CN102105835B - 波长变换元件和制造波长变换元件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有提高的性能保持寿命的波长变换元件。也公开了一种制造波长变换元件的方法。波长变换元件(10a)具有光波导(13)，并对从所述光波导(13)的一端(13a)侧输入的入射光(101)的波长进行变换，使得从所述光波导(13)的另一端(13b)侧输出出射光(102)。所述波长变换元件(10a)包含由Al_xGa_(1-x)N(0.5≤x≤1)构成的第一晶体(11)和组成与所述第一晶体(11)相同的第二晶体(12)。所述第一晶体和第二晶体(11，12)形成畴相反结构，在所述畴反转结构中极化方向沿所述光波导(13)周期性反转。所述畴相反结构对于所述入射光(101)满足准相位匹配条件。所述第一晶体和第二晶体(11，12)中的至少一种晶体具有1×10³cm^-2以上且小于1×10⁷cm^-2的位错密度。

Description

波长变换元件和制造波长变换元件的方法

技术领域

本发明涉及波长变换元件和制造波长变换元件的方法。

背景技术

半导体激光器和固态激光器具有材料特有的发射波长，因此其波长范围的扩展与应用领域的扩展直接相连。尽管已经将红外光源用于环境测试和医疗及生物技术领域，但是目前正在研究其在汽车排气检测、激光电离质谱、果糖分析、牙齿治疗、非侵害性血液测试和脑内血流测试中的应用。

然而，诸如红宝石激光器、钇铝石榴石(YAG)激光器和二氧化碳激光器的光源仅能够发射特定波长的光。尽管诸如钛蓝宝石激光器的其它光源的波长是可调的，但是这种光源仅能够发射波长在650nm～1100nm附近的光。因此，不能在全部波长区域内获得激光束。因此，期望能够将从激光束源发射的特定波长的光变换成具有不同波长的光的波长变换元件。

通常，使用硼酸盐基晶体如硼酸钡(BBO)和硼酸锂(LBO)的波长变换元件是已知的。根据这种波长变化元件，通过使用晶体双折射的相匹配来进行波长变换。然而，利用使用晶体双折射的波长变换元件难以获得足够的波长变换效率。而且，由于晶体的双折射是晶体本身固有的且不能进行调节，所以使用双折射的波长变换元件在波长选择性等方面的灵活性差。

另外，使用铁电体氧化物晶体如铌酸锂(LiNbO₃)和钽酸锂(LiTaO₃)的波长变换元件也是已知的。这些铁电体氧化物晶体在原子排列的特定方向上具有偏压(极化)，且由于这种偏压而在两端处分别发生正向极化和负向极化。通过施加电场能够使所述极化部分反转。因此，当在铁电体氧化物晶体中形成周期性畴相反结构时，与使用硼酸盐晶体的双折射匹配时相比，能够提高相互作用长度，从而能够更高效地进行波长变换。

日本特开2008-170710号公报(专利文献1)公开了一种波长变换元件，其使用含有氮(N)以及镓(Ga)、铝(Al)和铟(In)中的至少一种且具有自发极化的化合物半导体晶体。在专利文献1中，在所述化合物半导体晶体中形成了具有周期性反转成二维晶格几何形态的自发极化的极化结构，且这种极化结构对于第一波长的入射光在二维上满足准相位匹配(QPM)条件。因此，由于与使用硼酸盐晶体的双折射匹配时相比能够提高相互作用长度，所以可以实现高效波长变换。

专利文献1公开了一种通过使用化合物半导体晶体形成二维畴相反结构来制备波长变换元件的方法。具体来说，在具有+c面的氮化镓(GaN)衬底上形成与二维畴相反结构图案相对应的掩模图案。然后，在所述GaN衬底的+c面和所述掩模图案上在+c轴方向上形成GaN层。在这种情况下，在所述GaN衬底的+c面上外延生长+c区域，使得所述GaN层的厚度在+c轴方向上增大，且在所述掩模层上外延生长-c区域，使得所述GaN层的厚度在-c轴方向上增大。由此，形成了二维畴相反结构。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本特开2008-170710号公报

发明内容

技术问题

然而，诸如LiNbO₃和LiTaO₃的铁电体氧化物晶体具有带有中心离子如铌(Nb)和钽(Ta)的钙钛矿型晶体结构。为了在铁电体氧化物晶体中形成极化结构，根据极化来施加电压，从而移动所述中心离子。本发明的发明人首先表明，使用铁电体氧化物晶体的波长变换元件不能在长时间内保持其性能，因为通过施加电压会造成晶体的弱化。

已经将具有6.2eV能量带隙、约3.3WK^-1cm^-1的热导率和高电阻的Al_xGa_(1-x)N(0.5≤x≤1)(下文中也称作“AlGaN”)晶体如氮化铝(AlN)晶体用作短波长光学器件用材料。因此，预期可将AlGaN晶体用于波长变换元件中。然而，当通过专利文献1中公开的制造波长变换元件的方法在GaN衬底上形成AlGaN层时，所形成的AlGaN层的结晶度发生劣化，因为在GaN衬底与AlGaN之间的组成不同。本发明的发明人首先表明，当所述AlGaN层具有低结晶度时，波长变换元件的性能因结晶度低而不能长期保持。

进行了本发明以解决上述问题。其目的是提供具有提高的性能保持寿命的波长变换元件和制造所述波长变换元件的方法。

解决问题的手段

本发明的发明人已经发现，当位错密度高时，波长变换元件不能在长时间内保持其性能。换言之，由入射光的能量诱发的热被位错吸收且因这种热而缩短了波长变换元件的性能保持寿命。

