JP6824112B2 - 導波素子、発光装置及び導波素子の製造方法 - Google Patents

導波素子、発光装置及び導波素子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、導波素子、発光装置及び導波素子の製造方法に関する。
２つ以上の光導波路を有する波長変換装置が提案されている。例えば、この２つ以上の光導波路の非線形分極が反転している。導波素子により、入射した光の波長を変換することができる。導波素子において波長変換効率の向上が求められる。
特開平４−８１７２５号公報
本発明の実施形態は、効率の向上が可能な導波素子、発光装置及び導波素子の製造方法を提供する。
本発明の実施形態によれば、導波素子は、第１結晶領域及び第２結晶領域を含む。前記第１結晶領域は、第１方向に延び、第１窒化物半導体を含む。前記第２結晶領域は、前記第１方向に延び、第２窒化物半導体を含み前記第１結晶領域と連続する。前記第１結晶領域から前記第２結晶領域に向かう第２方向は、前記第１方向と交差する。前記第１結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第１結晶領域から前記第２結晶領域に向かう。前記第２結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第２結晶領域から前記第１結晶領域に向かう。
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、第１実施形態に係る導波素子を例示する模式図である。 図２（ａ）〜図２（ｆ）は、第１実施形態に係る導波素子の製造方法を例示する模式的断面図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、導波素子の特性を例示するグラフ図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、導波素子の特性を例示するグラフ図である。 図５（ａ）〜図５（ｃ）は、参考例の導波素子を示す模式的斜視図である。 図６（ａ）〜図６（ｇ）は、実施形態に係る導波素子を例示する模式図である。 図７（ａ）〜図７（ｇ）は、参考例の導波素子を例示する模式図である。 図８は、第１実施形態に係る別の導波素子を例示する模式的斜視図である。 図９は、第２実施形態に係る導波素子を例示する模式的斜視図である。 図１０（ａ）〜図１０（ｆ）は、第２実施形態に係る別の導波素子を例示する模式図である。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１実施形態）
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、第１実施形態に係る導波素子を例示する模式図である。
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、斜視図である。図１（ｃ）は、図１（ｂ）のＡ１−Ａ２線断面図である。
図１（ａ）に示すように、実施形態に係る導波素子１１０は、第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２を含む。第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２は、第１方向に沿って延びる。第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２は、導波路１０に含まれる。
第１方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向及びＸ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。
第１結晶領域１１は、第１端部Ｅ１と第２端部Ｅ２とを含む。第１端部Ｅ１から第２端部Ｅ２に向かう方向は、第１方向（Ｚ軸方向）に沿う。第１結晶領域１１は、第１窒化物半導体を含む。
第２結晶領域１２は、第３端部Ｅ３と第４端部Ｅ４とを含む。第３端部Ｅ３から第４端部Ｅ４に向かう方向は、第１方向（Ｚ軸方向）に沿う。第２結晶領域１２は、第２窒化物半導体を含む。第２結晶領域１２は、例えば、第１結晶領域１１と連続している。第２結晶領域１２は、例えば、第１結晶領域１１と接する。第２結晶領域１２は、例えば、第１結晶領域１１と光学的に結合している。第１結晶領域１１と第２結晶領域１２との間の境界は、観測できる場合、または、観測できない場合があっても良い。
第１結晶領域１１から第２結晶領域１２に向かう第２方向は、第１方向と交差する。第２方向は、第１方向に対して垂直である。第２方向は、例えば、Ｘ軸方向である。
第１結晶領域１１の第１方向に沿う長さＬｚ１は、第１結晶領域１１の第２方向に沿う長さＬｘ１よりも長い。第２結晶領域１２の第１方向に沿う長さＬｚ２は、第２結晶領域１２の第２方向に沿う長さＬｘ２よりも長い。
第１方向及び第２方向を含む平面（例えばＸ−Ｚ平面）と交差する方向を第３方向とする。第３方向は、例えば、Ｙ軸方向である。
第１結晶領域１１の第１方向に沿う長さＬｚ１は、第１結晶領域１１の第３方向に沿う長さＬｙ１よりも長い。第２結晶領域１２の第１方向に沿う長さＬｚ２は、第２結晶領域１２の第３方向に沿う長さＬｙ２よりも長い。この例では、長さＬｙ１は、長さＬｘ１よりも長い。長さＬｙ２は、長さＬｘ２よりも長い。
例えば、長さＬｚ１は、長さＬｚ２と実質的に同じである。長さＬｚ１は、長さＬｚ２の０．９５倍以上１．０５倍以下である。例えば、長さＬｙ１は、長さＬｙ２と実質的に同じである。長さＬｙ１は、長さＬｙ２の０．９５倍以上１．０５倍以下である。例えば、長さＬｘ１は、長さＬｘ２と実質的に同じでも良く、異なっても良い。例えば、長さＬｘ１は、長さＬｘ２の０．９５倍以上１．０５倍以下でも良い。
長さＬｘ１と長さＬｘ２の和が、導波路１０の幅Ｗに対応する。
第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む。第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２は、例えば、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）を含んでも良い。第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２は、例えば、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０≦ｘ１≦１）を含んでも良い。
図１（ｂ）に示すように、この例では、第１層５０がさらに設けられる。第１層５０は、例えば、基体（または基板）である。
図１（ｃ）に示すように、第１層５０に凹部５０ｑ（例えば溝）及び凸部５０ｐが設けられる。導波路１０の少なくとも一部は、凹部５０ｑの中に設けられている。
第１層５０は、例えば、第１部分領域５０ａ、第２部分領域５０ｂ、第３部分領域５０ｃ及び第４部分領域５０ｄを含む。第２方向（Ｘ軸方向）において、第１部分領域５０ａと、第２部分領域５０ｂと、の間に、第１結晶領域１１の少なくとも一部が位置する。第２方向において、第１結晶領域１１のその少なくとも一部と、第２部分領域５０ｂと、の間に、第２結晶領域１２の少なくとも一部が位置する。第３部分領域５０ｃから第１結晶領域１１に向かう方向は、第３方向（第１方向及び第２方向を含む平面と交差する方向であり、この例では、Ｙ軸方向）に沿う。第４部分領域５０ｄから第２結晶領域１２に向かう方向は、第３方向（この例ではＹ軸方向）に沿う。
第１部分領域５０ａ、第２部分領域５０ｂ、第３部分領域５０ｃ及び第４部分領域５０ｄは、互いに他の１つと連続している。
第１層５０（基体または基板）は、例えば、ｃ面サファイア基板である。第１層５０は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３、または、ＡｌＯｘ）、シリコン（Ｓｉ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる群から選択された少なくとも１つを含む。第１層５０の例については、後述する。
第１層５０の屈折率は、第１結晶領域１１の屈折率よりも低い。第１層５０の屈折率は、第２結晶領域１２の屈折率よりも低い。第１層５０は、例えば、クラッド層として機能しても良い。
この例では、第２層６０がさらに設けられている。第２層６０は、例えば、第５部分領域６０ｅ、第６部分領域６０ｆ、第７部分領域６０ｇ及び第８部分領域６０ｈを含む。第２方向（Ｘ軸方向）において、第５部分領域６０ｅと、第６部分領域６０ｆと、の間に第１結晶領域１１の別の一部が位置する。第２方向において、第１結晶領域１１のその別の一部と、第６部分領域６０ｆと、の間に、第２結晶領域１２の別の一部が位置する。第１結晶領域１１から第７部分領域６０ｇに向かう方向は、第３方向（Ｙ軸方向）に沿う。第２結晶領域１２から第８部分領域６０ｈに向かう方向は、第３方向に沿う。
第２層６０の屈折率は、第１結晶領域１１の屈折率よりも低い。第２層６０の屈折率は、第２結晶領域１２の屈折率よりも低い。第１層５０は、例えば、クラッド層として機能しても良い。
