方法，所述波長變換元件具 有光波導并對從所述光波導的一端輸入的入射光的波長進行變換且從所述光波導的另一 端輸出出射光，所述方法包括下列步驟準備由AlxGa(1_x)N(0. 5彡χ彡1)構成的底部襯底； 在所述底部襯底上生長組成與所述底部襯底的組成相同的第一晶體；在所述第一晶體的表 面上形成規(guī)則布置的兩個以上凸起部分；以及在所述第一晶體的表面上生長組成與所述第 一晶體的組成相同的第二晶體，所述第二晶體是無定形晶體。在所述生長第二晶體的步驟 中，形成疇相反結構并以所述疇相反結構對于所述入射光滿足準相位匹配條件的方式形成 所述第一晶體和第二晶體，在所述疇相反結構中所述第一晶體和第二晶體的極化方向沿所 述光波導周期性反轉。本發(fā)明的還另一個方面提供了一種制造波長變換元件的方法，所述波長變換元件 具有光波導并對從所述光波導的一端輸入的入射光的波長進行變換且從所述光波導的另 一端輸出出射光，所述方法包括下列步驟準備由AlxGa(1_x)N(0. 5彡χ彡1)構成的底部襯 底；在所述底部襯底上形成具有開口的掩模層；以及通過在所述底部襯底和所述掩模層上 生長組成與所述底部襯底的組成相同的晶體而形成第一晶體和第二晶體，其中通過與所述 底部襯底接觸而生長所述第一晶體，并通過與所述掩模層接觸而生長所述第二晶體。在所 述形成步驟中，形成疇相反結構并以所述疇相反結構對于所述入射光滿足準相位匹配條件 的方式形成所述第一晶體和第二晶體，在所述疇相反結構中所述第一晶體和第二晶體的極 化方向沿所述光波導周期性反轉。根據本發(fā)明制造波長變換元件的方法，在所述底部襯底上生長組成與所述底部襯 底的組成相同的第一晶體和第二晶體。因此，能夠緩和所述底部襯底與所述晶體之間的晶 格失配等并能夠形成具有低位錯密度即IXlO3cnT2以上且小于IXlO7cnT2的晶體。由于通 過使用這種晶體形成第一晶體或第一晶體和第二晶體，所以構成光波導的第一晶體或第一 晶體和第二晶體的位錯密度小于1XIOW0因此，能夠制造具有提高的性能保持壽命的波 長變換元件。
發(fā)明效果根據波長變換元件和制造所述波長變換元件的方法，所述第一晶體和第二晶體中 的至少一種晶體具有低位錯密度并因此能夠抑制熱的影響。因此，能夠實現具有提高的性 能保持壽命的波長變換元件。


圖1是示意性顯示本發(fā)明實施方案1的波長變換元件的透視圖。圖2是示意性顯示本發(fā)明實施方案1的變體的波長變換元件的透視圖。圖3是示意性顯示本發(fā)明實施方案1的底部襯底的透視圖。圖4是示意性顯示根據本發(fā)明實施方案1生長的晶體的狀態(tài)的透視圖。圖5是示意性顯示對本發(fā)明實施方案1的晶體進行分割的狀態(tài)的透視圖。圖6是示意性顯示通過對本發(fā)明實施方案1的晶體進行分割而形成的第一晶體的 透視7示意性顯示對本發(fā)明實施方案1的晶體進行分割的另一種狀態(tài)的透視圖。圖8是示意性顯示本發(fā)明實施方案3的波長變換元件的透視圖。圖9是示意性顯示根據本發(fā)明實施方案3形成掩模層的狀態(tài)的橫斷面視圖。圖10是示意性顯示根據本發(fā)明實施方案3生長的第一晶體和第二晶體的狀態(tài)的 橫斷面視圖。圖11是示意性顯示本發(fā)明實施方案4的波長變換元件的透視圖。圖12是示意性顯示根據本發(fā)明實施方案4生長的無定形晶體的狀態(tài)的橫斷面視 圖。
具體實施例方式現在將參考附圖對本發(fā)明的實施方案進行說明。應注意，相同的參考符號代表附 圖中相同或相當的部分且省略其說明以避免冗余。實施方案1圖1是示意性顯示本實施方案的波長變換元件的透視圖。首先，參考圖1對本實 施方案的波長變換元件IOa進行說明。如圖1中所示，本實施方案的波長變換元件IOa包含光波導13。所述光波導13對 從所述光波導13的一端13a側進入的入射光101的波長進行變換并從所述光波導13的另 一端1 側射出出射光。所述波長變換元件IOa包含由Α1Χ(^(1_Χ)Ν(0. 5 ^ χ ^ 1)構成的第一晶體11和組 成與所述第一晶體11相同的第二晶體12。在AlxGa(1_x)N中的組成比X是指Al的摩爾比。 