JP2000056158A - サファイア導波管の製造方法およびサファイア導波管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 均一な厚さを有する薄膜を製造し、さらに、
イオン注入技術を使用して低損失導波管を製造するこ
と。 【解決手段】 基板上にアルミニウムを含む層を配置す
る工程と、アルミニウムを含む層をα−Ａｌ₂Ｏ₃からな
る層に変換する工程と、を包含し、１つ以上の導波管を
規定する工程をさらに包含する、サファイア導波管の製
造方法が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、サファイア導波管
の製造方法、特に固体結晶レーザなどの光学デバイスに
おいて使用されるサファイア導波管の製造方法に関す
る。本発明はまた、サファイア導波管、特に半導体基板
上に配置されたサファイア導波管を備える光学デバイス
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に導波管は、所定波長の光が導波管
材料の長さ方向に沿って伝搬できるように幅および厚さ
が選択された導波管材料から構成される。導波管材料よ
りも低い屈折率を有する第２の材料が導波管材料を取り
囲む。導波管材料に沿って伝搬する光のうち、導波管材
料の境界に斜めに入射する光は、全反射するので導波管
材料内に閉じ込められる。

【０００３】レーザデバイスは、１対のエネルギー準位
の間で「反転分布」を得ることができる光学材料を含
む。熱平衡状態において、占有は常に、高いエネルギー
準位よりも低いエネルギー準位の方が多い。これに対
し、高いエネルギー準位の占有が低いエネルギー準位の
占有よりも多い場合を、反転分布という。公知のレーザ
システムが多く存在する。その例として、アルゴンイオ
ンガスレーザなどのガスレーザ、ルビー結晶またはチタ
ンサファイア結晶を使用する固体レーザ、および半導体
レーザなどがある。

【０００４】固体レーザは、図１（ａ）に模式的に示さ
れるような結晶レーザロッド１を基本とする。ホスト結
晶は、異物原子でドーピングされ、ホスト結晶中の電子
エネルギー準位が増加する。適切なホスト結晶の一例
は、サファイア（α−Ａｌ₂Ｏ₃）である。サファイアホ
スト結晶に対して適切なドーパントの例は、チタン（チ
タンサファイアを生成する）またはクロム（ルビーを生
成する）などの金属である。

【０００５】固体結晶レーザにおけるレーザ作用は、図
１（ｂ）に模式的に示される。これは、ホスト結晶をド
ーピングすることによってホスト結晶中に導入された３
つのエネルギー準位Ａ、Ｂ、およびＣを示す。光学励起
において、ドーピングされた結晶が外部の光源からエネ
ルギーを吸収し、原子は基底（最低）エネルギー準位Ａ
から最高エネルギー準位Ｃに励起される。励起された原
子は、光子を放射して中間エネルギー準位Ｂへ急速に緩
和する。その後、光子を放射して基底エネルギー準位Ａ
に減衰する。エネルギー準位Ｂからの光子放出が比較的
ゆっくりと起こり、かつ外部光源の強度が十分であるな
らば、結晶性ホスト中のドーパント原子の２つのエネル
ギー準位ＡおよびＢの間で反転分布が起こり得る。これ
によって、レーザ作用を生じることが可能となる。

【０００６】固体結晶レーザは一般に、ドーピング量が
大きい。典型的には、ドーパント濃度は約１０¹⁹ｃｍ^-3
である。この高レベルのドーピングは、レーザ作用を生
じ得る非常に多くの電子エネルギー準位を生じるので、
この場合のレーザ光は、広いレーザスペクトルを有す
る。例えば、チタンがドーピングされたサファイア結晶
を基にしたレーザは、約７００ｎｍから１１００ｎｍの
レーザスペクトルを有することができる。固体結晶レー
ザには、例えば数ワットもの高出力を有し得るものがあ
る。

【０００７】固体レーザ結晶は一般に、結晶の「シー
ド」を使用して融解物から成長させる（例えば、Ａ．
Ｗ．Ｖｅｒｅ、「Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ」、Ｐ
ｌｅｎｕｍ Ｐｒｅｓｓ（Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ）、１９８
７に記載される）。チタンサファイアレーザ結晶は、ア
モルファスまたは多結晶の酸化アルミニウム（Ａｌ
₂Ｏ₃）および酸化チタンの混合物を融解することによっ
て成長させ得る。少量の「シード」結晶状のＡｌ₂Ｏ₃を
融解物中に導入し、次にそれを引き出す。融解物からシ
ード結晶を引き出すと融解物から融解した材料が引き出
される。材料は凝固して結晶ロッドを生成する。次にロ
ッドは、冷却され、所定形状に切断され、そして研磨さ
れる。典型的な固体レーザ結晶は、数立方センチメート
ルの体積である。しかし、この方法を使用して結晶の大
量生産を行うことは、困難である。

