[发明专利]波长变换元件和制造波长变换元件的方法

说明书

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。