所述第一晶體11和第二晶體12優(yōu)選為單晶。第一晶體11和第二晶體12各自在表面中具有梳形和規(guī)則布置的凸起部分且所述 第一晶體11和第二晶體12相互嵌合在一起。換言之，所述第一晶體11和第二晶體12各 自具有凸起部分和凹入部分，將所述第一晶體11的凸起部分與所述第二晶體12的凹入部 分嵌合，并將所述第一晶體11的凹入部分與所述第二晶體12的凸起部分嵌合。第一晶體11和第二晶體12形成疇相反結構，其中所述極化方向沿光波導13周期性反轉。換言之，在形成疇相反結構的第一晶體11和第二晶體12中形成用于限制光波的 光波導13。所述疇相反結構對于入射光101滿足準相位匹配條件。本文中，“準相位匹配 條件”是指具有非線性光學系數的結構的條件，所述非線性光學系數的符號沿非線性光學 晶體的傳播軸周期性反轉，在所述條件下，通過對非線性極化的波矢量與利用周期性結構 的波矢量而產生的光波的波矢量之差進行補償來實施相位匹配。例如，第一晶體11和第二晶體12分別極化，使得圖1中第一晶體11和第二晶體 12中所示的箭頭方向表示正極。換言之，在本實施方案中，第一晶體11的正極方向與第二 晶體12的正極方向相反。當第一晶體11和第二晶體12是AlN時，作為第一晶體11正極 的第一面Ila是Al極面且與第二晶體12的正極相反的第二面1 是N極面。第一晶體11和第二晶體12的極化方向沿光波導13周期性反轉。當假定由光波 導13中相互相鄰的第一晶體和第二晶體構成一個周期時，波長變換元件IOa具有一個或多 個周期且優(yōu)選具有五個以上的周期。位于構成光波導13的第一晶體11和第二晶體12之間、并在與光波導13延伸的 方向相交的方向上延伸的界面14優(yōu)選不含間隙。極化取向在這些界面14處反轉。相反， 位于第一晶體11和第二晶體12之間并在光波導13延伸的方向上延伸的界面15可具有間隙。第一晶體11和第二晶體12中的至少一種晶體具有IXlO3CnT2以上且小于 IX IO7CnT2并優(yōu)選IX IO3CnT2以上且小于1 X 105cm_2的位錯密度。在本實施方案中，所述第 一晶體11和第二晶體12的位錯密度在上述范圍內。當密度小于IXlO7cnT2時，能夠抑制 位錯對入射光101的能量的吸收，能夠抑制因使用而造成的出射光102強度的下降，并由此 能夠提高性能保持壽命。當密度小于IXlO5cnT2時，能夠有效抑制位錯對入射光101的能 量的吸收。優(yōu)選位錯密度低。從易于制造的觀點來看，下限為lX103cm_2。所述位錯密度是通過堿腐蝕法測量的值，所述堿腐蝕法涉及在例如熔融氫氧化鉀 (KOH)中進行腐蝕以及對每單位面積的蝕坑數(蝕坑密度或EPD)進行計數。所述第一晶體11和第二晶體12由AlxGa(1_x)N(0. 5 ^ χ ^ 1)構成?？紤]到在Al 的組成比χ為0. 5 1時的熱導率，當位錯密度為上述值時能夠提高壽命。第一晶體的折射率優(yōu)選與第二晶體12的折射率基本無差別。當折射率基本無差 別時，能夠抑制在位于第一晶體11和第二晶體12之間并與光波導13延伸的方向(入射光 101傳播的方向)相交的界面14處光的反射。因此，能夠降低透過光波導13的入射光101 的透過率損失?！罢凵渎驶緹o差別”是指，當存在五個周期的第一晶體11和第二晶體12 時(即，當在第一晶體11和第二晶體12之間存在9個界面14時)，第一晶體和第二晶體之 間的折射率之差為0. 01以下，且當存在十個周期的第一晶體11和第二晶體12時，折射率 之差為0.001以下。在這些情況中，波長變換元件IOa具有例如90%以上的透過率。所述折射率為使用光譜橢偏儀通過光譜橢圓偏光法在400 SOOnm波長下測量的 值。圖2是示意性顯示本實施方案的變體的波長變換元件IOb的透視圖。如圖2中所 示，第一晶體11和第二晶體12可各自具有鋸齒形側面?；蛘撸谝痪w11和第二晶體12 的形狀不限于梳形、鋸齒形等且可以為任意其它形狀如波浪形。然后，對本實施方案制造波長變換元件的方法進行說明。圖3為示意性顯示本實施方案的底部襯底21的透視圖。如圖3中所示，準備了由Alxfeia_x)N(0.1)構成的
