JP4762772B2 - 波長変換素の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、波長変換素子の製造方法に関し、より詳しくは、化合物半導体からなる擬似位相整合構造を備えた波長変換素子の製造方法に関する。

強誘電体非線形光学結晶の誘電分極方向を周期的に１８０度反転させることにより擬似的に位相整合をとる擬似位相整合（ＱＰＭ:Quasi-phase Matching）は、下記の非特許文献１に記載されているように１９６２年にArmstrong 等によって発表された。

ＱＰＭによれば、角度整合等の位相調整が困難な材料に対しても非線形光学効果を効率良く取り出すことが可能になる。そのような擬似位相整合を可能にする強誘電体結晶として、ニオブ酸リチウム（ＬＮ：LiNbO₃）、タンタル酸リチウム（ＬＴ：LiTaO₃）が知られている。

強誘電体の分極を強制的に反転させる分極反転は、例えば、ＬＮ基板表面に周期的にＴｉを拡散することにより部分的にキュリー温度を下げ、熱処理によって行われることが、非特許文献２に記載されている。

また、下記の特許文献１、特許文献２には、分極反転層が周期的に形成された強誘電体層を第二高調波発生（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）用の波長変換素子として使用することが記載されている。

特許文献２には、周期的な分極反転層を形成する方法として、電子ビーム照射、電界印可を用いることが記載されている。

しかし、電子ビーム照射、電界印可又はＴｉの拡散の手法によって強誘電体層に微細な分極位相反転層を高精度に形成することは難しい。

また、強誘電体結晶は高い強度の基本波の入力に対して劣化しやすい。これは、ＬＮ、ＬＴはイルメナイト構造を有し、結晶内の電荷の移動による空間電荷が作る電界の方向の違いによってドメインを決めているので、高強度の基本波の照射によってその電界の方向が変わり易いことによる。そのような光損傷を抑制するためにＭｇＯやＺｎＯなどをＬＮ、ＬＴにドープすることが知られている。

以上のような強誘電体層に対して、非特許文献３には、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓの非線形光学定数の差を利用した表面入射型のＳＨＧ波長変換素子が記載されている。この光学素子は、ＧａＡｓ基板の（３１１）Ｂ面上に垂直にＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなる分極反転層と分極非反転層を形成した構造を有し、垂直方向に基本波を入射するようになっている。

しかし、この構造では、同一基板上にＳＨＧ波長変換素子と端面発光型半導体レーザを形成しようとする場合に、光接続が難しくなる。

これに対して、非特許文献４には、基板面上の水平方向に周期分極反転ＧａＮ（ＰＰＧａＮ）を形成して非線形光学素子を構成することが記載されており、ＳＨＧ効果が確認されている。

その周期的反転ＧａＮの形成方法として、まず、サファイア基板上にＡｌＮバッファを介してＧａＮ層を形成し、ついで、ＡｌＮ／ＧａＮ 及びサファイア基板を所定の深さまでエッチングして周期的なストライプを形成し、その後に、ストライプ状の、ＡｌＮ／ＧａＮと凹状のサファイア基板の上に、ＧａＮをＭＢＥ法により７２０℃の高温で成長させる方法が採用されている。これによれば、ストライプ状の、ＡｌＮ／ＧａＮの上でＧａ極性のＧａＮが成長し、その間のサファイア基板上ではＮ極性のＧａＮが成長する。
J.A.Armstrong, N.Bloembergen, J.Ducuing and P.s.Pershan, Phys. Rev. 127(1962), 1918 エレクトロニクスレター(Electron. Lett.) １９８９年２５号 ７３１頁） NS.Nakagawa, N.Yamada, N.Mikosiba, D.E.Mars, Applied Physics Letters, 66 (1995), 2159 A.Chowdhury, Hock M.Ng, M. Bhardwaj, N.G. Weimann, Applied Physics Letters, 82 (2003), 1326 特開平４−２７６７２５号公報 特開２００１−３３７３５５号公報

しかし、サファイア基板上に形成したＧａ極性のＧａＮとＮ極性のＧａＮを基板の水平方向に周期的に形成した非線形光学素子の表面は、非特許文献４にも記載されているように、N極のＧａＮの結晶制御の困難性から平坦性が劣る。この結果、非線形光学素子の適正なモード設計が難しく高い光密度を得ることができない。

本発明の目的は、適正なモード設計が行える波長変換素子の製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するための本発明の第１の態様は、基板面に対して第１の方向に配向する結晶軸を有する第１の半導体層の前記基板面上に光導波方向に所定周期長で複数の凹部が形成されるようにエッチングする工程と、前記第１の半導体層と同じ化合物からなる第２の半導体層を前記第１の方向とは異なる第２の方向に配向する結晶軸を有するように成長温度を調整して前記凹部内に成長させる工程と、前記凹部内に成長させた前記第２の半導体層の表面が前記基板面上に前記周期長で露出するように光学研磨することで分極反転層を形成する工程と、を有することを特徴とする波長変換素子の製造方法である。

本発明の第２の態様は、前記第１の態様に係る波長変換素子の製造方法において、前記分極反転層の表面をエッチングして前記光導波方向に延伸するリッジ構造を形成する工程を有することを特徴とする。

本発明の第３の態様は、前記第１の態様に係る波長変換素子の製造方法において、前記分極反転層と同じ配列で前記第１の方向と前記第２の方向に結晶軸が配向するように第３の半導体層を前記分極反転層の表面上に成長させることを特徴とする。