本发明人对在可有效提高波长变换元件的性能保持寿命时降低位错密度的程度进行了仔细研究。结果，本发明人发现，形成畴相反结构的至少一种晶体的位错密度应小于1×10⁷cm^-2。

本发明的波长变换元件是具有光波导，并对从所述光波导的一端输入的入射光的波长进行变换且从所述光波导的另一端输出出射光的波长变换元件。所述波长变换元件包含由Al_xGa_(1-x)N(0.5≤x≤1)构成的第一晶体和组成与所述第一晶体的组成相同的第二晶体。所述第一晶体和第二晶体形成畴相反结构，其中极化方向沿所述光波导周期性反转。所述畴相反结构对于所述入射光满足准相位匹配条件。所述第一晶体和第二晶体中的至少一种晶体具有1×10³cm^-2以上且小于1×10⁷cm^-2的位错密度。

根据本发明的波长变换元件，所述第一晶体和第二晶体中的至少一种晶体具有1×10³cm^-2以上且小于1×10⁷cm^-2的位错密度。由于所述位错密度小于1×10⁷cm^-2，所以能够抑制位错对入射光能量的吸收。由此，能够抑制构成光波导的晶体的温度升高。当使用波长变换元件时，能够抑制因热而造成的出射光强度的下降(衰减比)。因此，使用Al_xGa_(1-x)N(0.5≤x≤1)的波长变换元件具有提高的性能保持寿命。

在上述波长变换元件中，所述第一晶体和第二晶体中的至少一种优选具有1×10³cm^-2以上且小于1×10⁵cm^-2的位错密度。

根据这种特征，能够进一步抑制位错对入射光能量的吸收。因此，能够实现具有更加提高的性能保持寿命的波长变换元件。

本发明的另一个方面提供了一种制造波长变换元件的方法，所述波长变换元件具有光波导并对从所述光波导的一端输入的入射光的波长进行变换且从所述光波导的另一端输出出射光。所述方法包括下列步骤：准备由Al_xGa_(1-x)N(0.5≤x≤1)构成的底部衬底；在所述底部衬底上生长组成与所述底部衬底的组成相同的晶体；将所述晶体分成两个以上的部分使其极化发生反转，从而形成第一晶体和第二晶体；以及形成畴相反结构并以所述畴相反结构对于所述入射光满足准相位匹配条件的方式将所述第一晶体和第二晶体结合在一起，在所述畴相反结构中所述第一晶体和第二晶体的极化方向沿所述光波导周期性反转。

本发明的另一个方面提供了一种制造波长变换元件的方法，所述波长变换元件具有光波导并对从所述光波导的一端输入的入射光的波长进行变换且从所述光波导的另一端输出出射光。所述方法包括下列步骤：准备由Al_xGa_(1-x)N(0.5≤x≤1)构成的底部衬底；在所述底部衬底上生长组成与所述底部衬底的组成相同的第一晶体；准备组成与所述第一晶体的组成相同的第二晶体；以及形成畴相反结构并以所述畴相反结构对于所述入射光满足准相位匹配条件的方式将所述第一晶体和第二晶体结合在一起，在所述畴相反结构中所述第一晶体和第二晶体的极化方向沿所述光波导周期性反转。

本发明的还一个方面提供了一种制造波长变换元件的方法，所述波长变换元件具有光波导并对从所述光波导的一端输入的入射光的波长进行变换且从所述光波导的另一端输出出射光，所述方法包括下列步骤：准备由Al_xGa_(1-x)N(0.5≤x≤1)构成的底部衬底；在所述底部衬底上生长组成与所述底部衬底的组成相同的第一晶体；在所述第一晶体的表面上形成规则布置的两个以上凸起部分；以及在所述第一晶体的表面上生长组成与所述第一晶体的组成相同的第二晶体，所述第二晶体是无定形晶体。在所述生长第二晶体的步骤中，形成畴相反结构并以所述畴相反结构对于所述入射光满足准相位匹配条件的方式形成所述第一晶体和第二晶体，在所述畴相反结构中所述第一晶体和第二晶体的极化方向沿所述光波导周期性反转。

本发明的还另一个方面提供了一种制造波长变换元件的方法，所述波长变换元件具有光波导并对从所述光波导的一端输入的入射光的波长进行变换且从所述光波导的另一端输出出射光，所述方法包括下列步骤：准备由Al_xGa_(1-x)N(0.5≤x≤1)构成的底部衬底；在所述底部衬底上形成具有开口的掩模层；以及通过在所述底部衬底和所述掩模层上生长组成与所述底部衬底的组成相同的晶体而形成第一晶体和第二晶体，其中通过与所述底部衬底接触而生长所述第一晶体，并通过与所述掩模层接触而生长所述第二晶体。在所述形成步骤中，形成畴相反结构并以所述畴相反结构对于所述入射光满足准相位匹配条件的方式形成所述第一晶体和第二晶体，在所述畴相反结构中所述第一晶体和第二晶体的极化方向沿所述光波导周期性反转。

根据本发明制造波长变换元件的方法，在所述底部衬底上生长组成与所述底部衬底的组成相同的第一晶体和第二晶体。因此，能够缓和所述底部衬底与所述晶体之间的晶格失配等并能够形成具有低位错密度即1×10³cm^-2以上且小于1×10⁷cm^-2的晶体。由于通过使用这种晶体形成第一晶体或第一晶体和第二晶体，所以构成光波导的第一晶体或第一晶体和第二晶体的位错密度小于1×10⁷cm^-2。因此，能够制造具有提高的性能保持寿命的波长变换元件。

发明效果

根据波长变换元件和制造所述波长变换元件的方法，所述第一晶体和第二晶体中的至少一种晶体具有低位错密度并因此能够抑制热的影响。因此，能够实现具有提高的性能保持寿命的波长变换元件。