【０００８】固体結晶レーザは、周知であり、例えば、
Ａｍｎｏｎ Ｙａｒｉｖ、「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎｉｃｓ」、出版社Ｈｏｌｔ、Ｒｉｎｅｈａｒｔ
ａｎｄ Ｗｉｎｓｔｏｎ（Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ）１９８
５、に記載される。

【０００９】図２（ａ）は、半導体レーザの模式図であ
る。半導体レーザ１０は、半導体基板１１上に配置され
たレーザ活性領域１２からなる。レーザ光は、このデバ
イスの活性領域において生成される。導波管構造体、例
えば図２（ａ）に示されるようなリッジ導波管１３は、
活性領域１２において生成されたレーザ光を閉じ込める
ために提供される。レーザ共振器は、導波管１３および
導波管端面によって規定される。

【００１０】図２（ｂ）に示されるように、半導体レー
ザの活性領域において生成されたレーザ光は、伝導帯と
価電子帯との間の半導体材料のバンドギャップを間の遷
移によって生じる。バンドギャップを間の光学遷移は、
伝導帯の電子が価電子帯の正孔と再結合する場合に起き
る。光学利得が生じるのは、伝導帯の電子密度および価
電子帯の正孔密度が、反転分布を起こすのに十分なほど
に高い場合である。電子および正孔は、種々の手段によ
って半導体材料のエネルギー帯へ注入され得る。このう
ち最も一般なものは、光学注入（すなわち、外部光の吸
収による）および電気的注入である。

【００１１】半導体レーザにおいてレーザ作用を得るた
めには、約１０¹⁸ｃｍ^-3のキャリア密度が必要である。
半導体においてより高いキャリア密度で起こる他のプロ
セス（キャリアによって誘発される熱、または密度に依
存する再結合寿命時間など）のために、半導体レーザの
レーザスペクトルは一般に、ほんの数ｎｍである。半導
体レーザの出力は一般に、結晶レーザの出力よりも小さ
い。

【００１２】半導体レーザの主な利点は、大きさが小さ
いこと（長さが１ｍｍより小さい）、およびコストが低
いことである。半導体レーザは、大量生産が可能であ
り、したがって安価である。直径１５ｃｍまでの半導体
ウエハが公知の半導体エピタキシャル成長方法によって
生成できる。次に各ウエハは、何十万個もの個々のレー
ザを形成するように加工され得る（典型的なレーザの面
積は、ほんの２×１０^-5ｃｍ²である）半導体レーザ
は、例えば光学的記憶装置（ＣＤプレーヤー中のものな
ど）、光通信、およびバーコード読み取り器中のものな
どの小型で安価なレーザシステムを必要とする他の用途
において広く使用される。

【００１３】半導体レーザの利点（小型サイズ、大量生
産／大量加工の可能性、低コスト）と固体結晶レーザの
利点（大きな波長同調範囲および高出力）とを組み合わ
せたレーザの製造が所望される。このようなレーザに対
する多くの用途が想定できる。例えば、大きなスペクト
ル同調範囲は、通信システム、波長選択的光学的記憶装
置システム、広帯域レーザ出力に基づく視覚表示、また
は分光学および光学検出のための同調可能な供給源にお
ける波長分割多重化において適用され得る。高出力レー
ザ供給源は、とりわけ医療物理学において適用可能性が
ある。

【００１４】図３は、半導体レーザの特性と固体結晶レ
ーザの特性とを組み合わせたハイブリッドレーザシステ
ムを得るための簡単なアプローチの模式図である。この
模式図において、半導体レーザ１０によって出力された
レーザ光は、固体レーザ結晶のレーザ結晶ロッド１中へ
導入される。半導体レーザ１０からのレーザ放射は、結
晶レーザ内の電子を光学的に励起させることによって固
体結晶レーザ内に反転分布を生成させるために使用され
る。これは、半導体レーザからの単一波長レーザ発光を
結晶レーザの広帯域発光に変換するという効果を有す
る。

【００１５】図３において、半導体レーザ１０および固
体結晶レーザ１は、レンズ１５を使用して光学的に互い
に結合される。あるいは、固体レーザ結晶を半導体レー
ザデバイスの面に単に接着させてもよい。しかし、これ
らの方法はどちらも、固体結晶レーザおよび半導体レー
ザの従来の製造方法を使用して、固体結晶レーザおよび
半導体レーザを別個に製造することが必要である。した
がって、固体結晶レーザの製造に関する上記不利点がま
だ存在する。