例えば、第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２が、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）を含む場合、第２層６０は、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（０＜ｘ２≦１、ｘ１＜ｘ２）を含んでも良い。例えば、第２層６０は、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、酸化亜鉛（ＺｎＯｘ）、及び、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮｘ）及び、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３、または、ＡｌＯｘ）からなる群から選択された少なくともいずれかを含んでも良い。
第１結晶領域１１の第１端部Ｅ１及び第２結晶領域１２の第３端部Ｅ３から第１光Ｌ１が入射する。第１光Ｌ１は、これらの結晶領域の中を伝搬する。伝搬方向Ｒ１（図１（ｂ）参照）は、Ｚ軸方向に沿う。第２光Ｌ２が、第１結晶領域１１の第２端部Ｅ２及び第２結晶領域１２の第４端部Ｅ４から出射する。第２光Ｌ２の第２波長は、第１光Ｌ１の第１波長とは異なる。導波素子１１０により、波長変換が行われる。
第１層５０の屈折率、及び、第２層６０の屈折率のそれぞれが導波路１０の屈折率よりも低いことにより、光は、導波路１０（第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２）を効率的に伝搬する。第２層６０が省略され、第１結晶領域１１の上記の別の一部、及び、第２結晶領域１２の上記の別の一部の周りが気体（例えば空気など）でも良い。これらの結晶領域の周りが減圧空間でも良い。このような場合も、光は、導波路１０（第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２）を効率的に伝搬する。
図１（ａ）及び図１（ｃ）に示すように、第１結晶領域１１は、極性の第１向きＣＯ１を有する。第２結晶領域１２は、極性の第２向きＣＯ２を有する。第１向きＣＯ１は、第２向きＣＯ２と、逆の成分を有する。例えば、第１向きＣＯ１は、第２向きＣＯ２と逆である。
例えば、第１結晶領域１１の極性の第１向きＣＯ１は、第１結晶領域１１から第２結晶領域１２に向かう。例えば、第２結晶領域１２の極性の第２向きＣＯ２は、第２結晶領域１２から第１結晶領域１１に向かう。
例えば、第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２は、六方晶構造を有する。第１結晶領域１１の極性の第１向きＣＯ１は、第１結晶領域１１の＜０００１＞方向に対応する。第２結晶領域１２の極性の第２向きＣＯ２は、第２結晶領域１２の＜０００１＞方向に対応する。第１結晶領域１１の＜０００１＞方向は、第１結晶領域１１から第２結晶領域１２に向かう。第２結晶領域１２の＜０００１＞方向は、第２結晶領域１２から第１結晶領域１１に向かう。第１結晶領域１１における＜０００１＞方向は、＋Ｘ方向である。第２結晶領域１２の＜０００１＞方向は、−Ｘ方向である。
例えば、第１方向（Ｚ軸方向）は、第１結晶領域１１のｍ軸方向に沿い、第２結晶領域１２のｍ軸方向に沿う。
このような導波素子１１０により、高い波長変換効率が得られる。高い効率が得られる。例えば、２つの結晶領域において、結晶の極性の向きが互いに異なる。これにより、導波素子１１０に入射した光において、位相が整合する。例えば、基本波の電界成分（ＴＥ０ ω ）と、第２高調波の電界成分（ＴＥ１ ２ω）と、の重なり積分を大きくできる。高効率で波長を変換できる。導波素子１１０の特性の例については、後述する。
既に説明したように、実施形態においては、長さＬｙ１は長さＬｘ１よりも長く、長さＬｙ２は長さＬｘ２よりも長い。既に説明したように、導波路１０のＸ軸方向の幅Ｗは、長さＬｘ１と長さＬｘ２との和である。一方、導波路１０のＹ軸方向の幅は、長さＬｙ１または長さＬｙ２である。長さＬｙ１が長さＬｘ１よりも長く、長さＬｙ２が長さＬｘ２よりも長いことで、導波路１０のＸ軸方向の幅ＷをＹ軸方向の幅に近づけることができる。例えば、幅Ｗを拡大し易い。例えば、第１結晶領域１１の第２方向に沿う長さ（長さＬｘ１）と、第２結晶領域１２の第２方向に沿う長さ（長さＬｘ２）と、の和は、第１結晶領域１１の第３方向に沿う長さ（長さＬｙ１）の０．１倍以上２倍以下が好ましい。これにより、例えば、Ｘ軸方向での光の反射の回数を抑制できる。例えば、導波路１０における損失を抑制できる。
以下、実施形態に係る導波素子１１０の作製方法の例について説明する。以下の例では、導波素子において、複数の導波路が形成される。
図２（ａ）〜図２（ｆ）は、第１実施形態に係る導波素子の製造方法を例示する模式的断面図である。
図２（ａ）に示すように、第１層５０となる基板５０Ｆの上面に、マスク層７１となる膜を形成し、その上に、レジスト層７２となる膜を形成する。レジスト層７２となる膜をストライプ状に加工する。これにより、レジスト層７２が形成される。レジスト層７２は、Ｚ軸方向に延びるストライプ状である。レジスト層７２をマスクとして用いて、マスク層７１となる膜を加工する。これにより、マスク層７１が形成される。マスク層７１は、Ｚ軸方向に延びるストライプ状である。マスク層７１をマスクとして用いて、基板５０Ｆを加工する。基板５０Ｆの一部が除去されて、基板５０Ｆに、凹部５０ｑ（例えば溝）及び凸部５０ｐが形成される。これにより、第１層５０が形成される。凹部５０ｑ（例えば溝）及び凸部５０ｐは、Ｚ軸方向に沿って延びる。以下、第１層５０の形成（基板５０Ｆの加工）の例について説明する。
基板５０Ｆとして、例えば、ｃ面のサファイア基板が用いられる。ｃ面は、例えば、Ｘ−Ｚ平面に対して実質的に平行である。例えば、サファイア基板のｍ軸方向は、Ｚ軸方向に沿う。すなわち、凹部５０ｑ（例えば溝）及び凸部５０ｐは、ｍ軸方向に沿って延びる。
マスク層７１として、酸化シリコンが用いられる。マスク層７１の厚さは、例えば、約５０ｎｍである。
１つのレジスト層７２のＸ軸方向に沿う長さは、例えば約１．０μｍである。複数のレジスト層７２の間のＸ軸方向に沿う間隔（開口部の幅）は、例えば約１．０μｍである。ストライプの周期は、例えば約２．０μｍである。
レジスト層７２をマスクとして用いた、酸化シリコン膜（マスク層７１となる膜）の一部の除去においては、例えば、バッファードフッ酸を用いたエッチングが行われる。除去の前に、Ｏ２アッシャ処理を行っても良い。これにより、親水性が向上し、エッチングの均一性が向上する。酸化シリコン膜の一部の除去により、マスク層７１が得られる。この後、レジスト層７２を除去する。
マスク層７１をマスクとして用いた、基板５０Ｆの一部の除去には、例えば、ドライエッチング処理が行われる。これにより、複数の凹部５０ｑ及び複数の凸部５０ｐが形成される。複数の凹部５０ｑ及び複数の凸部５０ｐは、Ｚ軸方向に延びる。これにより、第１層５０が得られる。第１層５０は、第１側面５１及び第２側面５２を有する。これらの側面は、例えば、Ｚ軸方向に延びる。これらの側面は、例えば、Ｚ−Ｙ平面に沿っている。これらの側面は、サファイアの面に対応する。
このように、図２（ａ）に関して説明した処理が行われる。マスク層７１は、除去しても良い。または、マスク層７１は、残しても良い。
図２（ｂ）に示すように、第１層５０の第１側面５１及び第２側面５２に、バッファ層を形成する。例えば、第１側面５１の表面に第１バッファ層１１ｂが形成される。第２側面５２の表面に、第２バッファ層１２ｂが形成される。これらのバッファ層は、例えば、ＧａＮである。
図２（ｃ）に示すように、これらのバッファ層の上に、結晶層を成長させる。例えば、第１バッファ層１１ｂの表面に第１結晶層１１ｃが形成される。第２バッファ層１２ｂの表面上に、第２結晶層１２ｃが形成される。これらの結晶層は、例えば、ＧａＮである。これらの結晶層は、第１側面５１（第１バッファ層１１ｂ）、及び、第２側面５２（第２バッファ層１２ｂ）の上に、選択的に成長される。
第１層５０（基板）の凹部５０ｑの両方の側面（側壁）から、結晶層（第１結晶層１１ｃ及び第２結晶層１２ｃ）が成長される。第１結晶層１１ｃにおいて、＜０００１＞方向は、第１側面５１から第２側面５２に向かう。第２結晶層１２ｃにおいて、＜０００１＞方向は、第２側面５２から第１側面５１に向かう。このように、両方の側面から、ｃ軸が向かい合った２つのＧａＮ層が形成される。第１結晶層１１ｃは、極性の第１向きＣＯ１を有する。第２結晶層１２ｃは、極性の第２向きＣＯ２を有する。これらの向きは互いに逆である。
図２（ｄ）に示すように、２つの結晶層の成長を続けると、２つ結晶層（ＧａＮ層）が互いに接する。２つの結晶層が合体する。これにより、凹部５０ｑ中において、ｃ軸の方向が互いに逆の２つのＧａＮ層が形成される。第１結晶層１１ｃの少なくとも一部が、第１結晶領域１１となる。第２結晶層１２ｃの少なくとも一部が、第２結晶領域１２となる。第１結晶領域１１は、第１結晶層１１ｃの少なくとも一部と、第１バッファ層１１ｂの少なくとも一部と、を含んでも良い。第２結晶領域１２は、第２結晶層１２ｃの少なくとも一部と、第２バッファ層１２ｂの少なくとも一部と、を含んでも良い。