附图说明

图1是示意性显示本发明实施方案1的波长变换元件的透视图。

图2是示意性显示本发明实施方案1的变体的波长变换元件的透视图。

图3是示意性显示本发明实施方案1的底部衬底的透视图。

图4是示意性显示根据本发明实施方案1生长的晶体的状态的透视图。

图5是示意性显示对本发明实施方案1的晶体进行分割的状态的透视图。

图6是示意性显示通过对本发明实施方案1的晶体进行分割而形成的第一晶体的透视图

图7示意性显示对本发明实施方案1的晶体进行分割的另一种状态的透视图。

图8是示意性显示本发明实施方案3的波长变换元件的透视图。

图9是示意性显示根据本发明实施方案3形成掩模层的状态的横断面视图。

图10是示意性显示根据本发明实施方案3生长的第一晶体和第二晶体的状态的横断面视图。

图11是示意性显示本发明实施方案4的波长变换元件的透视图。

图12是示意性显示根据本发明实施方案4生长的无定形晶体的状态的横断面视图。

具体实施方式

现在将参考附图对本发明的实施方案进行说明。应注意，相同的参考符号代表附图中相同或相当的部分且省略其说明以避免冗余。

实施方案1

图1是示意性显示本实施方案的波长变换元件的透视图。首先，参考图1对本实施方案的波长变换元件10a进行说明。

如图1中所示，本实施方案的波长变换元件10a包含光波导13。所述光波导13对从所述光波导13的一端13a侧进入的入射光101的波长进行变换并从所述光波导13的另一端13b侧射出出射光。

所述波长变换元件10a包含由Al_xGa_(1-x)N(0.5≤x≤1)构成的第一晶体11和组成与所述第一晶体11相同的第二晶体12。在Al_xGa_(1-x)N中的组成比x是指Al的摩尔比。所述第一晶体11和第二晶体12优选为单晶。

第一晶体11和第二晶体12各自在表面中具有梳形和规则布置的凸起部分且所述第一晶体11和第二晶体12相互嵌合在一起。换言之，所述第一晶体11和第二晶体12各自具有凸起部分和凹入部分，将所述第一晶体11的凸起部分与所述第二晶体12的凹入部分嵌合，并将所述第一晶体11的凹入部分与所述第二晶体12的凸起部分嵌合。

第一晶体11和第二晶体12形成畴相反结构，其中所述极化方向沿光波导13周期性反转。换言之，在形成畴相反结构的第一晶体11和第二晶体12中形成用于限制光波的光波导13。所述畴相反结构对于入射光101满足准相位匹配条件。本文中，“准相位匹配条件”是指具有非线性光学系数的结构的条件，所述非线性光学系数的符号沿非线性光学晶体的传播轴周期性反转，在所述条件下，通过对非线性极化的波矢量与利用周期性结构的波矢量而产生的光波的波矢量之差进行补偿来实施相位匹配。

例如，第一晶体11和第二晶体12分别极化，使得图1中第一晶体11和第二晶体12中所示的箭头方向表示正极。换言之，在本实施方案中，第一晶体11的正极方向与第二晶体12的正极方向相反。当第一晶体11和第二晶体12是AlN时，作为第一晶体11正极的第一面11a是Al极面且与第二晶体12的正极相反的第二面12a是N极面。

第一晶体11和第二晶体12的极化方向沿光波导13周期性反转。当假定由光波导13中相互相邻的第一晶体和第二晶体构成一个周期时，波长变换元件10a具有一个或多个周期且优选具有五个以上的周期。

位于构成光波导13的第一晶体11和第二晶体12之间、并在与光波导13延伸的方向相交的方向上延伸的界面14优选不含间隙。极化取向在这些界面14处反转。相反，位于第一晶体11和第二晶体12之间并在光波导13延伸的方向上延伸的界面15可具有间隙。

第一晶体11和第二晶体12中的至少一种晶体具有1×10³cm^-2以上且小于1×10⁷cm^-2并优选1×10³cm^-2以上且小于1×10⁵cm^-2的位错密度。在本实施方案中，所述第一晶体11和第二晶体12的位错密度在上述范围内。当密度小于1×10⁷cm^-2时，能够抑制位错对入射光101的能量的吸收，能够抑制因使用而造成的出射光102强度的下降，并由此能够提高性能保持寿命。当密度小于1×10⁵cm^-2时，能够有效抑制位错对入射光101的能量的吸收。优选位错密度低。从易于制造的观点来看，下限为1×10³cm^-2。

所述位错密度是通过碱腐蚀法测量的值，所述碱腐蚀法涉及在例如熔融氢氧化钾(KOH)中进行腐蚀以及对每单位面积的蚀坑数(蚀坑密度或EPD)进行计数。

所述第一晶体11和第二晶体12由Al_xGa_(1-x)N(0.5≤x≤1)构成。考虑到在Al的组成比x为0.5～1时的热导率，当位错密度为上述值时能够提高寿命。

第一晶体的折射率优选与第二晶体12的折射率基本无差别。当折射率基本无差别时，能够抑制在位于第一晶体11和第二晶体12之间并与光波导13延伸的方向(入射光101传播的方向)相交的界面14处光的反射。因此，能够降低透过光波导13的入射光101的透过率损失。“折射率基本无差别”是指，当存在五个周期的第一晶体11和第二晶体12时(即，当在第一晶体11和第二晶体12之间存在9个界面14时)，第一晶体和第二晶体之间的折射率之差为0.01以下，且当存在十个周期的第一晶体11和第二晶体12时，折射率之差为0.001以下。在这些情况中，波长变换元件10a具有例如90％以上的透过率。