【００１６】固体結晶レーザの製造を、光学的に活性な
結晶材料からなる薄層を成長させることによって簡単化
する試みが数多くなされてきた。Ｒ．Ｃｈａｒｔｉｅｒ
ら、「Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」Ｖｏｌ１７ Ｎ
ｏ．１１、１９９２年６月１日には、液相エピタキシ
（ＬＰＥ）によってＹＡＧ基板上にＮｄ：ＹＡＧ（ネオ
ジミウムをドーピングしたイットリウムアルミニウムガ
ーネット）からなる薄層の製造方法が開示される。ま
た、Ｍ．Ｅｚａｋｉら、「Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒ
ｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ」Ｖｏ
ｌ３４、６８３８−６８４１ページ、１９９５には、単
結晶ＳｉおよびＭｇＯなどの基板上、ならびにＹＡＧウ
エハ上にもパルスレーザ蓄積によってＮｄ：ＹＡＧから
なる薄層を成長させることが開示される。Ｓ．Ｊ．Ｆｉ
ｅｌｄら、「ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ」
第２７巻、２３７５−６ページ、１９９１には、イオン
注入によるＮｄ：ＹＡＧ中の導波管の製造が開示され
る。したがって、薄膜固体結晶レーザを得る。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記参考資料
において記載される技術によって、均一な厚さを有する
薄膜を製造することは困難である。さらに、イオン注入
技術を使用して低損失導波管を製造することは困難であ
る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の局面によ
ると、基板上にアルミニウムを含む層を配置する工程
と、アルミニウムを含む層をα−Ａｌ₂Ｏ₃からなる層に
変換する工程と、を包含し、１つ以上の導波管を規定す
る工程をさらに包含する、サファイア導波管の製造方法
が提供される。

【００１９】アルミニウムを含む層は、分子線エピタキ
シャル成長法（ＭＢＥ）などの高純度エピタキシャル成
長処理によって、または有機金属気相エピタキシャル成
長法（ＭＯＶＰＥ）によって成長させることができる。
したがって、アルミニウムを含む層は、非常に純度が高
く、層の厚みは極めて均一である（数原子の層内ま
で）。このような純度および厚みの均一性は、酸化およ
びアニールする工程によって生成される対応するサファ
イア層にある程度「移行される」。さらに、導波管は、
公知の半導体加工技術を使用して規定され得る。

【００２０】本発明の１つの実施態様において、１つ以
上の導波管は、変換工程を行う前に、アルミニウムを含
む層において規定される。あるいは、１つ以上の導波管
がα−Ａｌ₂Ｏ₃層において規定され得る。

【００２１】したがって、多くの導波管が１つの基板上
に生成され得る。基板は製造過程の最後に劈開され、個
々のサファイア導波管を生成する。

【００２２】本発明の１つの実施態様において、アルミ
ニウムを含む層をα−Ａｌ₂Ｏ₃からなる層に変換する工
程は、アルミニウムを含む層をγ−Ａｌ₂Ｏ₃に酸化する
工程と、γ−Ａｌ₂Ｏ₃をアニールし、α−Ａｌ₂Ｏ₃から
なる層を生成する工程とを包含し得る。酸化工程は、Ｈ
₂Ｏを含む雰囲気下で行うのがよい。酸化工程は、約４
００℃の基板温度で行うのがよい。これは、Ｋ．Ｄ．Ｃ
ｈｏｑｕｅｔｔｅ、「ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ
Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｌｅｔｔｅｒｓ」Ｖｏｌ７、Ｎ
ｏ．１１、１２３７−１２３９ページ（１９９５）に記
載の「ウエット酸化」の技術であり、安定したＡｌ₂Ｏ₃
を層を生成するようにアルミニウムを含む層を酸化する
信頼できる方法である。アルミニウムを含む層の従来の
「ドライ」酸化は、不安定な酸化物を生成することがよ
くある。

【００２３】本発明の１つの実施態様において、アルミ
ニウムを含む層のアルミニウムのモル分率は、アルミニ
ウムを含む層の厚さ全体において変化し得る。これによ
り、得られたサファイア導波管において屈折率が変化す
るようになる。

【００２４】本発明の１つの実施態様において、アルミ
ニウムを含む層のアルミニウムのモル分率は、アルミニ
ウムを含む層と基板との間の界面において最大値とな
る。これにより、界面から離れるほど得られたサファイ
ア導波管の屈折率が増加するようになり、サファイア導
波管において垂直導波を与える。

【００２５】本発明の１つの実施態様において、アルミ
ニウムを含む層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ層であり得る（Ａ
ｌ_xＧａ_1-xＡｓは、簡便のために、以下一般に、「Ａｌ
ＧａＡｓ」と称される）。ＡｌＧａＡｓ層は、０．１μ
ｍ〜２０μｍの厚さを有してもよい。これにより、得ら
れたサファイア導波管は、適切な厚さを有する。