図２（ｅ）に示すように、第１層５０（基板）、第１結晶領域１１、及び、第２結晶領域１２の上に、第２層６０を形成する。第２層６０は、例えば、ＡｌＮである。第２層６０の厚さは、例えば２００ｎｍである。第２層６０は、例えば、第１結晶領域１１と重なる部分領域を有する。第２層６０の厚さは、例えば、この部分領域のＹ軸方向に沿った長さに対応する。
第２層６０は、例えば、スパッタ法により形成される。第２層６０は、例えば、蒸着法、ＡＬＤ法、または、ＣＶＤ法などにより形成されても良い。
この例では、第２層６０の形成の前に、マスク層７１が除去されている。マスク層７１は、残しても良い。
上記の図２（ｄ）に関して説明した工程において、結晶層の成長をさらに続けても良い。この場合、図２（ｆ）に示すように、１つの凹部５０ｑから成長した第１結晶層１１ｃと、別の１つの凹部５０ｑから成長した第２結晶層１２ｃと、が接触する。これにより、結晶層の複数の組みが形成される。複数の組みの１つは、結晶の極性の向きが互いに反転した２つの結晶層を含む。例えば、複数の第１結晶領域１１の１つと、複数の第１結晶領域１１の別の１つと、の間に、複数の第２結晶領域１２の１つが位置する。複数の第２結晶領域１２の１つと、複数の第２結晶領域１２の別の１つと、の間に、複数の第１結晶領域１１の１つが位置する。これらの結晶領域は、互いに接する。このような構造の形成の後に、第２層６０が形成される。
図２（ｅ）及び図２（ｆ）に例示した例において、第２層６０は、省略しても良い。
バッファ層（第１バッファ層１１ｂ及び第２バッファ層１２ｂ）、及び、結晶層（第１結晶層１１ｃ及び第２結晶層１２ｃ）は、エピタキシャル成長法により形成される。以下、エピタキシャル成長の例について、説明する。
図２（ａ）に例示した工程により、凹部５０ｑ、凸部５０ｐ及び側面を有する第１層５０（基板）が得られる。この第１層５０を、有機洗浄及び酸洗浄によって処理する。この後、第１層５０をＭＯＣＶＤ装置の反応室内に導入する。
ＭＯＣＶＤ装置において、水素雰囲気において、第１層５０（基板）のサーマルクリーニングを行う。このときの温度は、約１１００℃である。次に、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）及びアンモニア（ＮＨ３）を用い、バッファ層となるＧａＮを形成する。バッファ層の厚さ（Ｘ軸方向に沿う長さ）は、約３０ｎｍである。このときの成長温度（基板温度）は、約５００℃である。
その後、窒素及び水素を含む雰囲気にて、ＴＭＧａ及びアンモニアを用い、結晶層となるＧａＮを成長させる。このときの成長温度は、約１１２０℃であり、成長圧力は１００ｈＰａであり、Ｖ／III比は、３００である。このＧａＮは、第１層５０（基板）の凹部５０ｑの側面（第１側面５１及び第２側面５２）から選択的に成長する。これらの側面は、サファイアの面に対応する。ＧａＮは、凹部５０ｑの底面上には実質的に成長しない。選択的な成長は、例えば、成長速度の差異に起因する。
成長した結晶層（ＧａＮ）において、ＧａＮのｃ軸方向は、基板の主面（Ｘ−Ｚ平面）に対して実質的に平行である。
結晶層となるＧａＮの成長の初期において、ＧａＮ層（結晶層）は、Ｚ軸方向に沿って延びる。成長時間が長くなると、基板の凹部５０ｑにおいて、対向する２つの結晶層が互いに接するようになる。このとき、ＧａＮ層の上面（Ｘ−Ｚ平面に沿う面）は、（１１−２０）面となる。さらに結晶成長を続けると、図２（ｆ）に例示した構造が形成される。
第２層６０がＭＯＣＶＤ装置で形成されても良い。例えば、第２層６０がＡｌＮである場合には、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）及びアンモニア（ＮＨ３）を用いて第２層６０を形成できる。このときの成長温度は、約１１２０℃であり、成長圧力は１００ｈＰａであり、Ｖ／III比は、１００である。
例えば、第２層６０が酸化アルミニウムである場合には、例えば、窒素雰囲気で、トリメチルガリウム（ＴＭＡｌ）及び酸素（Ｏ２）を用いて第２層６０を形成できる。このときの成長温度は約１１００℃であり、成長圧力は１００ｈＰａである。
上記の結晶成長の後、温度を室温まで下げる。これにより、第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２が形成される。
上記のように、１つの凹部５０ｑの第１側面５１及び第２側面５２から、２つの結晶層をそれぞれ成長させることで、２つの結晶層の材料は、互いに実質的に同じになる。これにより、２つの結晶領域（第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２）の特性は、結晶方位を除いて実質的に同じになる。これにより、導波路１０（第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２）において、高い均質性が得られる。
１つの凹部５０ｑの第１側面５１及び第２側面５２から、２つの結晶層をそれぞれ成長させることで、２つの結晶層の厚さは、互いに実質的に同じになる。例えば、第１結晶領域１１の第２方向（Ｘ軸方向）に沿う長さＬｘ１は、第２結晶領域１２の第２方向に沿う長さＬｘ２の０．９倍以上１．１倍以下である。長さＬｘ１は、長さＬｘ２の０．９５倍以上１．０５倍でも良い。２つの結晶領域のこれらの長さ（厚さ）が、互いに実質的に同じことにより、例えば、基本波の電界成分（ＴＥ０ ω ）と、第２高調波の電界成分（ＴＥ１ ２ω）と、の重なり積分を大きくでき、より高い効率が得られる。
上記のように、導波素子１１０において、例えば、凹部５０ｑの２つの側面から、２つの結晶層が成長する。このため、成長の初期に形成された部分に比べて、成長の後期に形成された部分において、結晶品質が高くできる。例えば、転位密度を小さくできる。
例えば、第１結晶領域１１は、第１部分１１ｐ及び第２部分１１ｑを含む（図２（ｅ）参照）。第１部分１１ｐと第２結晶領域１２との間に、第２部分１１ｑが位置する。第２部分１１ｑにおける転位密度は、第１部分１１ｐにおける転位密度よりも低い。
例えば、第２結晶領域１２は、第３部分１２ｐ及び第４部分１２ｑを含む（図２（ｅ）参照）。第３部分１２ｐと第１結晶領域１１との間に、第４部分１２ｑが位置する。第４部分１２ｑにおける転位密度は、第３部分１２ｐにおける転位密度よりも低い。
第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２において、互いに他と近い領域の転位密度が低いことで、この領域を通過する光に対しての損失を低くできる。より高い効率が得られる。
以下、実施形態に係る導波素子１１０の特性の例について説明する。以下の例においては、第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２は、ＧａＮである。第１結晶領域１１の＜０００１＞方向、及び、第２結晶領域１２の＜０００１＞方向は、Ｘ軸方向に対して平行である。第１結晶領域１１の＜０００１＞方向は、第１結晶領域１１から第２結晶領域１２に向かう。第２結晶領域１２の＜０００１＞方向は、第２結晶領域１２から第１結晶領域１１に向かう。第１層５０は、ｃ面サファイア基板である。第２層６０は、ＡｌＮである。長さＬｘ１は、長さＬｘ２と同じである。以下、導波路１０の幅Ｗ（図１参照）を変えたときの特性のシミュレーション結果について説明する。シミュレーションにおいて、長さＬｚ１及び長さＬｚ２のそれぞれは、１ｍｍである。長さＬｙ１及び長さＬｙ２のそれぞれは、２μｍである。このような導波路１０において、第１端部Ｅ１及び第３端部Ｅ３に、第１光（入射光）が、入射し、導波路１０中を伝搬する。入射光は、レーザ光（コヒーレント光）である。
導波路１０における第２高調波の強度Ｉは、以下の式で表される。
Figure 0006824112
上記の式において、ｓｉｎ２（Δｋｚ／２）／（Δｋｚ／２）２の項は、伝搬方向の位相整合因子である。Δｋは、波数ベクトル不整合である。上記の式において、ｄ（ｙ）は、非線形光学定数である。上記の式において、Ｅ２ω（ｙ）は、第２高調波である。上記の式において、Ｅω（ｙ）は、基本波である。
上記の式に基づいて、導波路１０を伝搬する光の特性がシミュレーション計算により求められる。以下、光の特性のシミュレーション結果の例について説明する。
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、導波素子の特性を例示するグラフ図である。
これらの図において、入射光（第１光Ｌ１）の波長は、１０６４ｎｍである。図３（ａ）は、導波素子１１０のモード分散曲線の例を示す。図３（ａ）の横軸は、導波路１０の幅Ｗ（μｍ）である。縦軸は、実効屈折率ｎｅｆｆである。図３（ａ）には、基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ω、第２高調波のＴＥ０モードＴＥ０ ２ω、第２高調波のＴＥ１モードＴＥ１ ２ω、第２高調波のＴＥ２モードＴＥ２ ２ω、及び、第２高調波のＴＥ３モードＴＥ３ ２ωのそれぞれ特性が示されている。