所述折射率为使用光谱椭偏仪通过光谱椭圆偏光法在400～800nm波长下测量的值。

图2是示意性显示本实施方案的变体的波长变换元件10b的透视图。如图2中所示，第一晶体11和第二晶体12可各自具有锯齿形侧面。或者，第一晶体11和第二晶体12的形状不限于梳形、锯齿形等且可以为任意其它形状如波浪形。

然后，对本实施方案制造波长变换元件的方法进行说明。图3为示意性显示本实施方案的底部衬底21的透视图。如图3中所示，准备了由Al_xGa_(1-x)N(0.5≤x≤1)构成的底部衬底21。所述底部衬底21的组成与要在其上生长的晶体22的组成相同。所述底部衬底21具有主面21a。所述主面21a为例如(001)面(c面)。

图4是示意性显示根据本实施方案生长的晶体22的状态的透视图。如图4中所示，在底部衬底21的主面21a上生长组成与所述底部衬底21相同的晶体22。由于缓和了底部衬底21和晶体22之间的晶格失配，所以能够生长具有低位错密度的晶体22。根据本实施方案，待生长的晶体22的位错密度为1×10³cm^-2以上且小于1×10⁷cm^-2并优选1×10³cm^-2以上且小于1×10⁵cm^-2。

在本实施方案中，将晶体22生长为与底部衬底21的主面21a接触。换言之，不将掩模层等插入底部衬底21和晶体22之间。以这种方式，能够获得被极化使得箭头方向(生长表面)表示正极的晶体22。

生长晶体的方法没有特别限制。可以使用气相生长法如升华法、氢化物气相外延法(HVPE)、分子束外延法(MBE)和有机金属化学气相淀积法(MOCVD)；以及液相生长法如助熔剂生长法和高氮压溶液法。

图5是示意性显示对本实施方案的晶体22进行分割的状态的透视图。

图6是示意性显示通过对本实施方案的晶体22进行分割而形成的第一晶体11的透视图。如图5和6中所示，将晶体22分割成两个以上的部分，使得畴反转而得到第一晶体11和第二晶体12。由此，晶体11和12的位错密度为1×10³cm^-2以上且小于1×10⁷cm^-2并优选1×10³cm^-2以上且小于1×10⁵cm^-2。所述第一晶体11和第二晶体12的组成和折射率相同。

在本实施方案中，如图5中所示，沿生长方向对晶体进行分割，使得生长表面具有梳形。换言之，将晶体分成第一晶体11和第二晶体12，使得在从晶体22的主面22a观察时具有梳形。

对晶体进行分割的方法没有特别限制，能够使用激光器、线状锯等。当利用激光器对晶体进行分割时，具有提高加工精度的优势。当使用线状锯对晶体进行分割时，具有能够降低成本的优势。

结果，如图6中所示，能够形成具有在从第二面11b向第一面11a延伸的方向上的正极的第一晶体11。此外，能够形成具有在从第二表面12b向第一表面12a延伸的方向上的正极的第二晶体12，如图5中所示。

图7是示意性显示对本实施方案的晶体22进行分割的另一种状态的透视图。如图7中所示，可以沿生长方向来分割晶体22，使得与生长表面相交的表面(在生长方向上的表面)具有梳形，从而形成第一晶体11和第二晶体12。

将晶体22分割成的形状不限于图5和7中所示的梳形。如图2中所示，可以对晶体22进行分割，使得一个表面具有锯齿形。在这种情况下，具有加工非常容易的优势。

然后，对第一晶体11和第二晶体12的表面中的至少一个进行腐蚀。结果，能够使第一晶体11和第二晶体12的表面中的至少一个更可靠地极化。所述腐蚀可以为湿法腐蚀或干法腐蚀。

例如，当所述第一晶体11和第二晶体12为AlN时，通过利用氢氧化钾(KOH)的湿法腐蚀能够容易地形成利用Al原子封端的表面，因为对氮的腐蚀速率比对铝的腐蚀速率高。当作为干法腐蚀，实施反应离子腐蚀(RIE)时，通过将其它表面用作掩模能够容易地形成利用Al原子封端的表面。所述腐蚀步骤可以省略。

然后，对第一晶体11和第二晶体12的表面中的至少一个进行研磨。研磨过的表面能够更可靠地极化。研磨方法没有特别限制。例如，可以使用化学机械平面化等。所述研磨步骤可以省略。

沿光波导13形成了其中第一晶体11和第二晶体12的极化方向周期性反转的畴相反结构。将所述第一晶体11和第二晶体12相互结合，从而使得所述畴相反结构对于入射光101满足准相位匹配条件。

具体来说，如图5或7中所示的分割的第一晶体11和第二晶体12中仅有一种晶体反转180°，从而使得梳形表面相互面对。在这种状态下，将所述第一晶体11和第二晶体12相互结合。在本实施方案中，由于第一晶体11和第二晶体12为梳形或锯齿形，所以将晶体相互嵌合。随后，可以实施退火等，从而将在第一晶体11和第二晶体12之间的界面14中的间隙消除。

根据上述方法，如图1或2中所示，形成了具有沿光波导13周期性反转的极化方向的畴相反结构，且能够制造包含畴相反结构的波长变换元件10a和10b，所述畴相反结构对于入射光101满足准相位匹配条件。

现在对波长变换元件10a和10b的操作进行说明。首先，从波长变换元件10a或10b的光波导13的一端13a输入入射光101。优选在垂直于第一晶体11和第二晶体12之间的畴界面14的方向上输入入射光101。所述入射光101通过光波导13而向所述光波导13的另一端13b传播。在该过程期间，利用具有畴相反结构的第一晶体11和第二晶体12对入射光101的波长进行变换，所述畴相反结构满足光波导13中的准相位匹配条件。然后，从所述光波导13的另一端13b射出具有变换的波长的出射光102。由此，能够将具有特定波长的入射光101变换成具有不同波长的出射光102。