【００２６】本発明の１つの実施態様において、ＡｌＧ
ａＡｓ層のアルミニウムのモル分率は、０．５より大き
いのが好ましい。より好ましくは０．８より大きことで
ある。これにより、酸化工程において、ＡｌＧａＡｓ層
の十分な領域が確実に酸化される。

【００２７】本発明の１つの実施態様において、サファ
イア導波管を製造する方法は、酸化工程が行われる前
に、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ層上に別のＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ層を
配置する工程をさらに包含し得る。層のアルミニウムの
モル分率は、ｘ＞ｙの関係に従ってもよい。これは、得
られたサファイア導波管において屈折率の変化を得るた
めの別の方法である。あるいは、変換工程が行われる前
に、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ層上にＡｌＧａＡｓ超格子構造を
配置する工程をさらに包含してもよい。

【００２８】本発明の１つの実施態様において、アニー
ル工程は、γ−Ａｌ₂Ｏ₃の選択された部分を加熱する工
程を包含し得る。γ−Ａｌ₂Ｏ₃の選択された部分を電子
ビームまたは電磁波を使用して照射することによって、
選択的加熱工程を行ってもよい。γ−Ａｌ₂Ｏ₃の選択さ
れた部分は、アルミニウムを含む層において規定された
導波管に対応する。

【００２９】本発明の１つの実施態様において、サファ
イア導波管を製造する方法は、ＡｌＧａＡｓ層を酸化す
る工程の前に、ＡｌＧａＡｓ層をドーピングする工程を
さらに包含し得る。あるいは、サファイア導波管を製造
する方法は、ＡｌＧａＡｓ層を酸化する工程の後で、γ
−Ａｌ₂Ｏ₃をアニールする工程の前に、γ−Ａｌ₂Ｏ₃を
ドーピングする工程をさらに包含してもよい。あるい
は、サファイア導波管を製造する方法は、γ−Ａｌ₂Ｏ₃
をアニールする工程の後にα−Ａｌ₂Ｏ₃をドーピングす
る工程をさらに包含してもよい。これらの追加工程によ
り、例えばレーザ作用を生成することのできるドーピン
グされたサファイア導波管が得られる。

【００３０】本発明の第２の局面によると、任意の上記
方法によって生成されるサファイア導波管が提供され
る。

【００３１】本発明の第３の局面によると、半導体基板
上に配置されたサファイア導波管を含む光学デバイスが
提供される。半導体基板上にサファイア導波管を形成す
ることは、従来の半導体大量生産技術を導波管の形成に
適用するのを可能にする。半導体加工およびエッチング
は、固体結晶に適用される対応技術に比べて著しく簡単
であり、高度に発展している。基板は、シリコン基板で
もよい。または、基板は炭化ケイ素基板でもよい。

【００３２】本発明の１つの実施態様において、サファ
イア導波管は、ドーピングされ得る。ドーパントは、チ
タン、クロム、またはコバルトでもよい。光学デバイス
は、レーザデバイスでもよい。半導体基板上にサファイ
ア結晶を有するレーザを提供することは、図４に模式的
に示されるように、半導体レーザおよび結晶レーザを１
つのデバイスに集積することを可能にする。さらに、半
導体レーザおよび固体結晶レーザの両方を半導体加工技
術によって大量生産することが可能である。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施態様は、付
属の図面を参照して例示的な実施例によって説明され
る。

【００３４】図５は、本発明による固体結晶レーザの製
造の１つの実施態様を示す図である。本実施態様におい
て、アルミニウムを含む層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓからな
る層である。第１の工程において、図５（ａ）に示すよ
うに、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ層２１を基板２０上に成長させ
る。ＡｌＧａＡｓ層２１は、例えばＭＢＥなどの任意の
適切なエピタキシャル成長加工によって成長させること
ができる。

【００３５】次に、ＡｌＧａＡｓ層２１は、複数の導波
管２２を規定するように加工される。この加工は、例え
ばフォトリソグラフィー、エッチング、または誘電体の
蒸着などの任意の適切な従来の半導体加工技術によって
行われ得る。図５（ｂ）は、導波管を規定する工程後の
基板を示す。