図３に示すように、導波路１０の幅Ｗが大きくなると、基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ω、第２高調波のＴＥ０モードＴＥ０ ２ω、第２高調波のＴＥ１モードＴＥ１ ２ω、第２高調波のＴＥ２モードＴＥ２ ２ω、及び、第２高調波のＴＥ３モードＴＥ３ ２ωのそれぞれの実効屈折率ｎｅｆｆは、上昇する。幅Ｗが約１μｍの第１条件ＣＮ１のときに、基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωの実効屈折率ｎｅｆｆは、第２高調波のＴＥ１モードＴＥ１ ２ωの実効屈折率ｎｅｆｆと一致する。幅このような条件のときに、基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωの速度が、第２高調波のＴＥ１モードＴＥ１ ２ωの速度と一致する。例えば、基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωが、第２高調波のＴＥ１モードＴＥ１ ２ωに効率良く変換される。
幅Ｗが約２．７μｍの第２条件ＣＮ２のときに、基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωの実効屈折率ｎｅｆｆは、第２高調波のＴＥ２モードＴＥ２ ２ωの実効屈折率ｎｅｆｆと一致する。このような条件のときに、基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωの速度が、第２高調波のＴＥ２モードＴＥ２ ２ωの速度と一致する。例えば、基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωが、第２高調波のＴＥ２モードＴＥ２ ２ωに効率良く変換される。
図３（ｂ）は、第１条件ＣＮ１のときにおける電界強度ＥＦ（任意単位）を示す。図３（ｂ）の横軸は、Ｘ軸方向の位置ｐｘ（μｍ）である。縦軸は、電界強度ＥＦである。図３（ｂ）には、基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωの電界強度ＥＦ、及び、第２高調波のＴＥ１モードＴＥ１ ２ωの電界強度ＥＦが示されている。図３（ｂ）には、実施形態に係る導波素子１１０の特性と、参考例の導波素子１１９ａの特性と、が例示されている。導波素子１１０においては、第１結晶領域１１の＜０００１＞方向は、＋Ｘ方向であり、第２結晶領域１２の＜０００１＞方向は、−Ｘ方向である。一方、導波素子１１９ａにおいては、第１結晶領域１１の＜０００１＞方向は、＋Ｙ方向であり、第２結晶領域１２の＜０００１＞方向は、−Ｙ方向である。
図３（ｂ）に示すように、導波素子１１０における基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωの電界強度ＥＦは、導波素子１１９ａにおける基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωの電界強度ＥＦと同じである。導波素子１１０及び１１９ａの両方において、基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωの電界強度ＥＦは偶関数の特性を有する。
一方、導波素子１１０における第２高調波のＴＥ１モードＴＥ１ ２ωの電界強度ＥＦは、導波素子１１９ａにおける第２高調波のＴＥ１モードＴＥ１ ２ωの電界強度ＥＦとは異なる。導波素子１１０における第２高調波のＴＥ１モードＴＥ１ ２ωの電界強度ＥＦは、偶関数の特性を有する。導波素子１１９ａにおける第２高調波のＴＥ１モードＴＥ１ ２ωの電界強度ＥＦは、奇関数の特性を有する。
導波素子１１０においては、基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωの電界強度ＥＦと、第２高調波のＴＥ１モードＴＥ１ ２ωの電界強度ＥＦと、が合成されたときに、合成された電界強度ＥＦは、強くなる。これに対して、導波素子１１９ａにおいては、基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωの電界強度ＥＦと、第２高調波のＴＥ１モードＴＥ１ ２ωの電界強度ＥＦと、が合成されたときに、合成された電界強度ＥＦは、弱くなる。波長変換の効率が不十分である。
このように、実施形態に係る導波素子１１０においては、光の位相が整合し、重なり積分が増大できる。実施形態によれば、高効率で波長を変換できる。
上記の第２条件ＣＮ２のときにも、導波素子１１０においては、光の位相が整合し、重なり積分が増大できる。第２条件ＣＮ２のときには、導波素子１１０における第２高調波のＴＥ２モードＴＥ２ ２ωの電界強度ＥＦにおいて、同じ極性の３つのピークが生じる。これに対して、第２条件ＣＮ２のとき、導波素子１１９ａにおける第２高調波のＴＥ２モードＴＥ２ ２ωの電界強度ＥＦは、正負が逆の３つのピークが生じる。第２条件ＣＮ２においても、実施形態に係る導波素子１１０においては、光の位相が整合し、重なり積分が増大できる。
上記の第１条件ＣＮ１及び第２条件ＣＮ２のときに、入射光（第１光Ｌ１）の１０６４ｎｍの波長が、出射光（第２光Ｌ２）において、５３２ｎｍの波長に変換される。
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、導波素子の特性を例示するグラフ図である。
この例では、第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２は、ＡｌＮである。第１結晶領域１１の＜０００１＞方向、及び、第２結晶領域１２の＜０００１＞方向は、Ｘ軸方向に対して平行である。第１結晶領域１１の＜０００１＞方向は、第１結晶領域１１から第２結晶領域１２に向かう。第２結晶領域１２の＜０００１＞方向は、第２結晶領域１２から第１結晶領域１１に向かう。第１層５０は、ｃ面サファイア基板である。第２層６０は、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）である。
図４（ａ）及び図４（ｂ）において、入射光（第１光Ｌ１）の波長は、５３２ｎｍである。図４（ａ）は、導波素子１１０のモード分散曲線の例を示す。図４（ａ）の横軸は、導波路１０の幅Ｗ（μｍ）である。縦軸は、実効屈折率ｎｅｆｆである。
幅Ｗが約０．１８μｍの第３条件ＣＮ３のときに、基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωの実効屈折率ｎｅｆｆは、第２高調波のＴＥ１モードＴＥ１ ２ωの実効屈折率ｎｅｆｆと一致する。このような条件のときに、基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωの速度が、第２高調波のＴＥ１モードＴＥ１ ２ωの速度と一致する。例えば、基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωが、第２高調波のＴＥ１モードＴＥ１ ２ωに効率良く変換される。
幅Ｗが約０．４２μｍの第４条件ＣＮ４のときに、基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωの実効屈折率ｎｅｆｆは、第２高調波のＴＥ２モードＴＥ２ ２ωの実効屈折率ｎｅｆｆと一致する。このような条件のときに、基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωの速度が、第２高調波のＴＥ２モードＴＥ２ ２ωの速度と一致する。例えば、基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωが、第２高調波のＴＥ２モードＴＥ２ ２ωに効率良く変換される。
図４（ｂ）は、第３条件ＣＮ３のときにおける電界強度ＥＦ（任意単位）を示す。図３（ｂ）の横軸は、Ｘ軸方向の位置ｐｘ（μｍ）である。縦軸は、電界強度である。
図４（ｂ）に示すように、導波素子１１０における基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωの電界強度ＥＦは、導波素子１１９ａにおける基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωの電界強度ＥＦと同じである。導波素子１１０及び１１９ａの両方において、基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωの電界強度ＥＦは偶関数の特性を有する。導波素子１１０における第２高調波のＴＥ１モードＴＥ１ ２ωの電界強度ＥＦは、偶関数の特性を有する。導波素子１１９ａにおける第２高調波のＴＥ１モードＴＥ１ ２ωの電界強度ＥＦは、奇関数の特性を有する。
導波素子１１０においては、基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωの電界強度ＥＦと、第２高調波のＴＥ１モードＴＥ１ ２ωの電界強度ＥＦと、が合成されたときに、合成された電界強度ＥＦは、強くなる。これに対して、導波素子１１９ａにおいては、基本波のＴＥ０モードＴＥ０ ωの電界強度ＥＦと、第２高調波のＴＥ１モードＴＥ１ ２ωの電界強度ＥＦと、が合成されたときに、合成された電界強度ＥＦは、弱くなる。
このように、実施形態に係る導波素子１１０においては、光の位相が整合し、重なり積分が増大できる。実施形態によれば、高効率で波長を変換できる。