底部襯底21。所述底部襯底21的組成與要在其上生長的晶體22的組成相同。所述底部襯 底21具有主面21a。所述主面21a為例如(001)面(c面)。圖4是示意性顯示根據本實施方案生長的晶體22的狀態(tài)的透視圖。如圖4中所 示，在底部襯底21的主面21a上生長組成與所述底部襯底21相同的晶體22。由于緩和了底 部襯底21和晶體22之間的晶格失配，所以能夠生長具有低位錯密度的晶體22。根據本實 施方案，待生長的晶體22的位錯密度為1 X IO3CnT2以上且小于1 X 107cm-2并優(yōu)選1 X 103cm_2 以上且小于IX IO5CnT2。在本實施方案中，將晶體22生長為與底部襯底21的主面21a接觸。換言之，不將 掩模層等插入底部襯底21和晶體22之間。以這種方式，能夠獲得被極化使得箭頭方向(生 長表面)表示正極的晶體22。生長晶體的方法沒有特別限制?？梢允褂脷庀嗌L法如升華法、氫化物氣相外延 法(HVPE)、分子束外延法(MBE)和有機金屬化學氣相淀積法(MOCVD)；以及液相生長法如助 熔劑生長法和高氮壓溶液法。圖5是示意性顯示對本實施方案的晶體22進行分割的狀態(tài)的透視圖。圖6是示意性顯示通過對本實施方案的晶體22進行分割而形成的第一晶體11的 透視圖。如圖5和6中所示，將晶體22分割成兩個以上的部分，使得疇反轉而得到第一晶 體11和第二晶體12。由此，晶體11和12的位錯密度為1 X IO3CnT2以上且小于1 X 107cm_2 并優(yōu)選IXlO3cnT2以上且小于lX105cnT2。所述第一晶體11和第二晶體12的組成和折射 率相同。在本實施方案中，如圖5中所示，沿生長方向對晶體進行分割，使得生長表面具有 梳形。換言之，將晶體分成第一晶體11和第二晶體12，使得在從晶體22的主面2 觀察時 具有梳形。對晶體進行分割的方法沒有特別限制，能夠使用激光器、線狀鋸等。當利用激光器 對晶體進行分割時，具有提高加工精度的優(yōu)勢。當使用線狀鋸對晶體進行分割時，具有能夠 降低成本的優(yōu)勢。結果，如圖6中所示，能夠形成具有在從第二面lib向第一面Ila延伸的方向上的 正極的第一晶體11。此外，能夠形成具有在從第二表面12b向第一表面1 延伸的方向上 的正極的第二晶體12，如圖5中所示。圖7是示意性顯示對本實施方案的晶體22進行分割的另一種狀態(tài)的透視圖。如 圖7中所示，可以沿生長方向來分割晶體22，使得與生長表面相交的表面(在生長方向上的 表面)具有梳形，從而形成第一晶體11和第二晶體12。將晶體22分割成的形狀不限于圖5和7中所示的梳形。如圖2中所示，可以對晶 體22進行分割，使得一個表面具有鋸齒形。在這種情況下，具有加工非常容易的優(yōu)勢。然后，對第一晶體11和第二晶體12的表面中的至少一個進行腐蝕。結果，能夠使 第一晶體11和第二晶體12的表面中的至少一個更可靠地極化。所述腐蝕可以為濕法腐蝕 或干法腐蝕。例如，當所述第一晶體11和第二晶體12為AlN時，通過利用氫氧化鉀(KOH)的濕 法腐蝕能夠容易地形成利用Al原子封端的表面，因為對氮的腐蝕速率比對鋁的腐蝕速率高。當作為干法腐蝕，實施反應離子腐蝕(RIE)時，通過將其它表面用作掩模能夠容易地形 成利用Al原子封端的表面。所述腐蝕步驟可以省略。然后，對第一晶體11和第二晶體12的表面中的至少一個進行研磨。研磨過的表 面能夠更可靠地極化。研磨方法沒有特別限制。例如，可以使用化學機械平面化等。所述 研磨步驟可以省略。沿光波導13形成了其中第一晶體11和第二晶體12的極化方向周期性反轉的疇 相反結構。將所述第一晶體11和第二晶體12相互結合，從而使得所述疇相反結構對于入 射光101滿足準相位匹配條件。具體來說，如圖5或7中所示的分割的第一晶體11和第二晶體12中僅有一種晶 體反轉180°，從而使得梳形表面相互面對。在這種狀態(tài)下，將所述第一晶體11和第二晶 體12相互結合。在本實施方案中，由于第一晶體11和第二晶體12為梳形或鋸齒形，所以 將晶體相互嵌合。隨后，可以實施退火等，從而將在第一晶體11和第二晶體12之間的界面 14中的間隙消除。