【００３６】次の工程は、ＡｌＧａＡｓ層をアモルファ
スまたは多結晶Ａｌ₂Ｏ₃（γ−Ａｌ ₂Ｏ₃）に変換する工
程である。本実施態様において、この変換は、Ｋ．Ｄ．
Ｃｈｏｑｕｅｔｔｅ、「ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ
Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｌｅｔｔｅｒｓ」Ｖｏｌ７、Ｎ
ｏ．１１、１２３７−１２３９ページ（１９９５）に記
載の「ウエット酸化」技術によって行われる。この技術
は、エピタキシャルＡｌＧａＡｓ層を約４００℃の基板
温度で、Ｈ₂Ｏを含む雰囲気下にさらす工程を含む。こ
れにより、ヒ素が酸素に置換されるのでＡｌ₂Ｏ₃からな
る安定な薄層ができる。この技術は、約９０℃まで加熱
された水を介してキャリアガスをバブリングする工程を
含む。これにより、キャリアガスが水分を反応チャンバ
に運ぶ。このように「ウエット酸化」は、Ｈ₂Ｏおよび
キャリアガスを含む雰囲気下で行われる。本実施態様に
おいて、窒素がキャリアガスとして使用されるが、反応
チャンバに水分を搬送するどのようなガスでも原理的に
キャリアガスとして使用してもよい。他の可能なキャリ
アガスの例は、水素および酸素である。この結果得られ
たＡｌ₂Ｏ₃層は、主にアモルファスまたは多結晶γ−Ａ
ｌ₂Ｏ₃である（Ｒ．Ｄ．Ｔｗｅｓｔｅｎ、「Ａｐｐｌｉ
ｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」Ｖｏｌ．６
９、Ｎｏ．１、１９−２１ページ（１９９６））。

【００３７】最後に、γ−Ａｌ₂Ｏ₃は、１１００℃より
高い温度で基板をアニールすることによってサファイア
（結晶α−Ａｌ₂Ｏ₃）に変換される。次に基板２０は、
複数のサファイア導波管を生成するために劈開される。

【００３８】エピタキシャルＡｌＧａＡｓ層２１は、任
意の適切な基板上に成長させ得る。基板２０は、例えば
シリコン基板または炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板などの半
導体基板でよい。あるいは、基板はサファイア基板でも
よい。

【００３９】Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ層２１中のＡｌのモル分
率（ｘ）は、ウエット酸化工程中でＡｌＧａＡｓ層が十
分に酸化されるのに十分な大きさであることが必要であ
る。アルミニウムのモル分率は、ｘ＞０．５であること
が好ましく、特にモル分率がｘ＞０．８であることが好
ましい。

【００４０】ＡｌＧａＡｓエピタキシャル層２１の厚さ
は、好ましくは０．１μｍ〜２０μｍの範囲内であるべ
きである。これにより、結果として得られるサファイア
導波管２４は、効率的な導波を与えるのに十分な厚さを
確実に有する。サファイア導波管で使用される光の波長
が既知であるならば、サファイア導波管２４の寸法は、
光の波長に対する導波特性を最適にするように選択され
得る。

【００４１】γ−Ａｌ₂Ｏ₃２３をアニールする工程は、
１１００℃以上の温度で行われる。γ−Ａｌ₂Ｏ₃からサ
ファイアへ変換するための最低限の閾値温度が１１００
℃であることが観測された。上限温度は、エピタキシャ
ル層の熱安定性、基板の融点、および最終的にはサファ
イア導波管２４の融点を含むの多くの因子によって決定
される。例えば、基板２０がシリコン基板である場合、
１４１０℃がシリコンの融点であるので、基板温度がそ
れより低い温度を維持するようにアニール加工を行わな
ければならない。一方、基板２０がサファイア基板であ
る場合、サファイアの融点が２０１５℃であるので、シ
リコン基板に対する温度よりも高い温度でアニール加工
を行い得る。

【００４２】γ−Ａｌ₂Ｏ₃２３からサファイアへの十分
な変換を確実に行うために、好ましくはアニール加工
は、１〜７２時間の範囲内で持続されるべきである。実
際には、１〜１０時間の範囲で持続すれば、良好な結果
が得られる。

【００４３】γ−Ａｌ₂Ｏ₃をアニールする工程は単に、
基板全体を炉中に設置し、所望のアニール温度に基板を
加熱することによって行われ得る。別の実施態様におい
て、γ−Ａｌ₂Ｏ₃を高エネルギー電子ビームで照射する
ことによってアニールすることができる。電子ビーム
は、基板を隈なく走査することによってサンプル全体を
アニールするように使用され得る。または、例えばエピ
タキシャル層中に規定された導波管などのサンプルの一
部分だけを選択的にアニールするように使用され得る。

【００４４】サンプルをアニールするさらに別の方法
は、紫外線レーザビームなどの強力な光学ビームでサン
プルを照射することである。電子ビームでサンプルを照
射する場合、光学ビームの照射は、サンプル全体をアニ
ールするように使用され得るし、または、γ−Ａｌ₂Ｏ₃
の一部分だけを選択的にアニールするように使用され得
る。