上記の第４条件ＣＮ４のときにも、導波素子１１０においては、光の位相が整合し、重なり積分が増大できる。第４条件ＣＮ４のときには、導波素子１１０における第２高調波のＴＥ２モードＴＥ２ ２ωの電界強度ＥＦにおいて、同じ極性の３つのピークが生じる。これに対して、第４条件ＣＮ４のとき、導波素子１１９ａにおける第２高調波のＴＥ２モードＴＥ２ ２ωの電界強度ＥＦは、異なる極性の３つのピークが生じる。第４条件ＣＮ４においても、実施形態に係る導波素子１１０においては、光の位相が整合し、重なり積分が増大できる。
上記の第３条件ＣＮ３及び第４条件ＣＮ４のときに、入射光（第１光Ｌ１）の５３２ｎｍの波長が、出射光（第２光Ｌ２）において、２６６ｎｍの波長に変換される。
図３（ａ）に示した例の第１条件ＣＮ１において、１０６４ｎｍの波長が５３２ｎｍの波長に変換される。逆に、第１条件ＣＮ１において、５３２ｎｍの波長が１０６４ｎｍの波長に変換されても良い。これは、第１条件ＣＮ１においては、１０６４ｎｍの波長に対する実効屈折率ｎｅｆｆが、５３２ｎｍの波長に対する実効屈折率ｎｅｆｆと同じであるためである。第１条件ＣＮ１のときに、５３２ｎｍの波長は２６６ｎｍの波長に変換されない。これは、第１条件ＣＮ１においては、５３２ｎｍの波長に対する実効屈折率ｎｅｆｆが、２６６ｎｍの波長に対する実効屈折率ｎｅｆｆと異なるためである。
一方、図４（ａ）に示した例の第３条件ＣＮ３において、５３２ｎｍの波長が２６６ｎｍの波長に変換される。逆に、第３条件ＣＮ３において、２６６ｎｍの波長が５３２ｎｍの波長に変換されても良い。これは、第３条件ＣＮ３においては、５３２ｎｍの波長に対する実効屈折率ｎｅｆｆが、２６６ｎｍの波長に対する実効屈折率ｎｅｆｆと同じであるためである。第３条件ＣＮ３のときに、５３２ｎｍの波長は１０６４ｎｍの波長に変換されない。これは、第３条件ＣＮ３においては、５３２ｎｍの波長に対する実効屈折率ｎｅｆｆが、１０６４ｎｍの波長に対する実効屈折率ｎｅｆｆと異なるためである。
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、参考例の導波素子を示す模式的斜視図である。
図５（ａ）に示すように、参考例の導波素子１１９ａにおいては、導波路１０Ａとして、結晶領域１１Ａ及び１２Ａが設けられる。結晶領域１１Ａから結晶領域１２Ａに向かう方向が、Ｘ軸方向である。結晶領域１１Ａにおける結晶の極性の第１向きＣＯ１（例えば＜０００１＞方向）は、＋Ｙ方向である。結晶領域１２Ａにおける結晶の極性の第２向きＣＯ２（例えば＜０００１＞方向）は、−Ｙ方向である。このような参考例においては、図３（ｂ）及び図４（ｂ）に関して説明したように、波長変換の効率が不十分である。さらに、参考例の導波素子１１９ａの構造を作製することは容易ではない。
図５（ｂ）に示すように、参考例の導波素子１１９ｂにおいても、結晶領域１１Ａから結晶領域１２Ａに向かう方向が、Ｘ軸方向である。結晶領域１１Ａにおける結晶の極性の第１向きＣＯ１（例えば＜０００１＞方向）は、＋Ｙ方向である。結晶領域１２Ａにおける結晶の極性の第２向きＣＯ２（例えば＜０００１＞方向）は、−Ｙ方向である。導波素子１１９ｂにおいては、２つの結晶領域は、平坦な基板５０Ａの上にそれぞれ形成される。例えば、結晶性の基板５０Ａの一部をマスクした状態で、その結晶性を引き継ぐ結晶領域１１Ａが形成される。この後、このマスクを除去し、露出した基板５０Ａの別の一部に、極性を反転させる処理を行う。この後、この別の一部の上に、結晶領域１２Ａを形成する。このような方法により、導波素子１１９ｂが得られる。例えば、基板５０Ａとして、ＬｉＮｂＯ３基板などが用いられる。極性を反転させる処理として、例えば、Ｔｉなどの拡散が行われる。導波素子１１９ｂにおいても、波長変換の効率が不十分である。さらに、２つの結晶領域が別に形成されるため、２つの結晶領域の特性を互いに同じにすることが実用的には困難である。さらに、２つの結晶領域の厚さは、実用的な結晶成長を考慮すると、薄い。このため、導波路１０Ａの幅（厚さ）が薄くなり、光の伝搬において損失が生じやすい。
図５（ｃ）に示すように、参考例の導波素子１１９ｃにおいては、結晶領域１１Ａ及び結晶領域１２Ａが、Ｚ軸方向に沿って交互に並ぶ。入射光（第１光Ｌ１）は、結晶領域１１Ａ及び結晶領域１２Ａを交互に通過する。このような構成も、ＬｉＮｂＯ３基板などが用いて、分極を反転させる処理（Ｔｉなどの拡散）により形成できる。または、以下の方法が考えられる。例えば、Ｓｉの（１００）面の基板の一部の上にＡｓ膜を形成し、その上に、ＡｌＧａＡｓ層を形成する。この後、その基板の別の一部の上に、Ｇａ膜を形成し、その上に、ＡｌＧａＡｓ層を形成する。これにより、結晶領域１１Ａ及び結晶領域１２ＡがＺ軸方向に沿って交互に並ぶ構造が形成できる。結晶領域１１Ａにおいては、極性の第１向きＣＯ１は、＋Ｙ方向である。結晶領域１２Ａにおいては、極性の第２向きＣＯ２は、−Ｙ方向である。このような導波素子１１９ｃにおいても、２つの結晶領域が別に形成されるため、２つの結晶領域の特性を互いに同じにすることが実用的には困難である。さらに、２つの結晶領域の厚さは、実用的な結晶成長を考慮すると、薄い。このため、導波路１０Ａの幅（厚さ）が薄くなり、光の伝搬において損失が生じやすい。
参考例の導波素子１１９ｃの製造方法を応用して、＋ｃ軸のＧａＮ（Ｇａ極性）及び−ｃ軸のＧａＮ（Ｎ極性）を形成する場合を検討する。この方法においては、＋ｃ軸のＧａＮ（Ｇａ極性）の成長速度に比べて、−ｃ軸のＧａＮ（Ｎ極性）の成長速度が著しく低い（遅い）。このため、＋ｃ軸のＧａＮと、−ｃ軸のＧａＮと、において、厚さ、または、周期の乱れが生じやすい。これらの乱れによって、位相不整合が増大し、波長変換効率が低下する。さらに、一般的に、＋ｃ軸のＧａＮと−ｃ軸のＧａＮとにおいて、結晶成長中に取り込まれる不純物濃度が異なる。例えば、−ｃ軸のＧａＮの方が、＋ｃ軸のＧａＮに比べて、不純物濃度（酸素または炭素の濃度）が２桁以上高い。これらの不純物は、光の吸収を生じさせる。このため、変換効率の低下が生じる。＋ｃ軸のＧａＮに比べて、−ｃ軸のＧａＮは結晶性が低下し易い。例えば、−ｃ軸のＧａＮにおける転位密度は、＋ｃ軸のＧａＮにおける転位密度の１０倍以上である。転位による伝搬損失により変換効率が低下する。
これに対して、本願の手法においては、凹部５０ｑの２つの側面から、２つの結晶層が成長する。この２つの結晶層は、＋ｃ軸のＧａＮである。これにより、２つの結晶層において、成長速度の差は生じない。これにより、周期及び厚さが実質的に等しい２つの結晶層が得られる。急峻な境界が形成できる。さらに、＋ｃ軸のＧａＮにより、２つの結晶層が形成されるため、不純物の取り込みが少ない。結晶性の良い導波路１０が得られる。実施形態によれば、変換効率の高い導波素子が得られる。
不純物は、例えば、酸素、炭素及びシリコンからなる群から選択された第１元素を含む。実施形態において、例えば、第１結晶領域１１における第１元素（不純物）の濃度（第１濃度）と、第２結晶領域１２における第１元素の濃度（第２濃度）と、の差は小さい。第１濃度は、第２濃度の０．０１倍超１００倍未満である。２つの結晶領域中の不純物濃度の差は、例えば、２桁未満である。これらの２つの結晶領域における酸素の濃度のそれぞれは、例えば、１０１７／ｃｍ３以下と低い。これらの２つの結晶領域における炭素の濃度のそれぞれは、例えば、１０１７／ｃｍ３以下と低い。これらの２つの結晶領域におけるシリコンの濃度のそれぞれは、例えば、１０１７／ｃｍ３以下と低い。
以下、参考例の導波素子１１９ｃと比較して、実施形態に係る導波素子１１０の特性の例について説明する。
図６（ａ）〜図６（ｇ）は、実施形態に係る導波素子を例示する模式図である。
図６（ａ）は、導波素子１１０を例示する模式的斜視図である。図６（ｂ）は、導波素子１１０の特性を例示するグラフ図である。図６（ｃ）〜図６（ｇ）は、導波素子１１０の特性を例示するグラフ図である。
図６（ａ）に示すように、導波素子１１０の導波路１０において、第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２が設けられる。第１結晶領域１１において、結晶の極性の第１向きＣＯ１（例えば＜０００１＞方向）は、＋Ｘ方向である。第２結晶領域１２において、結晶の極性の第２向きＣＯ２（例えば＜０００１＞方向）は、−Ｘ方向である。導波路１０に第１光Ｌ１が入射し、第２光Ｌ２が出射する。第１光Ｌ１は、基本波である。第２光Ｌ２は、例えば、ＳＨＧ（second- harmonic generation：第２高調波発生）波である。光の伝搬方向は、Ｚ軸方向に沿っている。
第１結晶領域１１のＸ軸方向に沿う長さと、第２結晶領域１２のＸ軸方向に沿う長さと、の和を規格化厚さＷｎとする。
図６（ｂ）の横軸は、規格化厚さＷｎである。縦軸は、実効屈折率ｎｅｆｆである。基本波の電界成分Ｅω、及び、ＳＨＧ波の電界成分Ｅ２ωは、規格化厚さＷｎが増大すると、上昇する。規格化厚さＷｎが約０．１８である条件ＣＮｎのときに、これらの電界成分に対する実効屈折率ｎｅｆｆが、互いに同じになる。すなわち、速度が同じになる。
図６（ｃ）に示すように、第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２が、Ｚ軸方向に沿って延びる。