本発明の第４の態様は、前記第３の態様に係る波長変換素子の製造方法において、前記第３の半導体層は、成長方向に異なる化合物のコア層とクラッド層を有していることを特徴とする。

本発明の第５の態様は、前記第３又は第４の態様に係る波長変換素子の製造方法において、前記第３の半導体層の表面をエッチングして前記光導波方向に延伸するリッジ構造を形成する工程をさらに有することを特徴とする。

本発明の第６の態様は、前記第１乃至第５の態様のいずれかに係る波長変換素子の製造方法において、前記第１の半導体層の前記結晶軸は＋ｃ軸と−ｃ軸のうちの一方であり、前記第２の半導体層の結晶軸は前記＋ｃ軸と前記−ｃ軸のうちの他方であることを特徴とする。

本発明の第７の態様は、前記第１乃至第６の態様のいずれかに係る波長変換素子の製造方法において、前記化合物はＧａＮであって、前記第１の半導体層はＧａ極性とＮ極性のうちの一方を有し、前記第２の半導体層は前記Ｇａ極性と前記Ｎ極性のうちの他方を有することを特徴とする。

本発明の第８の態様は、前記第１乃至第７の態様のいずれかに係る波長変換素子の製造方法において、前記第１半導体層の成長温度は前記第２の半導体層の成長温度と異なっていることを特徴とする。

本発明の第９の態様は、前記第３乃至第５の態様のいずれかに係る波長変換素子の製造方法において、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とをそれぞれ異なる温度で成長させ、前記第３の半導体層を前記第１の半導体層の成長温度と前記第２の半導体層の成長温度との間の温度で成長させることを特徴とする。

本発明によれば、複数回で成長される第１、第２の半導体層からなる周期分極反転構造の表面を光学研磨して平坦化しているので、それらの上に適正なモード設計を行って、入射光に対する損失を低減することが可能になる。しかも、平坦化された第１、第２の半導体層の上に周期分極反転構造を有する波長変換用のコア層に格子歪みを生じさせて分極を大きく増強して変換効率を高くすることができる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１〜図３は、本発明の第１実施形態に係る波長変換素子の製造工程を示す断面図である。

まず、図１（ａ）に示すように、直径２インチの単結晶のＧａＮ基板１を用意する。このＧａＮ基板１は、下地基板（不図示）上に例えばハイドライドＶＰＥ法により３００μｍの厚さに成長されたもので、成長後に下地基板から剥離される。下地基板として、例えば、サファイア基板、シリコン基板、ＳｉＣ基板、又は、その基板の主面上にＧａＮ層又はＡｌＮ層を形成した基板等が用いられる。

そのようなＧａＮ基板１の第１の面１ａがＧａ（ガリウム）面、第２の面１ｂがＮ（窒素）面となっている。第１の面１ａは、＋ｃ軸方向に配向しているカチオン面であり、第２の面１ｂは、−ｃ軸方向に配向しているアニオン面である。なお、第１の面１ａの面方位は（１０００）である。

次に、図１（ｂ）に示すように、ＧａＮ基板１における第２の面１ｂの上に、SiO₂膜２をＣＶＤ法等により形成する。そして、SiO₂膜２上にレジスト（不図示）を塗布し、これを露光、現像して周期長Λのライン＆スペースのパターンを形成する。その周期の方向は、例えば、ＧａＮ基板１の劈開面に直交する方向とする。

その後に、レジストのパターンに覆われない部分のSiO₂膜２を反応性イオンエッチング法等によりエッチングすることにより、図１（ｃ）に示すように開口部２ａを形成してレジストのライン＆スペースのパターンをSiO₂膜２に転写する。そして、パターニングされたSiO₂膜２をマスクＭとして使用する。なお、マスクＭの材料としてはSiO₂膜に限られるものではなく、例えばチタン（Ti）などの金属膜を使用してもよい。

次に、図１（ｄ）に示すように、塩素系の反応ガスを用いて高速ドライエッチング等の手法により、マスクＭの開口部２ａを通してＧａＮ基板１を深さ約１０μｍまでエッチングする。これにより、ＧａＮ基板１の第２の面１ｂには、マスクＭのパターンが転写されて、周期長Λで凹部３が形成される。

この後に、図１（ｅ）に示すように、マスクＭを緩衝フッ酸（ＢＨＦ:Buffered HF）により除去する。

さらに、図２（ａ）に示すように、トリメチルガリウム、アンモニア等の反応ガスを用いて有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）法によりＧａＮ層４を約１０００℃の基板温度で全面に成長する。なお、ＧａＮ層４を成長する前に、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法によりＧａＮ又はＡｌＮからなるバッファ層を成長した後に基板温度８００℃以上の温度でＧａ極性のＧａＮ層を成長してもよい。

ＧａＮ層４の厚さは、ＧａＮ基板１の凹部３を完全に埋めるために２０μｍの厚さとする。なお、ＭＯＣＶＤ法によるＧａＮ層４を１μｍ成長した後に、ハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）により再成長してもよく、これにより埋込の効率がよくなる。

ＧａＮ層４は成長温度を約１０００℃と高くしているので、ＧａＮを構成する元素のうちＮ面から出発して成長しているが、成長初期において、この条件でより安定なＧａ面に変化し、再成長層の大半であるＧａＮ層４は＋Ｃ軸配向のＧａ極性となる。