【００４５】別の実施態様において、導波管２１は選択
的アニール工程によって規定される。この工程を用いれ
ば、導波管を規定するための独立の工程が必要でなくな
る。これが可能となるのは、α−Ａｌ₂Ｏ₃（ｎ＝１．７
５）の屈折率がγ−Ａｌ₂Ｏ₃（ｎ＝１．７）よりも大き
いからである。したがって、導波管の所望の位置に対応
するγ−Ａｌ₂Ｏ₃層の領域だけがアニールされる場合、
α−Ａｌ₂Ｏ₃中を伝搬する光がγ−Ａｌ₂Ｏ₃との境界で
内側に反射するので、アニールされα−Ａｌ₂Ｏ₃となっ
たγ−Ａｌ₂Ｏ₃層の領域は導波管として動作し得る。

【００４６】厚さ全体にわたって一定の組成を有するエ
ピタキシャルＡｌＧａＡｓ層２１を成長させることが可
能である。しかし、本発明のさらなる実施態様におい
て、ＡｌＧａＡｓエピタキシャル層は、ＡｌＧａＡｓ層
のアルミニウムのモル分率がエピタキシャル層２０の上
表面へ向かって増加するような傾斜的組成を有する。こ
れは図６に示される。

【００４７】傾斜的なアルミニウム含量を有するエピタ
キシャルＡｌＧａＡｓ層２１を使用することは、得られ
るサファイア導波管２４が、基板２０から離れるほど増
加するような傾斜的な屈折率を有することを意味する。
サファイア導波管２４における屈折率のこの傾斜は、レ
ーザビームを導波管において垂直方向に閉じ込める（垂
直導波）。

【００４８】アルミニウム含量のグレーディングは典型
的には、エピタキシャル層２１と基板２０との間の界面
の近くにおける高いアルミニウム含量から、エピタキシ
ャル層２１の露出表面の近くでの低いアルミニウム含量
までである。例えば、ＡｌＧａＡｓエピタキシャル層
は、基板２０との界面におけるＡｌＡｓ（すなわち、ｘ
＝１）から、基板から遠い表面におけるＡｌ_0.95Ｇａ
_0.05Ａｓまで傾斜的に変化し得る。

【００４９】図７は、図６の実施態様を変更したものを
示す。この変更において、ＡｌＧａＡｓエピタキシャル
層２１は、アルミニウム含量の変化する一連のＡｌＧａ
Ａｓ層からなる多層構造または超格子構造によって置き
換えられる。図６の実施態様と同じ垂直導波効果を得る
ために、ＡｌＧａＡｓ層のアルミニウム含量は、基板と
の界面の近くで高く、界面から離れるにしたがって減少
すべきである。

【００５０】図５（ａ）〜５（ｄ）を参照して上述され
た方法において、サファイア導波管２４に光学活性を与
えるドーパントは、エピタキシャル層自体の成長中にエ
ピタキシャルＡｌＧａＡｓ層中に導入され得る。しか
し、ドーパントは、製造方法の他の段階において導入さ
れ得る。例えば、ＡｌＧａＡｓ層２１の成長後に、イオ
ン注入（例えば、Ｍ．Ｂａｕｅｒら、「Ｎｕｃｌｅａｒ
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ
Ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ」、Ｖｏｌ．
Ｂ ６５、３０１ページ（１９９２）に記載）またはイ
オン交換などの任意の適切な従来技術を使用して、適切
なドーパントをＡｌＧａＡｓ層２１に導入できる。ある
いは、ウエット酸化工程の後に、イオン注入またはイオ
ン交換などの適切な従来技術によって、ドーパントをγ
−Ａｌ₂Ｏ₃２３に導入できる。さらにあるいは、ウエッ
ト酸化およびアニール工程が完了した後に、例えば、イ
オン注入またはイオン交換などの任意の適切な従来技術
によって、ドーパントをサファイア導波管２４に直接的
に導入できる。

【００５１】本発明は、固体レーザ結晶において使用す
るためのサファイア導波管の製造に特に関連して記載し
ている。しかし、本発明は、他の目的のためのサファイ
ア導波管の製造に適用可能である。レーザ作用を発生さ
せる必要のないサファイア導波管が要求されるのであれ
ば、例えば、ドーパントを導入する工程は、本明細書中
に記載の方法から省略できる。

【００５２】本発明は、好ましい実施態様によって説明
されたが、本発明は、上記の実施態様に限定されない。
例えば、実施態様においてＡｌＧａＡｓ層がアルミニウ
ムを含む初期層として使用されたが、本発明はこの開始
材料に限定されない。アルミニウムを含み、γ−Ａｌ₂
Ｏ₃を生じるように酸化され得る層であれば、ＡｌＧａ
Ａｓの代わりにどのような層でも使用できる。別の開始
材料の例は、ＡｌＧａＩｎＰである。

【００５３】上記方法の実施態様は、ＡｌＧａＡｓをα
−Ａｌ₂Ｏ₃に変換するための独立した酸化およびアニー
ル工程を有するが、原理的には、酸化およびアニール工
程を１つの工程に組み合わせることが可能である。この
ようにした場合、組み合わされた酸化およびアニール工
程の間に、Ａｓが脱離され得ないことが望ましい。