如上所述，波长变换元件10a和10b各自具有光波导13，对从所述光波导13的一端13a侧输入的入射光101的波长进行变换，并从所述光波导13的另一端13b侧输出出射光102。所述波长变换元件各自包含由Al_xGa_(1-x)N(0.5≤x≤1)构成的第一晶体11和组成与第一晶体11相同的第二晶体12。所述第一晶体11和第二晶体12形成畴相反结构，在所述畴相反结构中，极化方向沿光波导13周期性反转，且所述畴相反结构对于所述入射光101满足准相位匹配条件。所述第一晶体11和第二晶体12中的至少一种晶体具有1×10³cm^-2以上且小于1×10⁷cm^-2的位错密度。

本实施方案制造波长变换元件10a或10b的方法包括准备由Al_xGa_(1-x)N(0.5≤x≤1)构成的底部衬底21的步骤；在所述底部衬底21上生长组成与所述底部衬底21相同的晶体22的步骤；通过将所述晶体22分成两个以上的部分使其畴发生反转而形成第一晶体11和第二晶体12的步骤；以及形成畴相反结构并将所述第一晶体11和第二晶体12相互结合使得所述畴相反结构对于所述入射光101满足准相位匹配条件的步骤，在所述畴相反结构中所述第一晶体11和第二晶体12的极化方向沿所述光波导13周期性反转。

根据所述波长变换元件10a和10b及其制造方法，在所述底部衬底21上形成了组成与所述底部衬底21的组成相同的晶体22。因此，能够阻止因与底部衬底21的晶格失配而在晶体22中发生的位错。结果，能够形成具有1×10³cm^-2以上且小于1×10⁷cm^-2的位错密度的第一晶体11和第二晶体12。由于通过将具有低位错密度的第一晶体11和第二晶体12结合而形成了光波导13，所以能够抑制第一晶体11和第二晶体12中的位错对入射光101的能量的吸收。因此，能够抑制第一晶体11和第二晶体12的温度的升高。通过使用波长变换元件10a能够抑制出射光102强度的下降。因此，能够实现具有提高的性能保持寿命的波长变换元件10a。

实施方案2

本实施方案的波长变换元件基本上与图1和2中所示的实施方案1的波长变换元件10a和10b相同。仅第一晶体11可能有极性且第二晶体12可能没有极性。

然后，对本实施方案制造波长变换元件10a或10b的方法进行说明。本实施方案制造波长变换元件10a或10b的方法的特征基本上与实施方案1相同，但不同之处在于，不使用由形成第一晶体11的晶体22形成的第二晶体12。

具体来说，如在实施方案1中一样，准备由Al_xGa_(1-x)N(0.5≤x≤1)构成的底部衬底21。然后，如在实施方案1中一样，在所述底部衬底21上形成组成与底部衬底21的相同的第一晶体11(晶体22)。

然后，准备组成与所述第一晶体11相同的第二晶体12。在本实施方案中，形成图6中所示的第一晶体11并准备了第二晶体12，所述第二晶体12能够与所述第一晶体11形成畴相反结构。

作为准备第二晶体12的方法，例如，形成了多个图5或7中所示的第一晶体11和第二晶体12，使得由与形成第一晶体11的晶体22不同的晶体22来准备第二晶体12。或者，可以生长晶体22，使得所述晶体不具有极性并可以通过将所述晶体22加工成可嵌合第一晶体11的形状来准备第二晶体12。

在这种情况下，由于在具有相同组成的底部衬底21上形成晶体22，所以尽管第一晶体11和第二晶体12不是由相同的晶体22形成，但是能够将第一晶体11和第二晶体12的位错密度降至1×10³cm^-2以上且小于1×10⁷cm^-2。由于第一晶体11和第二晶体12基本上具有相同的组成，所以折射率基本上无差别。

然后，如在实施方案1中一样，形成畴相反结构并以所述畴相反结构对于所述入射光101满足准相位匹配条件的方式将所述第一晶体11和第二晶体12结合在一起，在所述畴相反结构中所述第一晶体11和第二晶体12的极化方向沿所述光波导13周期性反转。

如上所述，根据本实施方案制造波长变换元件10a或10b的方法，在底部衬底21上形成了组成与底部衬底21的组成相同的晶体11。因此，能够形成具有1×10³cm^-2以上且小于1×10⁷cm^-2的位错密度的第一晶体11。由于具有低位错密度的第一晶体11形成光波导13，所以能够抑制位错对入射光101的能量的吸收。因此，能够抑制第一晶体11温度的升高。通过使用波长变换元件10a或10b能够抑制出射光102强度的下降。因此，能够制造具有提高的性能保持寿命的波长变换元件10a或10b。

特别地，仅将第一晶体11极化、利用另一种材料准备第二晶体12、并将第一晶体11和第二晶体12嵌合在一起是有利的，因为能够容易地制造波长变换元件10a或10b。

实施方案3

图8是示意性显示本实施方案的波长变换元件的透视图。参考图8对本实施方案的波长变换元件10c进行说明。本实施方案的波长变换元件10c的结构基本上与实施方案1的波长变换元件10a和10b相同，但不同之处在于，第一晶体11和第二晶体12的形状不同。