なお、ＧａＮ層４を成長する前にマスクＭを除去したが、これを残したままでＧａＮ層４を成長してもよい。この場合には、マスクＭの開口部２ａを中心にしてＧａＮ層４の成長が進むために埋込の効率がより良いが、マスクＭの開口部２ａのエッジ部分では異常成長が生じ易い。

この状態では、マスクＭの有無にかかわらず、ＧａＮ層４の表面には凹凸が発生しているので、図２（ｂ）に示すように、その表面を研磨することにより平坦にするとともに凹部３以外のＧａＮ層４を除去する。研磨は、０．１μｍ以下の粒径をもつコロイダルシリカ等の砥粒を用いてアルカリ水溶液、例えばＫＯＨ溶液中でポリッシングクロスにより行う。

なお、マスクＭを除去せずにＧａＮ層４を成長した場合には、研磨の前にマスクＭをＢＨＦによりエッチングして除去する。

研磨による削り量を２μｍとした場合の平坦性の改善結果を調べたところ、原子間顕微鏡（ＡＦＭ）測定によれば、ＧａＮ層４を成長した直後のその表面荒さ（ラフネス）が０．１μｍ以上となる領域があって散乱損出の原因が存在したが、研磨後のＧａＮ層４及びＧａＮ基板１の表面荒さは１０ｎｍ以下となり、光学的に平坦な面となった。このような散乱損出の原因を除去するための光学的な研磨を、以下に光学研磨という。

続いて、図２（ｃ）に示すように、ＧａＮ層４及びＧａＮ基板１の研磨面の上にSiO₂膜５をＣＶＤ法により形成した後に、その上にフォトレジスト（不図示）を塗布し、これを露光、現像することにより、ＧａＮ基板１の劈開面に直交する方向に延びる幅３μｍのストライプ状のパターンを形成する。この後に、ストライプ状のフォトレジストをマスクにしてSiO₂膜５をドライエッチングしてレジストのパターンをSiO₂膜５に転写する。

さらに、フォトレジストを除去した後に、SiO₂膜５のパターンをマスクにしてＧａＮ層４及びＧａＮ基板１を例えば３μｍの深さにエッチングすると、図３に示すように、ＧａＮ層４及びＧａＮ基板１はSiO₂膜５のパターンが転写されて劈開方向に直交する方向に長いリッジストライプ構造６が形成される。そのリッジストライプ構造６は幅、高さがそれぞれ３μｍとなる。

ここで、SiO₂膜５を除去せずにこれをリッジストライプ構造６の保護膜として使用する。なお、低屈折率材料であるポリイミドによりリッジストライプ構造６の両側を埋め込むことも可能であるが、大出力光素子においてはポリイミドが劣化する場合があるのでその埋込を避けることにする。

次に、図２（ｄ）に示すように、ＧａＮ基板１の第１の面１ａ上に、ＴｉとＮｉの組み合わせ、或いはＣｒとＡｕＳｎ、その他の金属の組み合わせからなる金属膜を形成し、これをヒートシンクへの融着膜７とする。また、リッジストライプ構造６の表面に反射金属膜を形成してもよいが、導波路の加工形態、横モード設計等によっては光学的損失をともなうおそれもある。

以上のようなウェハプロセスは、例えば図４に示すような平面形状が円形のＧａＮ基板１の全面について行われ、リッジストライプ構造６は複数の領域に所定間隔で平行して形成される。

従って、所定の大きさの波長変換素子に分割する必要があり、リッジストライプ構造６の延在方向に直交する方向の劈開面に沿ってＧａＮ基板１を波長変換素子の長さ、例えば１０００μｍ〜５０００μｍごとに分割して図５に示すような棒状体を複数本形成する。

その後、棒状体の両端面に端面被膜（コーティング）を形成する。

波長変換素子の基本波入射面となる第１の端面には、第２高調波に対して高い反射率を有する第１の端面被膜８を形成する。即ち、リッジストライプ構造６及びその周囲に存在するＧａＮ、光学被膜材料及び空気からなる３つの層において、第１の端面被膜８の材料として最も低次の第２高調波の波長に対して反射率が最大となる屈折率材料を選択する。

例えば、基本波が１．０６μｍの波長の場合、厚さ２６６ｎｍの窒化シリコン（SiN）を触媒ＣＶＤ法により形成する。SiN 膜の屈折率は波長０．５３μｍの第２高調波に対して２．０に調整され、この膜により波長１．０６μｍの基本波に対しては低反射率被膜として機能する一方、波長０．５３μｍの第２高調波に対して高反射率被膜として機能する。

波長変換素子の第２高調波出射端となる第２の端面には、基本波を反射し且つ第２高調波については少なくとも第１の端面被膜８よりも反射率の低い第２の端面被膜９を形成する。第２の端面被膜９として、例えば、SiN 膜を５６０ｎｍの厚さに形成することにより所望の反射率性能を得ることができた。そのSiN 膜は、基本波の波長１．０６μｍに対する屈折率が１．９程度である。

第１、第２の端面被膜８，９を形成した後に、棒状体において平行に複数存在するリッジストライプ構造６のそれぞれの側部をダイサで切断して波長変換素子を個々に分離する。

以上により図６に示すようなＳＨＧ波長変換素子１０が完成する。その波長変換素子１０は、例えば図７に示すような構成の発光装置の部品として採用される。

図７において、ＳＨＧ波長変換素子１０は、ヒートシンク１１にダイボンディングされている。さらに、ヒートシンク１１には温度制御素子としてペルチェ素子（不図示）が搭載されている。これは、ＳＨＧ波長変換素子１０により安定した波長変換を得るためには、素子温度をコントロールする必要があるからである。