【００５４】ＡｌＧａＡｓが乾燥した雰囲気下で加熱さ
れる場合、Ａｓは脱離し、不安定なＡｌ₂Ｏ₃が生成され
る（しかし、ＡｌＧａＡｓ層上に、ＳｉＯ₂などのキャ
ップ層を配置することによって、Ａｓの脱離を防止する
ことができる）。Ａｓの脱離は、「ウエット」酸化加工
において発生しないので、安定したγ−Ａｌ₂Ｏ₃層が形
成される。原理的には、水分を含んだ雰囲気下で、Ａｌ
ＧａＡｓを約１１００℃まで加熱し、Ａｓの著しい脱離
が起こる前に層を酸化させるべきである。γ−Ａｌ₂Ｏ₃
は、形成されながら、高温のためにアニールされてα−
Ａｌ₂Ｏ₃を生じる。したがって、ＡｌＧａＡｓは、１工
程でα−Ａｌ₂Ｏ₃に変換される。

【００５５】上記実施態様において、導波管はα−Ａｌ
₂Ｏ₃層において規定される。しかし、導波管を規定する
工程は、屈折率変化を層内へ導入する工程を必ず含むの
で、導波管は原理的に、本発明の方法の初期に規定され
得る。導波管を規定するためには、加工の任意の時点で
行われ、α−Ａｌ₂Ｏ₃よりも低い屈折率を有する材料に
よって囲まれたα−Ａｌ₂Ｏ₃からなる領域を最終的に生
成する方法であれば、どのような方法を用いてもよい。
概念的に簡単な方法においては、アルミニウムを含む初
期層から、またはアルミニウムを含むのであれば中間層
から、材料を単に除去することによって導波管は規定さ
れ得、その結果、最終的なα−Ａｌ₂Ｏ₃導波管は空気に
よって囲まれる（空気は、α−Ａｌ₂Ｏ₃よりも屈折率が
低い）。

【００５６】サファイア導波管を製造する方法は、基板
（２０）上にＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（２１）からなる層を配
置する工程を含む。導波管（２２）は、Ａｌ_xＧａ_1-xＡ
ｓ層（２１）中に規定される。次に、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ
層（２１）は、アルモファスまたは多結晶Ａｌ₂Ｏ₃（γ
−Ａｌ₂Ｏ₃）（２３）に酸化され、これは１１００℃の
温度でアニールされ、サファイア（α−Ａｌ₂Ｏ₃）（２
４）からなる層を生成する。次に基板は、個々のサファ
イア導波管に劈開される。レーザ作用を補強する光学活
性なサファイア導波管を必要に応じて生成するために、
本方法の種々の時点でドーパントをサファイア導波管に
導入し得る。

【００５７】

【発明の効果】上述したように、本発明によると、サフ
ァイア導波管を製造する方法が提供される。これによ
り、均一な厚さを有する薄膜が製造され、さらに、イオ
ン注入技術を使用して低損失導波管が製造される。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、固体結晶レーザの模式図である。
（ｂ）は、（ａ）の固体結晶レーザにおけるエネルギー
準位の模式図である。

【図２】（ａ）は、半導体レーザの模式図である。
（ｂ）は、（ａ）のレーザデバイスのキャリアエネルギ
ー準位の模式図である。

【図３】必要に応じて固体結晶レーザにレーザ光を注入
するための半導体レーザの使用を示す模式図である。

【図４】必要に応じて本発明の固体結晶レーザにレーザ
光を注入するために使用される半導体レーザを示す模式
図である。

【図５】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の固体結晶レーザの
製造方法である。

【図６】本発明のさらなる実施態様における、図５
（ａ）に対応する模式断面図である。

【図７】本発明のさらなる実施態様における、図５
（ａ）に対応する断面図である。

【符号の説明】

１ 結晶レーザロッド １０ 半導体レーザ １１ 半導体基板 １２ レーザ活性領域 １３ リッジ導波管 １５ レンズ ２０ 基板 ２１ エピタキシャルＡｌＧａＡｓ ２２ 導波管 ２３ γ−Ａｌ₂Ｏ₃ ２４ サファイア導波管