具体来说，在与光波导13延伸的方向相交的方向上相互交替相邻地布置多个第一晶体和多个第二晶体。第一晶体11的正极在箭头方向(向上的方向)上取向，第二晶体12的正极在箭头方向(向下的方向)上取向。换言之，形成第一晶体11和第二晶体12，使得第一晶体11和第二晶体12的畴在与光波导13延伸的方向相交的方向上反转。应注意，第一晶体11和第二晶体12中的一种可以不具有极性。

在本实施方案中，不将第一晶体11和第二晶体12相互嵌合，而是将其相互结合或集成在一起。

然后，对本实施方案制造波长变换元件10c的方法进行说明。本实施方案制造波长变换元件的方法基本上与实施方案1的方法相同，但不同之处在于，通过对晶体22进行分割而获得的第一晶体11和第二晶体12的形状。

具体来说，在平行于晶体生长方向的方向上将晶体22分割成两个以上的片，从而形成多个长方体状的第一晶体11和第二晶体12。在这种情况下，不对第一晶体11和第二晶体12进行嵌合，而是将其相互结合。

在这种情况下，由于在组成相同的底部衬底21上形成晶体22，所以能够将第一晶体11和第二晶体12的位错密度降为1×10³cm^-2以上且小于1×10⁷cm^-2。由于第一晶体11和第二晶体12基本上具有相同的组成，所以折射率基本上无差别。

按如下制造本实施方案的波长变换元件10c而不将第一晶体11和第二晶体12结合。

具体来说，如在实施方案1中易于，如图3中所示准备了由Al_xGa_(1-x)N(0.5≤x≤1)构成的底部衬底21。

图9是示意性显示形成本实施方案的掩模层23的状态的横断面视图。如图9中所示，在底部衬底21上形成具有开口的掩模层23。

图10是示意性显示根据本实施方案生长的第一晶体和第二晶体的状态的横断面视图。如图10中所示，在底部衬底21或掩模层23上生长组成与底部衬底21的组成相同的晶体，从而形成通过与底部衬底21接触而生长的第一晶体11和通过与掩模层23接触而生长的第二晶体12。在该形成步骤中，形成畴相反结构并以所述畴相反结构对于所述入射光101满足准相位匹配条件的方式形成所述第一晶体11和第二晶体12，在所述畴相反结构中所述第一晶体11和第二晶体12的极化方向沿所述光波导13周期性反转。

当底部衬底21的主面21a是c面时，生长了与底部衬底21的主面21a(通过掩模层中的开口而暴露的)接触的第一晶体11，从而在+c轴方向上增大了厚度。生长了与掩模层23接触的第二晶体12，使得在-c轴方向上增大了厚度。

由于在具有相同组成的底部衬底21上形成第一晶体11和第二晶体12，所以能够将第一晶体11和第二晶体12的位错密度降至1×10³cm^-2以上且小于1×10⁷cm^-2。由于第一晶体11和第二晶体12的组成相同，所以折射率基本上无差别。

通过上述方法能够制造图8中所示的本实施方案的波长变换元件10c。

如上所述，根据本实施方案制造波长变换元件10c的方法，在底部衬底21上形成了组成与所述底部衬底21的组成相同的第一晶体11和第二晶体12。因此，能够形成具有1×10³cm^-2以上且小于1×10⁷cm^-2的位错密度的第一晶体11和第二晶体12。由于具有低位错密度的第一晶体11和第二晶体12形成光波导13，所以能够抑制位错对入射光101的能量的吸收。因此，能够抑制第一晶体11和第二晶体12的温度的升高。因此，通过使用波长变换元件10c能够抑制出射光102强度的下降。因此，能够制造具有提高的性能保持寿命的波长变换元件10c。

实施方案4

图11是示意性显示本实施方案的波长变换元件的透视图。如图11中所示，本实施方案的波长变换元件10d的结构基本上与图1中所示实施方案1的波长变换元件10a的结构相同，但不同之处在于，第二晶体是无定形晶体16。

在本实施方案中，所述第一晶体11为单晶并具有1×10³cm^-2以上且小于1×10⁷cm^-2的位错密度。

如图6中所示，在第一晶体11的表面上形成规则布置的两个以上的凸起部分11c和凹入部分。所述凸起部分11c是朝向与光波导13延伸的方向(入射光101通过光波导13的方向)相交的方向上形状相同的凸起。如图11中所示，在凸起部分11c中，形成光波导13的壁的部分的宽度W11优选为预定尺寸以上。“预定尺寸”为例如26μm以上。所述凸起部分的凸起角θ11优选为90°左右。

无定形晶体16具有与第一晶体11相同的凸起部分和凹入部分。所述无定形晶体16的凹入部分与所述第一晶体11的凸起部分11c接合在一起，且所述无定形晶体16的凸起部分与所述第一晶体11的凹入部分接合在一起。

在400～800nm的波长下无定形晶体16与第一晶体11之间的折射率之差优选为0.001以上且0.1以下。

然后，对本实施方案制造波长变换元件的方法进行说明。首先，如在实施方案1中一样，准备由Al_xGa_(1-x)N(0.5≤x≤1)构成的底部衬底21。

然后，在底部衬底21上形成组成与所述底部衬底21的组成相同的第一晶体11。接下来，在第一晶体11的表面上形成规则布置的两个以上的凸起部分。在这些步骤中，如在实施方案1中一样，例如，在底部衬底21上生长晶体22并通过对所述晶体22进行分割而得到第一晶体11，使得所述第一晶体11具有规则布置的两个以上的凸起部分。由于在具有相同组成的底部衬底21上形成晶体22，所以能够将得自晶体22的第一晶体的位错密度降至1×10³cm^-2以上且小于1×10⁷cm^-2。因此，能够形成图6中所示的第一晶体11。