さらに、先端を楔加工した第１、第２の光ファイバ１２，１３を用意し、第１の光ファイバ１２の楔状先端をＳＨＧ波長変換素子１０の第１の端面に突き合わせ、第２の光ファイバ１３の楔状先端をＳＨＧ波長変換素子１０の第２の端面に突き合わせる。この場合、第１、第２の光ファイバ１２，１３として、ＦＢＧ（fiber Bragg grating）が形成された光ファイバを使用することにより、第１、第２の端面被膜８，９に求められる要件を補強して性能を高めることができる。

第１の光ファイバ１２に形成されたグレーティングは基本波の波長を選択するピッチを有し、第２の光ファイバに形成されたグレーティングは第２高調波の波長を選択するピッチを有している。これによれば、上記の第１、第２の端面被膜８，９を上記の条件と異ならせることも可能になる。

第１、第２の光ファイバ１２，１３として、その他に、ＳＨＧ波長変換素子に投入される入射光の偏波状態を一定にする偏波保持ファイバを用いてもよい。

なお、第１、第２の光ファイバ１２，１３の先端を楔にする代わりにファイバ先端にレンズを接続してもよいし、ＦＢＧの代わりに通常の光ファイバにエタロン又は外部グレーティングを接続してもよい。また、第１、第２の光ファイバ１２，１３として偏波保持ファイバを使用する代わりに光ファイバに偏光板を接続してもよい。

ＳＨＧ波長変換素子１０の第１の端面に入射する基本波の光は、例えば、第１の光ファイバ１２を介して半導体レーザモジュール１４から出力される。その半導体レーザモジュール１４は、サーミスタ、ペルチェ素子等を有することにより温度制御されて発振波長が一定となる構成となっている。また、リッジストライプ構造６の上面は平坦になっているので、光損失が少なく高出力を得ることができる。

また、リッジストライプ構造６は、その上面が研磨により平坦になっているので、ＳＨＧへの変換効率が良好となる。

ＳＨＧ波長変換素子１０のリッジストライプ構造６の幅を上記したように３μｍとする場合には、ＳＨＧ波長変換素子１０は入射する基本波が少なくとも基板面の垂直方向で単一の横モードとなって伝搬する素子として使用される。また、その幅を１００μｍ程度とする場合には、基本波がマルチの横モードで伝搬する素子として利用できる。

幅３μｍのリッジストライプ構造６のＳＨＧ波長変換素子１０は、入射光強度を１Ｗ程度とすると出射光強度が０．２Ｗ程度となる中出力素子となるが、円形に近いフィールドを得ることができ第２次高調波の発光品質に優れている。

一方、幅１００μｍのリッジストライプ構造６を持つＳＨＧ非線形光素子１０は、マルチモードファイバとカップリングすることにより入射光強度を１０Ｗ以上とすることができ、波長１０６０ｎｍの入射光を３０Ｗとすれば、波長５３０ｎｍの出射光を６Ｗ程度とすることができる。

図８は、３個のＳＨＧ波長変換素子１０Ｒ、１０Ｇ，１０Ｂを含有する発光装置を示し、ＳＨＧ波長変換素子１０Ｒ、１０Ｇ，１０Ｂのそれぞれに発振波長が異なる半導体レーザモジュール１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂが光ファイバ１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂを介して接続されている。

例えば、第１の半導体レーザモジュール１４Ｂの発振波長を９００ｎｍ、第２の半導体レーザモジュール１４Ｒの発振波長を１０６０ｎｍ、第３の半導体レーザモジュール１４Ｇの発振波長を１３００ｎｍとする。

また、それらの半導体レーザモジュール１４Ｂ，１４Ｒ，１４Ｇから光を入射するＳＨＧ波長変換素子１０Ｒ、１０Ｇ，１０Ｂの結晶軸方位の分極反転周期Λは、図９に示すウルツ鉱型ＧａＮの波長・屈折率特性に基づいて異ならせる必要がある。

即ち、第１の半導体レーザモジュール１４Ｂに光ファイバ１２Ｒを介して光接続されるＳＨＧ波長変換素子１０Ｂから４５０ｎｍの青色光を出力させる場合には、リッジストライプ構造６内での結晶軸の分極反転周期長を２．９μｍとする。第２の半導体レーザモジュール１４Ｒに光ファイバ１２Ｒを介して光接続されるＳＨＧ波長変換素子１０Ｒから６５０ｎｍの赤色光を出力させる場合には、リッジストライプ構造６の結晶軸の分極反転周期長を８．１μｍとする。また、第３の半導体レーザモジュール１４Ｇに光ファイバ１２Ｇを介して光接続されるＳＨＧ波長変換素子１０Ｇから５３０ｎｍの緑色光を出力させる場合には、リッジストライプ構造６の分極反転周期長を４．８４μｍとする。