Claims (28)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上にアルミニウムを含む層を配置す
   る工程と、 該アルミニウムを含む層をα−Ａｌ₂Ｏ₃からなる層に変
   換する工程と、を包含し、 １つ以上の導波管を規定する工程と、をさらに包含す
   る、サファイア導波管の製造方法。
2. 【請求項２】 前記変換工程を行う前に、前記１つ以上
   の導波管が前記アルミニウムを含む層において規定され
   る、請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 前記１つ以上の導波管が前記α−Ａｌ₂
   Ｏ₃からなる層において規定される、請求項１に記載の
   方法。
4. 【請求項４】 前記アルミニウムを含む層をα−Ａｌ₂
   Ｏ₃からなる層に変換する工程が、 アルミニウムを含む層をγ−Ａｌ₂Ｏ₃に酸化する工程
   と、 該γ−Ａｌ₂Ｏ₃をアニールし、α−Ａｌ₂Ｏ₃からなる層
   を生成する工程と、を包含する、請求項１、２、または
   ３に記載の方法。
5. 【請求項５】 前記酸化工程がＨ₂Ｏを含む雰囲気下で
   行われる、請求項４に記載の方法。
6. 【請求項６】 前記酸化工程が約４００℃の基板温度で
   行われる、請求項５に記載の方法。
7. 【請求項７】 前記アルミニウムのモル分率がアルミニ
   ウムを含む層の厚さ全体において変化する、上記請求項
   のいずれかに記載の方法。
8. 【請求項８】 前記アルミニウムのモル分率が前記アル
   ミニウムを含む層と前記基板との間の界面において最大
   値となる、請求項７に記載の方法。
9. 【請求項９】 前記アルミニウムを含む層がＡｌ_xＧａ
   _1-xＡｓ層である、上記請求項のいずれかに記載の方
   法。
10. 【請求項１０】 前記Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ層が０．１μｍ
    〜２０μｍの厚さを有する、請求項９に記載の方法。
11. 【請求項１１】 ｘ＞０．５である、請求項９または１
    ０に記載の方法。
12. 【請求項１２】 ｘ＞０．８である、請求項１１に記載
    の方法。
13. 【請求項１３】 前記変換工程が行われる前に、前記Ａ
    ｌ_xＧａ_1-xＡｓ層上に別のＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ層を配置す
    る工程をさらに包含する、請求項９〜１２のいずれかに
    記載の方法。
14. 【請求項１４】 ｘ＞ｙである、請求項１３に記載の方
    法。
15. 【請求項１５】 前記変換工程が行われる前に、前記Ａ
    ｌ_xＧａ_1-xＡｓ層上にＡｌＧａＡｓ超格子構造を配置す
    る工程をさらに包含する、請求項９〜１２のいずれかに
    記載の方法。
16. 【請求項１６】 前記アニール工程が前記γ−Ａｌ₂Ｏ₃
    の選択された部分を加熱する工程を包含する、請求項４
    に記載の方法。
17. 【請求項１７】 前記γ−Ａｌ₂Ｏ₃の前記選択された部
    分を電子ビームまたは電磁波を使用して照射することに
    よって、前記選択的加熱工程が行われる、請求項１６に
    記載の方法。
18. 【請求項１８】 変換工程を行う前に、１つ以上の導波
    管が前記アルミニウムを含む層において規定され、前記
    γ−Ａｌ₂Ｏ₃の前記選択された部分が該アルミニウムを
    含む層において規定された導波管に対応する、請求項１
    ６または１７に記載の方法。
19. 【請求項１９】 前記ＡｌＧａＡｓ層を酸化する工程の
    前に、該ＡｌＧａＡｓ層をドーピングする工程をさらに
    包含する、請求項９〜１８のいずれかに記載の方法。
20. 【請求項２０】 前記ＡｌＧａＡｓ層を酸化する工程の
    後で、前記γ−Ａｌ ₂Ｏ₃をアニールする工程の前に、該
    γ−Ａｌ₂Ｏ₃をドーピングする工程をさらに包含する、
    請求項９〜１８のいずれかに記載の方法。
21. 【請求項２１】 前記γ−Ａｌ₂Ｏ₃を前記アニールする
    工程の後に前記α−Ａｌ₂Ｏ₃をドーピングする工程をさ
    らに包含する、請求項９〜１８のいずれかに記載の方
    法。
22. 【請求項２２】 上記請求項に記載の方法によって生成
    される、サファイア導波管。
23. 【請求項２３】 半導体基板上に配置されたサファイア
    導波管を備える、光学デバイス。
24. 【請求項２４】 前記基板がシリコン基板である、請求
    項２３に記載の光学デバイス。
25. 【請求項２５】 前記基板が炭化ケイ素基板である、請
    求項２３に記載の光学デバイス。
26. 【請求項２６】 前記サファイア導波管がドーピングさ
    れる、請求項２３、２４、または２５に記載の光学デバ
    イス。
27. 【請求項２７】 前記ドーパントがチタン、クロム、ま
    たはコバルトである、請求項２６に記載の光学デバイ
    ス。
28. 【請求項２８】 前記光学デバイスがレーザデバイスで
    ある、請求項２６または２７に記載の光学デバイス。