图12是示意性显示根据本实施方案生长的无定形晶体16的状态的横断面视图。如图12中所示，在第一晶体11的表面上生长组成与所述第一晶体11的组成相同的第二晶体，所述第二晶体是无定形晶体16。在该步骤中，形成畴相反结构并以所述畴相反结构对于所述入射光101满足准相位匹配条件的方式形成第一晶体11和第二晶体12，在所述畴相反结构中所述第一晶体11和第二晶体12的极化方向沿所述光波导13周期性反转。生长无定形晶体16的方法没有特别限制。

当生长无定形晶体16时，所述第一晶体11的极性和所述无定形晶体16的极性变得相互相反。因此，能够容易地形成畴相反结构。

在第一晶体11上形成无定形晶体16。所述无定形晶体16的组成与所述第一晶体11的组成相同。因此，所述无定形晶体16的折射率基本上与所述第一晶体11的折射率相同。特别地，优选以使得第一晶体与无定形晶体之间在400～800nm波长下的折射率之差为0.001以上且在0.1以下的方式生长无定形晶体16。因此，能够制造图11中所示的波长变换元件10d。

如上所述，根据本实施方案制造波长变换元件10d的方法，在底部衬底21上形成了组成与所述底部衬底21的组成相同的晶体11。因此，能够形成具有1×10³cm^-2以上且小于1×10⁷cm^-2的位错密度的第一晶体11。由于具有低位错密度的第一晶体11形成光波导13，所以能够抑制位错对入射光101的能量的吸收。因此，能够抑制第一晶体11温度的升高。通过使用波长变换元件10d能够抑制出射光102强度的降低。因此，能够制造具有提高的性能保持寿命的波长变换元件10d。

实施例

在实施例中，对通过包含具有1×10³cm^-2以上且小于1×10⁷cm^-2位错密度的第一晶体11和第二晶体12而获得的效果进行了研究。

实施例1和2

基本上根据实施方案1制造了实施例1和2的波长变换元件。具体来说，作为实施例1和2的底部衬底21，分别准备了具有由(0001)面构成的主面22a的AlN单晶衬底和Al_0.5Ga_0.5N单晶衬底。

然后，通过升华法在底部衬底21上形成组成与所述底部衬底21相同的晶体22。然后，对所述晶体22的表面进行CMP研磨。

接下来，将晶体22分割成两个以上的部分，使得极化反转，从而形成如图7中所示的梳形第一晶体11和第二晶体12。形成了三十八个第一晶体11和三十八个第二晶体12。对于第一晶体11和第二晶体12的凸起部分，将形成光波导13的壁的部分的宽度(在第一晶体11的情况中，图11中所示的宽度W11)设定为26.6μm。

通过使用KOH-NaOH(氢氧化钠)的熔融碱腐蚀法测量得到的第一晶体11和第二晶体12的位错密度。将结果示于下表1中。

然后，将所述第一晶体11和第二晶体12相互交替地结合在一起而形成三十八个周期。结果，如图1中所示，形成了畴相反结构，且所述畴相反结构对于入射光101满足准相位匹配条件，在所述畴相反结构中第一晶体11和第二晶体12的极化方向沿光波导13周期性反转。因此，制造了实施例1和2的波长变换元件10a。

实施例3和4

除了在实施例3和4中在生长期间底部衬底21的主面21a的温度低即2000℃而在实施例1和2中的温度为2200℃之外，基本上按照实施例1和2中的方式制造了实施例3和4的波长变换元件。

比较例1和2

除了将具有(0001)主面的碳化硅(SiC)衬底用作底部衬底21之外，基本上按照实施例1和2中的方式制造了比较例1和2的波长变换元件。

比较例3和4

除了将具有(0001)主面的蓝宝石(Al₂O₃)衬底用作底部衬底21之外，基本上按照实施例1和2中的方式制造了比较例3和4的波长变换元件。

评价方法

对实施例1～4和比较例1～4中波长变换元件的透射光的衰减比和温度的升高进行了测量。

具体来说，在实施例1～4和比较例1～4中的各个实施例中将具有1064nm波长的钕-YAG(Nd-YAG)激光束输入光波导13中，使得所述光束与第一晶体11和第二晶体12之间的畴界面14相垂直，并测量了从光波导13输出的光的强度以作为初始强度。在连续照射10000小时之后，对从光波导13输出的出射光102的强度进行测量。确定了照射10000小时之后的强度相对于初始强度的下降比率。将结果示于下表1中，以作为透射光的衰减比。

对将入射光101射入实施例1～4和比较例1～4的波长变换元件之前的初始温度和照射10000小时之后的温度进行了测量。然后，通过将相对于比较例3中的初始温度，10000小时之后的温度升高假定为1，确定了实施例1～4和比较例1、2和4中的温度升高比率。将结果示于下表1中。

表1

测量结果

作为将具有1064nm波长的入射光输入实施例1～4和比较例1～4的波长变换元件中的结果，输出了具有532nm波长的出射光102。

然而，如表1中所示，在比较例1～4的波长变换元件中，在照射10000小时之后，温度升高大且衰减比大。

相反，实施例1～4的第一晶体和第二晶体的位错密度低于比较例1～4的位错密度。因此，实施例1～4的波长变换元件中的温度升高小，因此能够降低透射光的衰减比。因此，与比较例1～4相比，实施例1～4具有提高的寿命，在所述寿命期间能够保持99.9％以上的初始性能。特别地，在位错密度小于1×10⁵cm^-2的实施例1和2的波长变换元件中的温度升高极小，因此可以将透射光的衰减比降至极低水平。

因此发现，当位错密度小于1×10⁷cm^-2且更优选小于1×10⁵cm^-2时，通过降低第一晶体11和第二晶体12的位错密度能够降低透射光的衰减比且在长期使用时仍能够保持初始性能。