根據上述方法，如圖1或2中所示，形成了具有沿光波導13周期性反轉的極化方 向的疇相反結構，且能夠制造包含疇相反結構的波長變換元件IOa和10b，所述疇相反結構 對于入射光101滿足準相位匹配條件?，F在對波長變換元件IOa和IOb的操作進行說明。首先，從波長變換元件IOa或 IOb的光波導13的一端13a輸入入射光101。優(yōu)選在垂直于第一晶體11和第二晶體12之 間的疇界面14的方向上輸入入射光101。所述入射光101通過光波導13而向所述光波導 13的另一端1 傳播。在該過程期間，利用具有疇相反結構的第一晶體11和第二晶體12 對入射光101的波長進行變換，所述疇相反結構滿足光波導13中的準相位匹配條件。然后， 從所述光波導13的另一端1 射出具有變換的波長的出射光102。由此，能夠將具有特定 波長的入射光101變換成具有不同波長的出射光102。如上所述，波長變換元件IOa和IOb各自具有光波導13，對從所述光波導13的一 端13a側輸入的入射光101的波長進行變換，并從所述光波導13的另一端1 側輸出出 射光102。所述波長變換元件各自包含由AlxGa(1_x)N(0. 5 ^ χ ^ 1)構成的第一晶體11和 組成與第一晶體11相同的第二晶體12。所述第一晶體11和第二晶體12形成疇相反結 構，在所述疇相反結構中，極化方向沿光波導13周期性反轉，且所述疇相反結構對于所述 入射光101滿足準相位匹配條件。所述第一晶體11和第二晶體12中的至少一種晶體具有 1 X IO3CnT2以上且小于1 X IO7CnT2的位錯密度。本實施方案制造波長變換元件IOa或IOb的方法包括準備由AlxGa(1_x)
1)構成的底部襯底21的步驟；在所述底部襯底21上生長組成與所述底部襯 底21相同的晶體22的步驟；通過將所述晶體22分成兩個以上的部分使其疇發(fā)生反轉而形 成第一晶體11和第二晶體12的步驟；以及形成疇相反結構并將所述第一晶體11和第二晶 體12相互結合使得所述疇相反結構對于所述入射光101滿足準相位匹配條件的步驟，在所 述疇相反結構中所述第一晶體11和第二晶體12的極化方向沿所述光波導13周期性反轉。根據所述波長變換元件IOa和IOb及其制造方法，在所述底部襯底21上形成了組 成與所述底部襯底21的組成相同的晶體22。因此，能夠阻止因與底部襯底21的晶格失配 而在晶體22中發(fā)生的位錯。結果，能夠形成具有IXlO3cnT2以上且小于IXlO7cnT2的位錯密度的第一晶體11和第二晶體12。由于通過將具有低位錯密度的第一晶體11和第二晶 體12結合而形成了光波導13，所以能夠抑制第一晶體11和第二晶體12中的位錯對入射 光101的能量的吸收。因此，能夠抑制第一晶體11和第二晶體12的溫度的升高。通過使 用波長變換元件IOa能夠抑制出射光102強度的下降。因此，能夠實現具有提高的性能保 持壽命的波長變換元件10a。實施方案2本實施方案的波長變換元件基本上與圖1和2中所示的實施方案1的波長變換元 件IOa和IOb相同。僅第一晶體11可能有極性且第二晶體12可能沒有極性。然后，對本實施方案制造波長變換元件IOa或IOb的方法進行說明。本實施方案 制造波長變換元件IOa或IOb的方法的特征基本上與實施方案1相同，但不同之處在于，不 使用由形成第一晶體11的晶體22形成的第二晶體12。具體來說，如在實施方案1中一樣，準備由AlxGaa_x)N(0.5彡χ彡1)構成的底部襯 底21。然后，如在實施方案1中一樣，在所述底部襯底21上形成組成與底部襯底21的相同 的第一晶體11 (晶體22)。然后，準備組成與所述第一晶體11相同的第二晶體12。在本實施方案中，形成圖 6中所示的第一晶體11并準備了第二晶體12，所述第二晶體12能夠與所述第一晶體11形 成疇相反結構。作為準備第二晶體12的方法，例如，形成了多個圖5或7中所示的第一晶體11和 第二晶體12，使得由與形成第一晶體11的晶體22不同的晶體22來準備第二晶體12?；?者，可以生長晶體22，使得所述晶體不具有極性并可以通過將所述晶體22加工成可嵌合第 一晶體11的形狀來準備第二晶體12。在這種情況下，由于在具有相同組成的底部襯底21上形成晶體22，所以盡管第一 晶體11和第二晶體12不是由相同的晶體22形成，但是能夠將第一晶體11和第二晶體12 的位錯密度降至IXlO3cnT2以上且小于lX107cm_2。