そのようなＳＨＧ波長変換素子１０Ｂ，１０Ｒ，１０Ｇ、光ファイバ１２Ｂ，１２Ｒ，１２Ｇ及び半導体レーザモジュール１４Ｂ，１４Ｒ，１４Ｇにより高出力のＲＧＢ光源が構成できる。このＲＧＢ光源によればトータルで１０Ｗ以上のパワーが得られる。１Ｗの光は、波長が５５０ｎｍのとき、６８０ルーメンの光束に相当する。ＲＧＢ光源のうち、青色と赤色は、５５０ｎｍ付近の緑色に比べ視感度が落ちるため、緑色に比べ大きな光パワーを発生するようにする必要があるが、概ね３色で２０００ルーメンの光束を得ることができ、室内光の照度のもとでも、１ｍ×２ｍ程度のスクリーン上に画像を投射するに十分な光量を得ることができる。

従って、それらを複数配置して数メートル角の領域で照射することにより十分のスクリーン輝度が得られる上に、究極の色再現性と解像度が期待できるため、大画面、光解像度のディスプレイに応用すれば従来にない臨場感が得られ、バーチャル体験システム等に好適である。

そのようなディスプレイ装置においては、半導体レーザモジュール１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂから高い光密度で光がＳＨＧ波長変換素子１０に入射する。

また、基本波を１０６０ｎｍとした場合のＧａＮと強誘電体であるＬＮのそれぞれの分極反転の周期は、表１に示すようになる。これにより、ＧａＮリッジストライプ構造６の導波路を有するＳＨＧ波長変換素子１０Ｂ，１０Ｒ，１０Ｇは、強誘電体であるＬＮを使用したＳＨＧ波長変換素子に比べて分極反転周期を短くすることができ、コンパクト化が可能になることがわかる。

ＳＨＧ波長変換素子１０を構成するウルツ鉱型構造を有するＧａＮの周期的な分極の反転は、図１０（ａ）に示すように基板面に対して＋Ｃ軸配向のＧａＮ層のＧａ極性と、図１０（ｂ）に示すように基板面に対して−Ｃ軸配向のＧａＮ層のＮ極性によって行われているので、熱や電界により分極の向きは変化せず、高密度の光入射によって劣化しない。

従って、大きな光密度での駆動が実現するため、素子の単位導波路長あたりの変換効率を大きくすることができる。同一の変換効率を得るための素子の長さを小さくすることができる。

なお、イルメナイト構造を有するＬＮ、ＬＴなどの強誘電体は、空間電荷が作る電界の方向の違いによってドメインを決めているので、高密度の光照射によってドメインが変化しやすくなっている。

本実施形態に係るリッジストライプ構造の波長変換素子を和周波又は差周波を発生させる発光装置やパラメトリック発振に用いることができる。
（第２の実施の形態）
図１１、図１２は、本発明の第２実施形態に係る波長変換素子の製造工程を示す断面図である。

まず、図１１（ａ）に示すように、第１実施形態と同様に直径２インチの単結晶のＧａＮ基板１を用意する。そして、ＧａＮ基板１の第１の面１ａがＧａ（ガリウム）面、第２の面１ｂがＮ（窒素）面となっている。第１の面１ａは、＋ｃ軸が配向しているカチオン面であり、第２の面１ｂは、−ｃ軸が配向しているアニオン面である。

次に、図１１（ｂ）に示すように、ＧａＮ基板１における第１の面１ａの上に、SiO₂膜１６をＣＶＤ法等により形成する。そして、SiO₂膜１６上にレジスト（不図示）を塗布し、これを露光、現像して周期長Λのライン＆スペースのパターンを形成する。その周期の方向は、例えば、ＧａＮ基板１の劈開面に直交する方向とする。

その後に、レジストのパターンに覆われない部分のSiO₂膜１６を反応性イオンエッチング法等によりエッチングすることにより、図１１（ｃ）に示すように開口部１６ａを形成してレジストのライン＆スペースのパターンをSiO₂膜１６に転写する。そして、パターニングされたSiO₂膜１６をマスクＭとして使用する。なお、マスクＭの材料としてはSiO₂膜１２に限られるものではなく、例えばチタン（Ti）などの金属膜を使用してもよい。

次に、図１１（ｄ）に示すように、塩素系の反応ガスを用いて高速ドライエッチング等の手法により、マスクＭの開口部１６ａを通してＧａＮ基板１を深さ約１０μｍにエッチングする。これにより、ＧａＮ基板１の第１の面１ａには、マスクＭのパターンが転写されて、周期長Λで凹部１７が形成される。

この後に、図１１（ｅ）に示すように、マスクＭをＢＨＦ溶液により除去する。

さらに、図１２（ａ）に示すように、ＭＢＥ法によりＧａＮ層１８を約６００℃以下の基板温度で全面に成長する。ＧａＮ層１５の厚さは、ＧａＮ基板１の凹部１７を完全に埋めるために２０μｍの厚さとする。

ＧａＮ層１８は成長温度を6００℃以下と低くしているので、成長を開始する前のＧａＮ層の表面は、Ｇａ極性面から出発するが、低温で安定なＮ極性に変化する。従ってＧａＮ層１５は概ね−ｃ軸配向のＮ極性となる。このとき、Ｎ極性の成長膜を得るには、これに十分なＮラジカル濃度を供給する必要がある。基板温度が低いため、アンモニアの直接供給では不十分であり、プラズマガンや触媒分解の手法を取り入れる必要がある。

なお、マスクＭは、ＧａＮ層１８を成長する前に除去しているが、これを残したままでＧａＮ層１８を成長してもよい。この場合には、マスクＭの開口部１６ａを中心に成長が進む。