図６（ｄ）〜図６（ｇ）の横軸は、Ｚ軸方向の位置である。図６（ｄ）の縦軸は、基本波の電界成分Ｅωである。図６（ｅ）の縦軸は、二次非線形分極Ｐ２ωを示す。図６（ｅ）には、成分Ｐ１１及び成分Ｐ１２が示されている。図６（ｆ）及び図６（ｇ）の縦軸は、ＳＨＧ波の電界成分Ｅ２ωである。
図６（ｄ）に示すように、速度ｃωの基本波が、導波路１０（第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２）に入射する。図６（ｅ）に示すように、導波路１０において、第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２を設けることで、二次非線形分極Ｐ２ωの負の成分の極性が、反転される。これにより、成分Ｐ１１及び成分Ｐ１２の両者が正になる。既に説明したように、条件ＣＮｎのときにおいて、ＳＨＧ波の速度ｃ２ωは、基本波の速度ｃωと同じである。このため、図６（ｆ）に示すように、ＳＨＧ波の電界成分Ｅ２ωの位相は、基本波の電界成分Ｅωの位相と一致する。図６（ｆ）及び図６（ｇ）に示すように、例えば、全ての位相が一致し、増幅が行われる。
実施形態に係る導波素子１１０においては、結晶の極性が反転した２つの結晶領域を用いることで、波長が変換された光が増幅される。簡単な構成により、高効率の波長変換が得られる。
実施形態においては、位相が整合する。基本波（入射光）のＴＥ０モードの電界強度分布と、第２高調波のＴＥ１モードの電界強度分布と、の重なり積分が増大する。高効率の波長変換が可能となる。例えば、可視光を高い効率で紫外線に変換できる。
図７（ａ）〜図７（ｇ）は、参考例の導波素子を例示する模式図である。
図７（ａ）は、参考例の導波素子１１９ｄを例示する模式的斜視図である。図７（ｂ）は、導波素子１１９ｄの特性を例示するグラフ図である。図７（ｃ）〜図７（ｇ）は、導波素子１１９ｄの特性を例示するグラフ図である。
図７（ａ）に示すように、導波素子１１９ｄの導波路１０Ａにおいて、結晶領域１１Ａ及び結晶領域１２Ａが、Ｚ軸方向に沿って交互に設けられる。結晶領域１１Ａにおいて、結晶の極性の第１向きＣＯ１は、＋Ｙ方向である。結晶領域１２Ａにおいて、結晶の極性の第２向きＣＯ２は、−Ｙ方向である。導波路１０Ａに第１光Ｌ１（基本波）が入射し、第２光Ｌ２（ＳＨＧ波）が出射する。光の伝搬方向は、Ｚ軸方向に沿っている。結晶領域１１Ａ及び結晶領域１２ＡのＹ軸方向に沿う長さを規格化厚さＷｎとする。
図７（ｂ）に示すように、導波素子１１９ｄにおいては、基本波の電界成分Ｅωに対する実効屈折率ｎｅｆｆは、及び、ＳＨＧ波の電界成分Ｅ２ωに対する実効屈折率ｎｅｆｆと一致しない。ＳＨＧ波の速度は、基本波の速度と同じにならない。
図７（ｃ）に示すように、結晶領域１１Ａ及び結晶領域１２Ａが、Ｚ軸方向に沿って並ぶ。
図７（ｄ）に示すように、速度ｃωの基本波が、導波路１０（結晶領域１１Ａ及び結晶領域１２Ａ）に入射する。図７（ｅ）に示すように、結晶領域１１における二次非線形分極Ｐ２ωの極性に対して、結晶領域１２における二次非線形分極Ｐ２ωの極性が反転される。結晶領域１２Ａにおける位相が、結晶領域１１Ａにおける位相に対してシフトする。ＳＨＧ波の速度ｃ２ωは、基本波の速度ｃωと同じではない。このため、一部の成分の位相が一致したときにおいても、他の成分の位相は一致しない。このため、導波素子１１９ｄにおいては、波長変換の効率を十分に高くできない。
図８は、第１実施形態に係る別の導波素子を例示する模式的斜視図である。
図８に示すように、本実施形態に係る別の導波素子１１０ａは、第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２に加えて、第３結晶領域１３及び第４結晶領域１４をさらに含む。導波素子１１０ａは、例えば、図２（ｆ）に関して説明した方法により形成できる。
第３結晶領域１３は、第１方向（Ｚ軸方向）に延び、第３窒化物半導体を含む。第４結晶領域１４は、第１方向に延び、第４窒化物半導体を含む。例えば、第４結晶領域１４は、第３結晶領域１３と連続する。例えば、第３結晶領域１３は、第２結晶領域１２と連続する。
第２方向（Ｘ軸方向）において、第１結晶領域１１と第４結晶領域１４との間に、第２結晶領域１２が位置する。第２方向において、第２結晶領域１２と第４結晶領域１４との間に第３結晶領域１３が位置する。
第３結晶領域１３の極性の第３向きＣＯ３、及び、第４結晶領域１４の極性の第４向きＣＯ４は、第２方向（Ｘ軸方向）に沿う。第３向きＣＯ３は、第４向きＣＯ４と逆である。第３向きＣＯ３は、第１向きＣＯ１と同じである。第４向きＣＯ４は、第２向きＣＯ２と同じである。
第３結晶領域１３の＜０００１＞方向は、第３結晶領域１３から第４結晶領域１４に向かう。第４結晶領域１４の＜０００１＞方向は、第４結晶領域１４から第３結晶領域１３に向かう。第３結晶領域１３の＜０００１＞方向は、第１結晶領域１１から第２結晶領域１２に向かう。第４結晶領域１４の＜０００１＞方向は、第２結晶領域１２から第１結晶領域１１に向かう。
第３結晶領域１３は、第５端部Ｅ５及び第６端部Ｅ６を含む。第５端部Ｅ５から第６端部Ｅ６に向かう方向は、第１方向（Ｚ軸方向）に沿う。第４結晶領域１４は、第７端部Ｅ７及び第８端部Ｅ８を含む。第７端部Ｅ７から第８端部Ｅ８に向かう方向は、第１方向に沿う。この場合、第１光Ｌ１は、第１端部Ｅ１及び第３端部Ｅ３に加えて、第５端部Ｅ５及び第７端部Ｅ７に入射する。
このように、結晶の方位が互いに逆の組みを、複数設けても良い。さらに高い効率の波長変換が実施できる。
（第２実施形態）
本実施形態は、発光装置に係る。発光装置は、第１実施形態に係る導波素子（及びその変形）と、光源部と、を含む。以下の例では、導波素子１１０が用いられる。
図９は、第２実施形態に係る導波素子を例示する模式的斜視図である。
図９に示すように、本実施形態に係る発光装置３１０は、導波素子１１０と、光源部２１０と、を含む。光源部２１０は、第１波長の第１光Ｌ１を出射する。
既に説明したように、第１結晶領域１１は、第１端部Ｅ１及び第２端部Ｅ２を含む。第１端部Ｅ１から第２端部Ｅ２に向かう方向は、第１方向（Ｚ軸方向）に沿う。第２結晶領域１２は、第３端部Ｅ３及び第４端部Ｅ４を含む。第３端部Ｅ３から第４端部Ｅ４に向かう方向は、第１方向に沿う。第１光Ｌ１は、第１端部Ｅ１及び第３端部Ｅ３に入射する。第２端部Ｅ２及び第４端部Ｅ４から出射する第２光Ｌ２の第２波長は、第１波長とは異なる。第１波長は、第２波長の実質的に２倍である。
例えば、第１波長は、４００ナノメートル以上９００ナノメートル以下である。例えば、第２波長は、２００ナノメートル以上４５０ナノメートル以下である。
導波素子１１０及び光源部２１０は、例えば、基板５０Ａの上に設けられる。基板５０Ａの一部は、第１層５０となっても良い。
光源部２１０は、例えば、半導体発光素子である。光源部２１０は、例えば、レーザである。光源部２１０は、例えば、ＩｎＧａＮレーザである。光源部２１０から出射する光（第１光Ｌ１）の波長は、例えば、５２０ｎｍである。波長変換されて得られる第２光Ｌ２の第２波長は、例えば２６０ｎｍである。
光源部２１０は、第１半導体層８１、発光層８３、第２半導体層８２、絶縁膜９１、第１電極９２ａ及び第２電極９２ｂを含む。この例では、バッファ層８０が設けられている。基板５０Ａと第２電極９２ｂとの間に、バッファ層８０が設けられる。バッファ層８０と第２電極９２ｂとの間に第１半導体層８１が設けられる。第１半導体層８１と第２電極９２ｂとの間に発光層８３が設けられる。発光層８３と第２電極９２ｂとの間に第２半導体層８２が設けられる。第１半導体層８１は、コンタクト層８１ａとクラッド層８１ｂとガイド層８１ｃを含む。第２半導体層８２は、コンタクト層８２ａとクラッド層８２ｂとガイド層８２ｃを含む。ガイド層８２ｃの一部と、第２電極９２ｂの一部と、の間にリッジ部８４が設けられる。リッジ部８４はコンタクト層８２ａとクラッド層８２ｂを含む。
第１半導体層８１は、例えば、第１導電形（例えばｎ形）の窒化物半導体（例えば、ｎ形ＧａＮ）を含む。コンタクト層８１ａは、例えば、ｎ形ＧａＮを含む。クラッド層８１ｂは、例えば、ｎ形ＡｌＧａＮを含む。ガイド層８１ｃは、例えば、ｎ形ＩｎＧａＮを含む。第２半導体層８２は、例えば、第２導電形（例えばｐ形）の窒化物半導体（例えば、ｐ形ＧａＮ）を含む。コンタクト層８２ａは、例えば、ｐ形ＧａＮを含む。クラッド層８２ｂは、例えば、ｐ形ＡｌＧａＮを含む。ガイド層８２ｃは、例えば、ｐ形ＩｎＧａＮを含む。発光層８３は、例えば、ＩｎＧａＮを含む。クラッド層８１ｂの屈折率は、ガイド層８１ｃの屈折率よりも低い。クラッド層８２ｂの屈折率は、ガイド層８２ｃの屈折率よりも低い。
実施形態においては、例えば、ＩｎＧａＮレーザの光源部２１０と、導波素子１１０と、が基板５０Ａの上にモノリシックに形成される。これにより、高い効率で超小型の発光装置が提供できる。
図９に例示した発光装置３１０において、導波素子１１０ａ（図８参照）と、光源部２１０と、が組み合わされても良い。この場合、第１光Ｌ１は、第１端部Ｅ１及び第３端部Ｅ３に加えて、第５端部Ｅ５及び第７端部Ｅ７に入射する。
図１０（ａ）〜図１０（ｆ）は、第２実施形態に係る別の導波素子を例示する模式図である。
図１０（ａ）に示すように、導波素子１１１において、複数の導波路１０が設けられる。このような導波素子１１１に、光源部２１０からの第１光Ｌ１が入射する。この例では、複数の導波路１０は、互いに離れている。