由于第一晶體11和第二晶體12基本 上具有相同的組成，所以折射率基本上無差別。然后，如在實施方案1中一樣，形成疇相反結構并以所述疇相反結構對于所述入 射光101滿足準相位匹配條件的方式將所述第一晶體11和第二晶體12結合在一起，在所 述疇相反結構中所述第一晶體11和第二晶體12的極化方向沿所述光波導13周期性反轉。如上所述，根據本實施方案制造波長變換元件IOa或IOb的方法，在底部襯底21 上形成了組成與底部襯底21的組成相同的晶體11。因此，能夠形成具有IXlO3cnT2以上且 小于IXlO7cnT2的位錯密度的第一晶體11。由于具有低位錯密度的第一晶體11形成光波 導13，所以能夠抑制位錯對入射光101的能量的吸收。因此，能夠抑制第一晶體11溫度的 升高。通過使用波長變換元件IOa或IOb能夠抑制出射光102強度的下降。因此，能夠制 造具有提高的性能保持壽命的波長變換元件IOa或10b。特別地，僅將第一晶體11極化、利用另一種材料準備第二晶體12、并將第一晶體 11和第二晶體12嵌合在一起是有利的，因為能夠容易地制造波長變換元件IOa或10b。實施方案3圖8是示意性顯示本實施方案的波長變換元件的透視圖。參考圖8對本實施方案 的波長變換元件IOc進行說明。本實施方案的波長變換元件IOc的結構基本上與實施方案1的波長變換元件IOa和IOb相同，但不同之處在于，第一晶體11和第二晶體12的形狀不同。具體來說，在與光波導13延伸的方向相交的方向上相互交替相鄰地布置多個第 一晶體和多個第二晶體。第一晶體11的正極在箭頭方向(向上的方向)上取向，第二晶體 12的正極在箭頭方向(向下的方向)上取向。換言之，形成第一晶體11和第二晶體12，使 得第一晶體11和第二晶體12的疇在與光波導13延伸的方向相交的方向上反轉。應注意， 第一晶體11和第二晶體12中的一種可以不具有極性。在本實施方案中，不將第一晶體11和第二晶體12相互嵌合，而是將其相互結合或 集成在一起。然后，對本實施方案制造波長變換元件IOc的方法進行說明。本實施方案制造波 長變換元件的方法基本上與實施方案1的方法相同，但不同之處在于，通過對晶體22進行 分割而獲得的第一晶體11和第二晶體12的形狀。具體來說，在平行于晶體生長方向的方向上將晶體22分割成兩個以上的片，從而 形成多個長方體狀的第一晶體11和第二晶體12。在這種情況下，不對第一晶體11和第二 晶體12進行嵌合，而是將其相互結合。在這種情況下，由于在組成相同的底部襯底21上形成晶體22，所以能夠將第一晶 體11和第二晶體12的位錯密度降為IXlO3cnT2以上且小于lX107cm_2。由于第一晶體11 和第二晶體12基本上具有相同的組成，所以折射率基本上無差別。按如下制造本實施方案的波長變換元件IOc而不將第一晶體11和第二晶體12結
口 O具體來說，如在實施方案1中易于，如圖3中所示準備了由AlxGa(1_x) N (0. 5彡χ彡1)構成的底部襯底21。圖9是示意性顯示形成本實施方案的掩模層23的狀態(tài)的橫斷面視圖。如圖9中 所示，在底部襯底21上形成具有開口的掩模層23。圖10是示意性顯示根據本實施方案生長的第一晶體和第二晶體的狀態(tài)的橫斷面 視圖。如圖10中所示，在底部襯底21或掩模層23上生長組成與底部襯底21的組成相同 的晶體，從而形成通過與底部襯底21接觸而生長的第一晶體11和通過與掩模層23接觸而 生長的第二晶體12。在該形成步驟中，形成疇相反結構并以所述疇相反結構對于所述入射 光101滿足準相位匹配條件的方式形成所述第一晶體11和第二晶體12，在所述疇相反結構 中所述第一晶體11和第二晶體12的極化方向沿所述光波導13周期性反轉。當底部襯底21的主面21a是c面時，生長了與底部襯底21的主面21a (通過掩模 層中的開口而暴露的)接觸的第一晶體11，從而在+C軸方向上增大了厚度。生長了與掩模 層23接觸的第二晶體12，使得在-C軸方向上增大了厚度。由于在具有相同組成的底部襯底21上形成第一晶體11和第二晶體12，所以能夠 將第一晶體11和第二晶體12的位錯密度降至IXlO3cnT2以上且小于lX107cnT2。