ところで、マスクＭの有無にかかわらず、ＧａＮ層１８の表面には凹凸が発生しているので、図１２（ｂ）に示すように、その表面を研磨して平坦にするとともに、凹部１６ａ以外のＧａＮ層１８を除去する。研磨の方法は、第１実施形態と同様に、０．１μｍ以下の粒径をもつコロイダルシリカ等の砥粒を用いてアルカリ水溶液、例えばＫＯＨ溶液中でポリッシングクロスにより行う。

なお、マスクＭを除去せずにＧａＮ層１８を成長した場合には、この研磨の前に、マスクＭをＢＨＦ溶液により除去する。

光学研磨が行われたＧａＮ層１８及びＧａＮ基板１の表面荒さは１０ｎｍ以下となり、第１実施形態と同様に光学的な平坦な面となった。

続いて、ＧａＮ層１８及びＧａＮ基板１の研磨面の上にSiO₂膜１９をＣＶＤ法により形成した後に、そのSiO₂膜１９を第１実施形態と同様にパターニングしてＧａＮ基板１の劈開面に直交する方向に延びる所定幅、例えば３μｍ〜１００μｍの幅のストライプ状のパターンを形成する。

さらに、SiO₂膜１９のパターンをマスクにしてＧａＮ層１８及びＧａＮ基板１を３μｍの深さにエッチングすると、図１３に示すように、ＧａＮ層１８及びＧａＮ基板１は第１実施形態と同様にＧａＮ基板１のリッジストライプ構造６となる。そのリッジストライプ構造６は高さがそれぞれ３μｍ、幅が３μｍ〜１００μｍとなる。

ここで、SiO₂膜１９はリッジストライプ構造６を保護する保護膜として残される。

次に、図１２（ｄ）に示すように、ＧａＮ基板の下面に、第１実施形態と同様なTiとNiの組み合わせなどからなる金属膜を形成してこれを融着膜２０とする。

以上のようなウェハプロセスは、例えば図４に示すような円形のＧａＮ基板１の全面について行われ、リッジストライプ構造６は複数の領域に所定間隔で平行して形成される。

そのようなＧａＮ基板１は図５に示したと同様に棒状に劈開され、さらに第１実施形態と同様に、棒状体の第１の端面に第１の端面被膜８を形成し、第２の端面に第２の端面被膜９を形成する。その後に、ダイサを使用して素子間を分離すると図１３に示すような波長変換素子２１が得られる。

本実施形態の波長変換素子２１によれば、ＧａＮ基板１がＧａ極性となり、ＧａＮ層１８がＮ極性となっているので、極性の向きは第１実施形態と異なってＧａＮ基板１とＧａＮ層１８で逆になっているが、リッジストライプ構造６の長さ方向で第１実施形態と同様にＧａ極性とＮ極性が交互に周期的に形成されている。

従って、波長変換素子２１において、第１実施形態と同様にリッジストライプ構造６により横モードが制御され、また、リッジストライプ構造６の上面は研磨により平坦になっているので、光損失が少なく高出力を得ることができ、第１実施形態の波長変換素子１０と機能、用途は同じである。
（第３の実施の形態）
図１４、図１５は、本発明の第３実施形態に係る波長変換素子の製造工程を示す断面図である。

まず、図１４（ａ）に示すように、サファイア基板３０の面方位（０００１）の面を主面とし、その上にＭＯＣＶＤ法によりＡｌＮよりなるバッファ層３１を６００℃以下の低温で厚さ１０ｎｍ程度に成長する。なお、サファイア基板３０の代わりにＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＡｌＮ基板、その他の基板を用いても良い。

続いて、ＭＯＣＶＤ法により第１のＧａＮ層３２を２０μｍ程度の厚さに成長する。この第１のＧａＮ層３２の成長時には基板温度を１０００℃とし、バッファ層３１上での最初の原子の成長を窒素（Ｎ）とする。第１のＧａＮ層３２は、図１０（ａ）に示したような結晶構造となり、サファイア基板３０の主面に対して＋ｃ軸配向したＧａ極性の層となる。

次に、図１４（ｂ）に示すように、第１のＧａＮ層３２の上にSiO₂膜３３をＣＶＤ法等により形成する。そして、SiO₂膜３３上にレジスト（不図示）を塗布し、これを露光、現像して周期長Λのライン＆スペースのパターンを形成する。その周期の方向は、例えば、サファイア基板２１の劈開面に直交する方向とする。

その後に、レジストのパターンに覆われない部分のSiO₂膜３３を反応性イオンエッチング法等によりエッチングすることにより、図１４（ｃ）に示すように開口部３３ａを形成してレジストのライン＆スペースのパターンをSiO₂膜３３に転写する。そして、パターニングされたSiO₂膜３３をマスクＭとして使用する。なお、マスクＭの材料としてはSiO₂膜に限られるものではなく、例えばチタンＴｉなどの金属膜を使用してもよい。

次に、図１４（ｄ）に示すように、塩素系の反応ガスを用いて高速ドライエッチング等の手法により、マスクＭの開口部３３ａを通して第１のＧａＮ層３２を浅く、例えば約１０μｍの深さにエッチングする。これにより、第１のＧａＮ層３２には、マスクＭのパターンが転写されて、周期長Λで凹部３４が形成される。

マスクＭをＢＨＦにより除去した後に、図１５（ａ）に示すように、トリメチルガリウム、アンモニア等の反応ガスを用いてガスソースＭＢＥ法により第２のＧａＮ層３５を６００℃以下の基板温度で第１のＧａＮ層３２上の全面に成長する。第２のＧａＮ層３５の厚さは、第１のＧａＮ層３２の凹部３４を完全に埋めるために２０μｍの厚さとする。