図１０（ｂ）に示すように、導波素子１１２においても、複数の導波路１０が設けられる。このような導波素子１１２に、光源部２１０からの第１光Ｌ１が入射する。この例では、複数の導波路１０のそれぞれは、他と接している。
図１０（ｃ）に示すように、導波素子１１３においても、導波路１０、及び、別の導波路１０Ａが設けられる。これらの導波路の構成は、互いに異なる。そして、光源部２１０に加えて、別の光源部２２０が設けられる。これらの光源部から出射する光（第１光Ｌ１、及び、別の第１光Ｌ１Ａ）は、互いに異なる。例えば、波長が互いに異なる。このような、複数の構成が、１つの基板５０Ａの上に設けられても良い。
図１０（ｄ）に示すように、導波素子１１４においては、導波路１０、及び、別の導波路１０Ｂが設けられる。別の導波路１０Ｂは、導波路１０と連続している。これらの導波路の１つを伝搬する光が、これらの導波路の他の１つを通過する。これらの導波路の構成は、互いに異なる。例えば、導波路１０で波長変換された光が、別の導波路１０Ｂでさらに波長変換される。例えば、第１光Ｌ１の第４高調波を生成できる。１つの光源部２１０から第１光Ｌ１が、導波路に入射する。
図１０（ｅ）に示すように、導波素子１１５においては、導波路１０Ｃの幅（導波路１０の延びる方向と交差する方向に沿った導波路１０Ｃの長さ）が、延びる方向に沿って変化する。この例では、光源部２１０に近い領域における幅よりも、光源部２１０から遠い領域における幅は大きい。このような構成により、例えば、波長変換される光の波長の範囲が拡大できる。
図１０（ｆ）に示すように、導波素子１１６においては、導波路１０Ｄは屈曲している。導波路１０Ｄは折れ曲がっている。このような構成により、例えば、導波路長を長くでき、変換効率が増大できる。
このように、導波路、及び、光源部において、種々の変形が可能である。
（第３実施形態）
本実施形態は、導波素子の製造方法に係る。本製造方法は、例えば、図２（ａ）〜図２（ｆ）に関して説明した処理の少なくとも一部を含む。
本製造方法は、結晶性の第１層５０を用意する工程を含む（図２（ａ）参照）。第１層５０は、第１方向（例えばＺ軸方向）に延びる凹部５０ｑを有する。凹部５０ｑは、第１側面５１及び第２側面５２を有する。第１側面５１及び第２側面５２は、第１方向と交差する第２方向（例えばＸ軸方向）において互いに対向する。
本製造方法は、第１側面５１から窒化物半導体を含む第１結晶層１１ｃを成長させ、第２側面５２から窒化物半導体を含む第２結晶層１２ｃを成長させる工程を含む（図２（ｃ）参照）。
本製造方法は、第１結晶層１１ｃと第２結晶層１２ｃとを互いに接触させ、第１結晶層１１ｃを含む第１結晶領域１１、及び、第２結晶層１２ｃを含む第２結晶領域１２を形成することを含む（図２（ｄ）参照）。
このような製造方法により、効率の向上が可能な導波素子を製造できる。
（第４実施形態）
上記の第１実施形態においては、第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２は、窒化物半導体を含む。第４実施形態においては、第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２は、窒化物半導体以外の材料を含んでも良い。これ以外は、第１実施形態と同様である。
第４実施形態に係る導波素子（例えば、図１（ａ）〜図１（ｃ）に例示した導波素子１１０など）は、第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２を含む。第１結晶領域１１は、第１方向に延びる。第２結晶領域１２は、第１方向に延び、第１結晶領域１１と連続する。第１結晶領域１１から第２結晶領域１２に向かう第２方向は、第１方向と交差する。第１結晶領域１１の極性の第１向きＣＯ１、及び、第２結晶領域１２の極性の第２向きＣＯ２は、第２方向に沿う。第１向きＣＯ１は、第２向きＣＯ２と、逆である。
第４実施形態においても導波素子（例えば、図８に例示した導波素子１１０ａ）は、第３結晶領域１３及び第４結晶領域１４をさらに含んでも良い。第３結晶領域１３は、第１方向に延びる。第４結晶領域１４は、第１方向に延び第３結晶領域１３と連続する。第２方向において、第１結晶領域１１と第４結晶領域１４との間に第２結晶領域１２が位置する。第２方向において、第２結晶領域１２と第４結晶領域１４との間に第３結晶領域が位置する。第３結晶領域１３の極性の第３向きＣＯ３、及び、第４結晶領域１４の極性の第４向きＣＯ４は、第２方向に沿う。第３向きＣＯ３は、第１向きＣＯ１と同じである。第４向きＣＯ４は、第２向きと同じである。
例えば、第３結晶領域１３は、第２結晶領域１２と連続しても良い。
上記の第１結晶領域１１〜第４結晶領域１４は、例えば、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ及びＧａＡｓから選択された少なくとも１つを含む。
第４実施形態に係る導波素子においても、効率の向上が可能な導波素子及び発光装置が提供できる。
例えば、レーザの波長域を、深紫外または中赤外領域などに拡げる方法として、非線形光学効果を利用した波長変換技術がある。波長変換法として、例えば、強誘電体材料の複屈折を利用した位相整合法が利用される。非線形光学定数の空間変調構造により、位相の不整合を補償する技術として、疑似位相整合法がある。化合物半導体は、大きな２次非線形定数を有する。化合物半導体は、波長変換材料として用いることができる。化合物半導体による疑似位相整合において、例えば、周期的に分極を変調する方法がある。しかしながら、例えば、分極を結晶方位により変調させる場合には、結晶方位によって最適な結晶成長条件が異なるため、各分極領域の大きさや結晶の品質に差が生じやすく、波長変換効率が低下しやすい。
実施形態においては、良好な光学特性を有する２つの結晶領域を安定して製造することができる。
２次の非線形光学効果は、Ｐω３（２）＝ε０χ（２）（ω３：ω１，ω２）Ｅω１Ｅω２で表される。ここで、Ｐ（２）は、二次の非線形分極である。ε０は、真空の誘電率である。χ（２）は、２次の非線形感受率である。Ｅは、光電場である。角振動数ω１及びω２の入射光と、非線形媒質と、の相互作用によって非線形分極が生じる。入射光とは異なる角振動数ω３（ω３＝ω１±ω２）の光が得られる。すなわち、波長が変換される。
実施形態に係る導波素子においては、例えば、２次非線形光学効果を用いた波長変換に利用できる。２次非線形光学効果を用いた波長変換は、例えば、第２高調発波発生（ＳＨＧ）、和周波発生（ＳＦＧ：sum-frequency generation）、差周波発生（ＤＦＧ：difference-frequency generation）、及び、光パラメトリック発生・発振（ＯＰＯ：optical parametric oscillation）の少なくともいずれかを含む。
実施形態は、以下の構成を含んでも良い。
（構成１）
第１方向に延び、第１窒化物半導体を含む第１結晶領域と、
前記第１方向に延び、第２窒化物半導体を含み前記第１結晶領域と連続した第２結晶領域と、
を備え、
前記第１結晶領域から前記第２結晶領域に向かう第２方向は、前記第１方向と交差し、
前記第１結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第１結晶領域から前記第２結晶領域に向かい、
前記第２結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第２結晶領域から前記第１結晶領域に向かう、導波素子。
（構成２）
前記第１方向は、前記第１結晶領域のｍ軸方向に沿い、前記第２結晶領域のｍ軸方向に沿う、構成１記載の導波素子。
（構成３）
前記第１結晶領域は、第１部分と、第２部分と、を含み、
前記第１部分と前記第２結晶領域との間に前記第２部分が位置し、
前記第２部分における転位密度は、前記第１部分における転位密度よりも低く、
前記第２結晶領域は、第３部分と、第４部分と、を含み、
前記第３部分と前記第１結晶領域との間に前記第４部分が位置し、
前記第４部分における転位密度は、前記第３部分における転位密度よりも低い、構成１または２に記載の導波素子。
（構成４）
前記第１結晶領域に含まれる第１元素の第１濃度は、前記第２結晶領域に含まれる前記第１元素の第２濃度の０．０１倍超１００倍未満であり、
前記第１元素は、酸素、炭素及びシリコンからなる群から選択された１つである、構成１〜３のいずれか１つに記載の導波素子。
（構成５）
前記第１結晶領域の前記第２方向に沿う長さは、前記第２結晶領域の前記第２方向に沿う長さの０．９倍以上１．１倍以下である、構成１〜４のいずれか１つに記載の導波素子。
（構成６）
前記第１結晶領域の前記第２方向に沿う長さと、前記第２結晶領域の前記第２方向に沿う長さと、の和は、前記第１方向及び前記第２方向を含む平面と交差する第３方向に沿う前記第１結晶領域の長さの０．１倍以上２倍以下である、構成１〜４のいずれか１つに記載の導波素子。
（構成７）
前記第１結晶領域の前記第１方向に沿う長さは、前記第１結晶領域の前記第２方向に沿う長さよりも長く、
前記第２結晶領域の前記第１方向に沿う長さは、前記第２結晶領域の前記第２方向に沿う長さよりも長い、構成１〜４のいずれか１つに記載の導波素子。