由于第 一晶體11和第二晶體12的組成相同，所以折射率基本上無差別。通過上述方法能夠制造圖8中所示的本實施方案的波長變換元件10c。如上所述，根據本實施方案制造波長變換元件IOc的方法，在底部襯底21上形成 了組成與所述底部襯底21的組成相同的第一晶體11和第二晶體12。因此，能夠形成具有1 X IO3CnT2以上且小于1 X 107cm-2的位錯密度的第一晶體11和第二晶體12。由于具有低位 錯密度的第一晶體11和第二晶體12形成光波導13，所以能夠抑制位錯對入射光101的能 量的吸收。因此，能夠抑制第一晶體11和第二晶體12的溫度的升高。因此，通過使用波長 變換元件IOc能夠抑制出射光102強度的下降。因此，能夠制造具有提高的性能保持壽命 的波長變換元件10c。實施方案4圖11是示意性顯示本實施方案的波長變換元件的透視圖。如圖11中所示，本實 施方案的波長變換元件IOd的結構基本上與圖1中所示實施方案1的波長變換元件IOa的 結構相同，但不同之處在于，第二晶體是無定形晶體16。在本實施方案中，所述第一晶體11為單晶并具有IXlO3cnT2以上且小于 IXlO7cnT2的位錯密度。如圖6中所示，在第一晶體11的表面上形成規(guī)則布置的兩個以上的凸起部分Ilc 和凹入部分。所述凸起部分Ilc是朝向與光波導13延伸的方向(入射光101通過光波導 13的方向)相交的方向上形狀相同的凸起。如圖11中所示，在凸起部分Ilc中，形成光波 導13的壁的部分的寬度Wll優(yōu)選為預定尺寸以上。“預定尺寸”為例如^ym以上。所述 凸起部分的凸起角θ 11優(yōu)選為90°左右。無定形晶體16具有與第一晶體11相同的凸起部分和凹入部分。所述無定形晶體 16的凹入部分與所述第一晶體11的凸起部分Ilc接合在一起，且所述無定形晶體16的凸 起部分與所述第一晶體11的凹入部分接合在一起。在400 SOOnm的波長下無定形晶體16與第一晶體11之間的折射率之差優(yōu)選為 0. 001以上且0. 1以下。然后，對本實施方案制造波長變換元件的方法進行說明。首先，如在實施方案1中 一樣，準備由AlxGaa_x)N(0. 5彡χ彡1)構成的底部襯底21。然后，在底部襯底21上形成組成與所述底部襯底21的組成相同的第一晶體11。 接下來，在第一晶體11的表面上形成規(guī)則布置的兩個以上的凸起部分。在這些步驟中，如 在實施方案1中一樣，例如，在底部襯底21上生長晶體22并通過對所述晶體22進行分割 而得到第一晶體11，使得所述第一晶體11具有規(guī)則布置的兩個以上的凸起部分。由于在具 有相同組成的底部襯底21上形成晶體22，所以能夠將得自晶體22的第一晶體的位錯密度 降至IXlOW2以上且小于IX IO7CnT2。因此，能夠形成圖6中所示的第一晶體11。圖12是示意性顯示根據本實施方案生長的無定形晶體16的狀態(tài)的橫斷面視圖。 如圖12中所示，在第一晶體11的表面上生長組成與所述第一晶體11的組成相同的第二晶 體，所述第二晶體是無定形晶體16。在該步驟中，形成疇相反結構并以所述疇相反結構對于 所述入射光101滿足準相位匹配條件的方式形成第一晶體11和第二晶體12，在所述疇相反 結構中所述第一晶體11和第二晶體12的極化方向沿所述光波導13周期性反轉。生長無 定形晶體16的方法沒有特別限制。當生長無定形晶體16時，所述第一晶體11的極性和所述無定形晶體16的極性變 得相互相反。因此，能夠容易地形成疇相反結構。在第一晶體11上形成無定形晶體16。所述無定形晶體16的組成與所述第一晶體 11的組成相同。因此，所述無定形晶體16的折射率基本上與所述第一晶體11的折射率相同。特別地，優(yōu)選以使得第一晶體與無定形晶體之間在400 SOOnm波長下的折射率之差 為0. 001以上且在0. 1以下的方式生長無定形晶體16。因此，能夠制造圖11中所示的波長 變換元件10d。如上所述，根據本實施方案制造波長變換元件IOd的方法，在底部襯底21上形成 了組成與所述底部襯底21的組成相同的晶體11。