第２のＧａＮ層３５の成長温度は６００℃以下と低く設定されているので、ＧａＮの成長はＧａ面から成長し初め、これにより第２のＧａＮ層３５は−ｃ軸配向のＮ極性となる。

第２のＧａＮ層３５は、第１のＧａＮ層３２マスクＭを残したままで成長してもよい。なお、マスクＭを除去せずに第２のＧａＮ層３５を成長した場合には、その成長後にマスクＭをＢＨＦによりエッチングして除去する。

第２のＧａＮ層３５の成長後には、その表面には凹凸が発生しているので、図１５（ｂ）に示すように、その表面を光学研磨して平坦にするとともに、凹部２４以外の第２のＧａＮ層３５を除去する。研磨の方法は、第１実施形態と同様に、０．１μｍ以下の粒径をもつ砥粒を用いてアルカリ水溶液でポリッシングクロスにより行う。

これにより、サファイア基板３０の上には、基板面に平行方向でＧａ極性とＮ極性が所定の周期で繰り返される分極反転層が形成される。

次に、図１５（ｃ）に示すように、第１、第２のＧａＮ層３２，３５の研磨面の上に、ガスソースＭＢＥ法によって、厚さ２μｍ〜５μｍのＡｌＧａＮよりなる第１のクラッド層３６と、厚さ０．１μｍ〜１．０μｍのＧａＮよりなる導波路層３７と、厚さ２μｍ〜５μｍのＡｌＧａＮよりなる第２のクラッド層３８とを順に成長する。

ＡｌＧａＮ成長時のソースガスとしてはトリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、アンモニアを使用し、ＧａＮ成長時のソースガスとしてはトリメチルガリウム、アンモニアを使用する。また、成長時の基板温度は、６００℃より高く１０００℃より低い値、即ち中程度の温度に設定する。

ＡｌＧａＮのうちＡｌ組成を２０％とした場合には、格子整合等を考慮してクラッド層３６，３８の厚さは２μｍ程度が好ましい。また、導波路層３７の損失による分極効果の低減を抑制するためには０．１μｍ程度が好ましい。

なお、導波路層３７はクラッド層３６，３８よりも屈折率が高い材料が選択され、例えば導波路層３７とクラッド層３６，３８の組み合わせとして、例えば、ＩｎＧａＮとＧａＮ、ＡｌＧａＮとＡｌＮのいずれかを採用してもよい。

そのような条件により成長された第１のクラッド層３６、導波路層（コア層）３７、第２のクラッド層３８は、それぞれ下地である第１のＧａＮ層３２と第２のＧａＮ層３５の結晶性をそのまま受け継ぐので、第１のＧａＮ層３２の上ではＧａ極性となり第２のＧａＮ層３５の上ではＮ極性となり、これにより周期的に極性が反転する長周期のＱＰＭが導波路層４７及びクラッド層３６，３８に形成されることになる。

なお、第１のＧａＮ層３２と第２のＧａＮ層３５の成長条件によっては、導波路層３７において、第１のＧａＮ層３２上の領域と第２のＧａＮ層３５上の領域では歪みを変えることが可能になる。

次に、図１６（ａ）に示すように、ＣＶＤ法により、第２のクラッド層３８の上にSiO₂膜３９を形成し、その上にフォトレジスト（不図示）を塗布する。そして、フォトレジストを露光、現像することにより、サファイア基板３０の劈開面に直交する方向に延びる幅３μｍ〜１００μｍのストライプ状のパターンを形成する。この後に、フォトレジストをマスクにしてSiO₂膜３９をドライエッチングしてフォトレジストのパターンをSiO₂膜３９に転写する。

フォトレジストを除去した後に、SiO₂膜３９のパターンをマスクにして少なくとも第２のクラッド層３８を所定の深さまでエッチングすると、図１７に示すようなリッジストライプ構造４０が形成される。なお、エッチングは、第１のクラッド層３６に達する深さまで行ってもよい。

ここで、SiO₂膜３９を除去せずにリッジストライプ構造４０の保護膜として使用する。

次に、図１６（ｂ）に示すように、サファイア基板３０の下面にＴｉとＮｉの組み合わせ、或いはＣｒとＡｕＳｎ、その他の金属の組み合わせからなる金属膜４１を形成し、これをヒートシンクへの融着膜とする。

以上のようなウェハプロセスは、第１実施形態の図４に例示したように、基板全面について行われ、リッジストライプ構造４０は複数の領域に所定間隔で平行して形成される。

その後に、第１実施形態と同様に、リッジストライプ構造４０の延在方向に例えば１０００μｍ〜５０００μｍの長さごとに劈開してサファイア基板３０を棒状にする。

さらに、図１６（ｃ）に示すように、波長変換素子の基本波入射側の第１の端面には、第１実施形態と同様に、第２高調波に対して高い反射率を有する第１の端面被膜４２を形成する。

一方、波長変換素子の第２高調波の出射端となる第２の端面には、第１実施形態と同様に、基本波を反射し且つ第２高調波については少なくとも第１の端面被膜４２よりも反射率の低い第２の端面被膜４３を形成する。