如上所述，实施例证实，利用具有1×10³cm^-2以上且小于1×10⁷cm^-2并优选小于1×10⁵cm^-2的位错密度的第一晶体11和第二晶体12，能够提高性能保持寿命。

尽管已经通过实施方案和实施例对本发明进行了说明，但是可以预料，能够对所述实施方案和实施例的特征进行充分结合。此外，应理解，本文中公开的实施方案和实施例在各方面都仅是示例性的而不是限制性的。本发明的范围由权利要求书来限定而不是由上述实施方案来限定，且本发明的范围旨在包括与权利要求书的范围等价的含义和范围内的所有修改。

参考符号列表

10a、10b、10c、10d    波长变换元件

11        第一晶体

11a、12a  第一面

11b、12b  第二面

11c       凸起部分

12        第二晶体

13        光波导

13a       一端

13b       另一端

14.15     界面

16        无定形晶体

21        底部衬底

21a、22a  主面

22        晶体

23        掩模层

101       入射光

102       出射光

W11       宽度

θ11      角度

Claims (6)

1.一种波长变换元件，所述波长变换元件具有光波导并对从所述光波导的一端输入的入射光的波长进行变换且从所述光波导的另一端输出出射光，所述波长变换元件包含：

由Al_xGa_(1-x)N(0.5≤x≤1)构成的第一晶体；和

组成与所述第一晶体的组成相同的第二晶体，

其中所述第一晶体和第二晶体形成畴相反结构，在该畴相反结构中极化方向沿所述光波导周期性反转，所述畴相反结构对于所述入射光满足准相位匹配条件，且所述第一晶体和第二晶体中的至少一种晶体具有1×10³cm^-2以上且小于1×10⁷cm^-2的位错密度。

2.如权利要求1所述的波长变换元件，其中所述第一晶体和第二晶体中的至少一种晶体具有1×10³cm^-2以上且小于1×10⁵cm^-2的位错密度。

3.一种制造波长变换元件的方法，所述波长变换元件具有光波导并对从所述光波导的一端输入的入射光的波长进行变换且从所述光波导的另一端输出出射光，所述方法包括：

准备由Al_xGa_(1-x)N(0.5≤x≤1)构成的底部衬底的步骤；

在所述底部衬底上生长组成与所述底部衬底的组成相同的晶体的步骤；

将所述晶体分成两个以上的部分使得其极化发生反转，由此形成第一晶体和第二晶体的步骤；以及

形成畴相反结构并以所述畴相反结构对于所述入射光满足准相位匹配条件的方式将所述第一晶体和第二晶体结合在一起的步骤，在所述畴相反结构中所述第一晶体和第二晶体的极化方向沿所述光波导周期性反转，

其中所述第一晶体和第二晶体中的至少一种晶体的位错密度小于1×10⁷cm^-2。

4.一种制造波长变换元件的方法，所述波长变换元件具有光波导并对从所述光波导的一端输入的入射光的波长进行变换且从所述光波导的另一端输出出射光，所述方法包括：

准备由Al_xGa_(1-x)N(0.5≤x≤1)构成的底部衬底的步骤；

在所述底部衬底上生长组成与所述底部衬底的组成相同的第一晶体的步骤；

准备组成与所述第一晶体的组成相同的第二晶体的步骤；以及

形成畴相反结构并以所述畴相反结构对于所述入射光满足准相位匹配条件的方式将所述第一晶体和第二晶体结合在一起，在所述畴相反结构中所述第一晶体和第二晶体的极化方向沿所述光波导周期性反转，

其中所述第一晶体和第二晶体中的至少一种晶体的位错密度小于1×10⁷cm^-2。

5.一种制造波长变换元件的方法，所述波长变换元件具有光波导并对从所述光波导的一端输入的入射光的波长进行变换且从所述光波导的另一端输出出射光，所述方法包括：

准备由Al_xGa_(1-x)N(0.5≤x≤1)构成的底部衬底的步骤；

在所述底部衬底上生长组成与所述底部衬底的组成相同的第一晶体的步骤；

形成在所述第一晶体的表面上规则布置的两个以上凸起部分的步骤；以及

在所述第一晶体的表面上生长组成与所述第一晶体的组成相同的第二晶体的步骤，所述第二晶体是无定形晶体，

其中在生长所述第二晶体的步骤中，形成畴相反结构并以所述畴相反结构对于所述入射光满足准相位匹配条件的方式形成所述第一晶体和第二晶体，在所述畴相反结构中所述第一晶体和第二晶体的极化方向沿所述光波导周期性反转，

其中所述第一晶体和第二晶体中的至少一种晶体的位错密度小于1×10⁷cm^-2。

6.一种制造波长变换元件的方法，所述波长变换元件具有光波导并对从所述光波导的一端输入的入射光的波长进行变换且从所述光波导的另一端输出出射光，所述方法包括：

准备由Al_xGa_(1-x)N(0.5≤x≤1)构成的底部衬底的步骤；

在所述底部衬底上形成具有开口的掩模层的步骤；以及

通过在所述底部衬底和所述掩模层上生长组成与所述底部衬底的组成相同的晶体而形成第一晶体和第二晶体的步骤，其中通过与所述底部衬底接触而生长所述第一晶体，并通过与所述掩模层接触而生长所述第二晶体，

其中在所述形成步骤中，形成畴相反结构并以所述畴相反结构对于所述入射光满足准相位匹配条件的方式形成所述第一晶体和第二晶体，在所述畴相反结构中所述第一晶体和第二晶体的极化方向沿所述光波导周期性反转，

其中所述第一晶体和第二晶体中的至少一种晶体的位错密度小于1×10⁷cm^-2。

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