因此，能夠形成具有IXlO3cnT2以上且小 于IXlO7cnT2的位錯密度的第一晶體11。由于具有低位錯密度的第一晶體11形成光波導 13，所以能夠抑制位錯對入射光101的能量的吸收。因此，能夠抑制第一晶體11溫度的升 高。通過使用波長變換元件IOd能夠抑制出射光102強度的降低。因此，能夠制造具有提 高的性能保持壽命的波長變換元件I0d。實施例在實施例中，對通過包含具有IXlO3cnT2以上且小于IX IO7CnT2位錯密度的第一 晶體11和第二晶體12而獲得的效果進行了研究。實施例1和2基本上根據實施方案1制造了實施例1和2的波長變換元件。具體來說，作為實 施例1和2的底部襯底21，分別準備了具有由(0001)面構成的主面2 的AlN單晶襯底和 Ala5GEia5N單晶襯底。然后，通過升華法在底部襯底21上形成組成與所述底部襯底21相同的晶體22。 然后，對所述晶體22的表面進行CMP研磨。接下來，將晶體22分割成兩個以上的部分，使得極化反轉，從而形成如圖7中所示 的梳形第一晶體11和第二晶體12。形成了三十八個第一晶體11和三十八個第二晶體12。 對于第一晶體11和第二晶體12的凸起部分，將形成光波導13的壁的部分的寬度(在第一 晶體11的情況中，圖11中所示的寬度Wll)設定為^.6μπι。通過使用K0H-Na0H(氫氧化鈉)的熔融堿腐蝕法測量得到的第一晶體11和第二 晶體12的位錯密度。將結果示于下表1中。然后，將所述第一晶體11和第二晶體12相互交替地結合在一起而形成三十八個 周期。結果，如圖1中所示，形成了疇相反結構，且所述疇相反結構對于入射光101滿足準 相位匹配條件，在所述疇相反結構中第一晶體11和第二晶體12的極化方向沿光波導13周 期性反轉。因此，制造了實施例1和2的波長變換元件10a。實施例3和4除了在實施例3和4中在生長期間底部襯底21的主面21a的溫度低即2000°C而 在實施例1和2中的溫度為2200°C之外，基本上按照實施例1和2中的方式制造了實施例 3和4的波長變換元件。比較例1和2除了將具有(0001)主面的碳化硅(SiC)襯底用作底部襯底21之外，基本上按照 實施例1和2中的方式制造了比較例1和2的波長變換元件。比較例3和4除了將具有(0001)主面的藍寶石(Al2O3)襯底用作底部襯底21之外，基本上按照 實施例1和2中的方式制造了比較例3和4的波長變換元件。評價方法
對實施例1 4和比較例1 4中波長變換元件的透射光的衰減比和溫度的升高 進行了測量。具體來說，在實施例1 4和比較例1 4中的各個實施例中將具有1064nm波長 的釹-YAG (Nd-YAG)激光束輸入光波導13中，使得所述光束與第一晶體11和第二晶體12之 間的疇界面14相垂直，并測量了從光波導13輸出的光的強度以作為初始強度。在連續(xù)照 射10000小時之后，對從光波導13輸出的出射光102的強度進行測量。確定了照射10000 小時之后的強度相對于初始強度的下降比率。將結果示于下表1中，以作為透射光的衰減 比。對將入射光101射入實施例1 4和比較例1 4的波長變換元件之前的初始溫 度和照射10000小時之后的溫度進行了測量。然后，通過將相對于比較例3中的初始溫度， 10000小時之后的溫度升高假定為1，確定了實施例1 4和比較例1、2和4中的溫度升高 比率。將結果示于下表1中。表 權利要求
1.一種波長變換元件，所述波長變換元件具有光波導并對從所述光波導的一端輸入的 入射光的波長進行變換且從所述光波導的另一端輸出出射光，所述波長變換元件包含由AlxGa(1_x)N(0. 5 ^ χ ^ 1)構成的第一晶體；和 組成與所述第一晶體的組成相同的第二晶體，其中所述第一晶體和第二晶體形成疇相反結構，在該疇相反結構中極化方向沿所述光 波導周期性反轉，所述疇相反結構對于所述入射光滿足準相位匹配條件，且所述第一晶體 和第二晶體中的至少一種晶體具有IXlO3cnT2以上且小于IXlO7cnT2的位錯密度。
2.如權利要求1所述的波長變換元件，其中所述第一晶體和第二晶體中的至少一種晶 體具有1 X IO3CnT2以上且小于1 X IO5CnT2的位錯密度。