第１、第２の端面被膜４２，４３を形成した後に、棒状体に平行に複数形成されたリッジストライプ構造４０の側部領域をダイサで切断して波長変換素子を分離する。

以上により図１７に示すような波長変換素子５０が完成される。その波長変換素子によれば、導波路層３７及びクラッド層３６，３８がＧａＮ層３２，３５の光学的研磨面上にエピタキシャル成長されているので、積層方向の導波設計が可能になり、より高密度の光導波路を構成でき、ＳＨＧ波長変換効率を高めることができる。

しかも、多層構造として格子歪み層を形成しても良く、これにより分極の大きさを増強してＳＨＧ変換効率をさらに高めることができる。

また、本実施形態に係る波長変換素子５０についても、光損失が少なく高出力を得ることができ、第１実施形態の波長変換素子１０と用途は同じである。

図１は、本発明の第１実施形態に係る波長変換素子の製造工程を示す断面図（その１）である。 図２は、本発明の第１実施形態に係る波長変換素子の製造工程を示す断面図（その２）である。 図３は、本発明の第１実施形態に係る波長変換素子の製造工程を示す斜視図である。 図４は、本発明の実施形態に係る波長変換素子が形成された基板を示す平面図である。 図５は、本発明の実施形態に係る波長変換素子が形成された基板を劈開して得られた棒状体示す平面図である。 図６は、本発明の第１実施形態に係る波長変換素子を示す斜視図である。 図７は、本発明の第１実施形態に係る波長変換素子を使用した発光装置の第１例を示す断面図である。 図８は、本発明の第１実施形態に係る波長変換素子を使用した発光装置の第２例を示す断面図である。 図９は、本発明の実施形態に係る波長変換素子に使用されるＧａＮの波長と屈折率の関係を示す図である。 図１０は、本発明の実施形態に係る波長変換素子に使用されるＧａＮの分極の向きの違いによる結晶構造を示す図である。 図１１は、本発明の第２実施形態に係る波長変換素子の製造工程を示す断面図（その１）である。 図１２は、本発明の第２実施形態に係る波長変換素子の製造工程を示す断面図（その２）である。 図１３は、本発明の第２実施形態に係る波長変換素子を示す斜視図である。 図１４は、本発明の第３実施形態に係る波長変換素子の製造工程を示す断面図（その１）である。 図１５は、本発明の第３実施形態に係る波長変換素子の製造工程を示す断面図（その２）である。 図１６は、本発明の第３実施形態に係る波長変換素子の製造工程を示す断面図（その３）である。 図１７は、本発明の第３実施形態に係る波長変換素子を示す斜視図である。

符号の説明

１：ＧａＮ基板
２、５：ＳｉＯ₂膜
３：凹部
４：ＧａＮ層
６：リッジストライプ構造
７：融着膜
８、９：端面被膜
１０、１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂ：波長変換素子
１１：ヒートシンク
１２、１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ、１３：光ファイバ
１４、１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂ：半導体レーザモジュール
１６、１９：ＳｉＯ₂膜
１７：凹部
１８：ＧａＮ層
２０：融着膜
３０：サファイア基板
３１：ＡｌＮ層
３２；ＧａＮ層
３３：ＳｉＯ₂膜
３４：凹部
３５、３９：ＧａＮ層
３６、３８：クラッド層
４０：リッジストライプ構造
４１：融着膜

Claims (9)

1. 基板面に対して第１の方向に配向する結晶軸を有する第１の半導体層の前記基板面上に光導波方向に所定周期長で複数の凹部が形成されるようにエッチングする工程と、
   前記第１の半導体層と同じ化合物からなる第２の半導体層を前記第１の方向とは異なる第２の方向に配向する結晶軸を有するように成長温度を調整して前記凹部内に成長させる工程と、
   前記凹部内に成長させた前記第２の半導体層の表面が前記基板面上に前記周期長で露出するように光学研磨することで分極反転層を形成する工程と、を有する
   ことを特徴とする波長変換素子の製造方法。
2. 前記分極反転層の表面をエッチングして前記光導波方向に延伸するリッジ構造を形成する工程を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子の製造方法。
3. 前記分極反転層と同じ配列で前記第１の方向と前記第２の方向に結晶軸が配向するように第３の半導体層を前記分極反転層の表面上に成長させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子の製造方法。
4. 前記第３の半導体層は、成長方向に異なる化合物のコア層とクラッド層を有している
   ことを特徴とする請求項３に記載の波長変換素子の製造方法。
5. 前記第３の半導体層の表面をエッチングして前記光導波方向に延伸するリッジ構造を形成する工程をさらに有する
   ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の波長変換素子の製造方法。
6. 前記第１の半導体層の前記結晶軸は＋ｃ軸と−ｃ軸のうちの一方であり、前記第２の半導体層の結晶軸は前記＋ｃ軸と前記−ｃ軸のうちの他方であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の波長変換素子の製造方法。
7. 前記化合物はＧａＮであって、前記第１の半導体層はＧａ極性とＮ極性のうちの一方を有し、前記第２の半導体層は前記Ｇａ極性と前記Ｎ極性のうちの他方を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載の波長変換素子の製造方法。
8. 前記第１半導体層の成長温度は前記第２の半導体層の成長温度と異なっていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載の波長変換素子の製造方法。
9. 前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とをそれぞれ異なる温度で成長させ、
   前記第３の半導体層を前記第１の半導体層の成長温度と前記第２の半導体層の成長温度との間の温度で成長させる
   ことを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか１つに記載の波長変換素子の製造方法。

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