3. —種制造波長變換元件的方法，所述波長變換元件具有光波導并對從所述光波導的 一端輸入的入射光的波長進行變換且從所述光波導的另一端輸出出射光，所述方法包括準備由AlxGa(1_x)N(0. 5彡χ彡1)構成的底部襯底的步驟； 在所述底部襯底上生長組成與所述底部襯底的組成相同的晶體的步驟； 將所述晶體分成兩個以上的部分使得其極化發(fā)生反轉，由此形成第一晶體和第二晶體 的步驟；以及形成疇相反結構并以所述疇相反結構對于所述入射光滿足準相位匹配條件的方式將 所述第一晶體和第二晶體結合在一起的步驟，在所述疇相反結構中所述第一晶體和第二晶 體的極化方向沿所述光波導周期性反轉。
4. 一種制造波長變換元件的方法，所述波長變換元件具有光波導并對從所述光波導的 一端輸入的入射光的波長進行變換且從所述光波導的另一端輸出出射光，所述方法包括準備由AlxGa(1_x)N(0. 5彡χ彡1)構成的底部襯底的步驟； 在所述底部襯底上生長組成與所述底部襯底的組成相同的第一晶體的步驟； 準備組成與所述第一晶體的組成相同的第二晶體的步驟；以及 形成疇相反結構并以所述疇相反結構對于所述入射光滿足準相位匹配條件的方式將 所述第一晶體和第二晶體結合在一起，在所述疇相反結構中所述第一晶體和第二晶體的極 化方向沿所述光波導周期性反轉。
5. 一種制造波長變換元件的方法，所述波長變換元件具有光波導并對從所述光波導的 一端輸入的入射光的波長進行變換且從所述光波導的另一端輸出出射光，所述方法包括準備由AlxGa(1_x)N(0. 5彡χ彡1)構成的底部襯底的步驟； 在所述底部襯底上生長組成與所述底部襯底的組成相同的第一晶體的步驟； 形成在所述第一晶體的表面上規(guī)則布置的兩個以上凸起部分的步驟；以及 在所述第一晶體的表面上生長組成與所述第一晶體的組成相同的第二晶體的步驟，所 述第二晶體是無定形晶體，其中在生長所述第二晶體的步驟中，形成疇相反結構并以所述疇相反結構對于所述入 射光滿足準相位匹配條件的方式形成所述第一晶體和第二晶體，在所述疇相反結構中所述 第一晶體和第二晶體的極化方向沿所述光波導周期性反轉。
6.一種制造波長變換元件的方法，所述波長變換元件具有光波導并對從所述光波導的 一端輸入的入射光的波長進行變換且從所述光波導的另一端輸出出射光，所述方法包括準備由AlxGa(1_x)N(0. 5彡χ彡1)構成的底部襯底的步驟；在所述底部襯底上形成具有開口的掩模層的步驟；以及通過在所述底部襯底和所述掩模層上生長組成與所述底部襯底的組成相同的晶體而 形成第一晶體和第二晶體的步驟，其中通過與所述底部襯底接觸而生長所述第一晶體，并 通過與所述掩模層接觸而生長所述第二晶體，其中在所述形成步驟中，形成疇相反結構并以所述疇相反結構對于所述入射光滿足準 相位匹配條件的方式形成所述第一晶體和第二晶體，在所述疇相反結構中所述第一晶體和 第二晶體的極化方向沿所述光波導周期性反轉。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有提高的性能保持壽命的波長變換元件。也公開了一種制造波長變換元件的方法。波長變換元件(10a)具有光波導(13)，并對從所述光波導(13)的一端(13a)側輸入的入射光(101)的波長進行變換，使得從所述光波導(13)的另一端(13b)側輸出出射光(102)。所述波長變換元件(10a)包含由AlxGa(1-x)N(0.5≤x≤1)構成的第一晶體(11)和組成與所述第一晶體(11)相同的第二晶體(12)。所述第一晶體和第二晶體(11，12)形成疇相反結構，在所述疇反轉結構中極化方向沿所述光波導(13)周期性反轉。所述疇相反結構對于所述入射光(101)滿足準相位匹配條件。所述第一晶體和第二晶體(11，12)中的至少一種晶體具有1×103cm-2以上且小于1×107cm-2的位錯密度。
文檔編號G02F1/355GK102105835SQ20098012897
公開日2011年6月22日 申請日期2009年7月28日 優(yōu)先權日2008年8月6日
發(fā)明者中幡英章, 佐藤一成, 宮永倫正, 山本喜之 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社