（構成８）
前記第１結晶領域の前記第１方向に沿う前記長さは、前記第１結晶領域の第３方向に沿う長さよりも長く、
前記第２結晶領域の前記第１方向に沿う前記長さは、前記第２結晶領域の前記第３方向に沿う長さよりも長く、
前記第３方向は、前記第１方向及び前記第２方向を含む平面と交差した、構成７記載の導波素子。
（構成９）
第１部分領域、第２部分領域、第３部分領域及び第４部分領域を含む第１層をさらに備え、
前記第２方向において、前記第１部分領域と、前記第２部分領域と、の間に前記第１結晶領域の少なくとも一部が位置し、
前記第２方向において、前記第１結晶領域の前記少なくとも一部と、前記第２部分領域と、の間に、前記第２結晶領域の少なくとも一部が位置し、
前記第３部分領域から前記第１結晶領域に向かう方向は、前記第１方向及び前記第２方向を含む平面と交差する第３方向に沿い、
前記第４部分領域から前記第２結晶領域に向かう方向は、前記第３方向に沿う、構成１〜７のいずれか１つに記載の導波素子。
（構成１０）
前記第１層は、酸化アルミニウム、シリコン、窒化アルミニウム及び炭化ケイ素からなる群から選択された少なくとも１つを含む、構成９記載の導波素子。
（構成１１）
前記第１層の屈折率は、前記第１結晶領域の屈折率よりも低く、前記第２結晶領域の屈折率よりも低い、構成９記載の導波素子。
（構成１２）
第５部分領域、第６部分領域、第７部分領域及び第８部分領域を含む第２層をさらに備え、
前記第２層の屈折率は、前記第１結晶領域の屈折率よりも低く、前記第２結晶領域の屈折率よりも低く、
前記第２方向において、前記第５部分領域と、前記第６部分領域と、の間に前記第１結晶領域の別の一部が位置し、
前記第２方向において、前記第１結晶領域の前記別の一部と、前記第６部分領域と、の間に、前記第２結晶領域の別の一部が位置し、
前記第１結晶領域から前記第７部分領域に向かう方向は、前記第３方向に沿い、
前記第２結晶領域から前記第８部分領域に向かう方向は、前記第３方向に沿う、構成９〜１１のいずれか１つに記載の導波素子。
（構成１３）
前記第１結晶領域及び前記第２結晶領域は、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）を含み、
前記第２層は、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（０＜ｘ２≦１、ｘ１＜ｘ２）を含む、構成１２記載の導波素子。
（構成１４）
前記第２層は、酸化シリコン、酸化亜鉛、窒化シリコン、酸窒化シリコン及び酸化アルミニウムからなる群から選択された少なくとも１つを含む、構成１２記載の導波素子。
（構成１５）
前記第１方向に延び、第３窒化物半導体を含む第３結晶領域と、
前記第１方向に延び、第４窒化物半導体を含み前記第３結晶領域と連続した第４結晶領域と、
をさらに備え、
前記第２方向において、前記第１結晶領域と前記第４結晶領域との間に前記第２結晶領域が位置し、
前記第２方向において、前記第２結晶領域と前記第４結晶領域との間に前記第３結晶領域が位置し、
前記第３結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第３結晶領域から前記第４結晶領域に向かい、
前記第４結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第４結晶領域から前記第３結晶領域に向かう、構成１〜１４のいずれか１つに記載の導波素子。
（構成１６）
前記第３結晶領域は前記第２結晶領域と連続した、構成１５記載の導波素子。
（構成１７）
前記第１結晶領域及び前記第２結晶領域は、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０≦ｘ１≦１）を含む、請求項１〜１６のいずれか１つに記載の導波素子。
（構成１８）
構成１〜１４のいずれか１つに記載の導波素子と、
第１波長の第１光を出射する光源部と、
を備え、
前記第１結晶領域は、第１端部と第２端部とを含み、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向は前記第１方向に沿い、
前記第２結晶領域は、第３端部と第４端部とを含み、前記第３端部から前記第４端部に向かう方向は前記第１方向に沿い、
前記第１光は、前記第１端部及び前記第３端部に入射し、
前記第２端部及び前記第４端部から出射する第２光の第２波長は、前記第１波長とは異なる、発光装置。
（構成１９）
前記第１波長は、前記第２波長の実質的に２倍である、構成１８記載の発光装置。
（構成２０）
前記第１波長は、４００ナノメートル以上９００ナノメートル以下であり、
前記第２波長は、２００ナノメートル以上４５０ナノメートル以下である、構成１８または１９に記載の発光装置。
（構成２１）
前記導波素子は、
前記第１方向に延び、第３窒化物半導体を含む第３結晶領域と、
前記第１方向に延び、第４窒化物半導体を含み前記第３結晶領域と連続した第４結晶領域と、
をさらに含み、
前記第２方向において、前記第１結晶領域と前記第４結晶領域との間に前記第２結晶領域が位置し、
前記第２方向において、前記第２結晶領域と前記第４結晶領域との間に前記第３結晶領域が位置し、
前記第３結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第３結晶領域から前記第４結晶領域に向かい、
前記第４結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第４結晶領域から前記第３結晶領域に向かい、
前記第３結晶領域は、第５端部と第６端部とを含み、前記第５端部から前記第６端部に向かう方向は前記第１方向に沿い、
前記第４結晶領域は、第７端部と第８端部とを含み、前記第７端部から前記第８端部に向かう方向は前記第１方向に沿い、
前記第１光は、前記第５端部及び前記第７端部に入射する、構成１８〜２０のいずれか１つに記載の発光装置。
（構成２２）
前記第３結晶領域は前記第２結晶領域と連続した、構成２１記載の発光装置。
（構成２３）
第１方向に延びる第１結晶領域と、
前記第１方向に延び前記第１結晶領域と連続した第２結晶領域と、
を備え、
前記第１結晶領域から前記第２結晶領域に向かう第２方向は、前記第１方向と交差し、
前記第１結晶領域の極性の第１向き、及び、前記第２結晶領域の極性の第２向きは、前記第２方向に沿い、
前記第１向きは、前記第２向きと、逆である、導波素子。
（構成２４）
前記第１方向に延びる第３結晶領域と、
前記第１方向に延び前記第３結晶領域と連続した第４結晶領域と、
をさらに備え、
前記第２方向において、前記第１結晶領域と前記第４結晶領域との間に前記第２結晶領域が位置し、
前記第２方向において、前記第２結晶領域と前記第４結晶領域との間に前記第３結晶領域が位置し、
前記第３結晶領域の極性の第３向き、及び、前記第４結晶領域の極性の第４向きは、前記第２方向に沿い、
前記第３向きは、前記第１向きと同じであり、
前記第４向きは、前記第２向きと同じである、構成２３記載の導波素子。
（構成２５）
前記第３結晶領域は前記第２結晶領域と連続した、構成２４記載の導波素子。
（構成２６）
第１方向に延びる凹部を有する結晶性の第１層であって、前記凹部は、前記第１方向と交差する第２方向において互いに対向する第１側面及び第２側面を有した、前記第１層を用意し、
前記第１側面から窒化物半導体を含む第１結晶層を成長させ、前記第２側面から窒化物半導体を含む第２結晶層を成長させ、
前記第１結晶層と前記第２結晶層とを互いに接触させ、前記第１結晶層を含む第１結晶領域、及び、前記第２結晶層を含む第２結晶領域を形成する、導波素子の製造方法。
実施形態によれば、効率の向上が可能な導波素子、発光装置及び導波素子の製造方法が提供できる。
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、導波素子に含まれる結晶領域、第１層及び第２層などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した導波素子及び発光装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての導波素子及び発光装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ…導波路、 １１…第１結晶領域、 １１Ａ…結晶領域、 １１ｂ…第１バッファ層、 １１ｃ…第１結晶層、 １１ｐ…第１部分、 １１ｑ…第２部分、 １２…第２結晶領域、 １２Ａ…結晶領域、 １２ｂ…第２バッファ層、 １２ｃ…第２結晶層、 １２ｐ…第３部分、 １２ｑ…第４部分、 １３…第３結晶領域、 １４…第４結晶領域、 ５０…第１層、 ５０Ａ…基板、 ５０Ｆ…基板、 ５０ａ〜５０ｄ…第１〜第４部分領域、 ５０ｐ…凸部、 ５０ｑ…凹部、 ５１…第１側面、 ５２…第２側面、 ６０…第２層、 ６０ｅ〜６０ｈ…第５〜第８部分領域、 ７１…マスク層、 ７２…レジスト層、 ８０…バッファ層、 ８１…第１半導体層、 ８１ａ…コンタクト層、 ８１ｂ…クラッド層、 ８１ｃ…ガイド層、 ８２…第２半導体層、 ８２ａ…ガイド層、 ８２ｂ…クラッド層、 ８２ｃ…ガイド層、 ８３…発光層、 ８４…リッジ部、 ９１…絶縁膜、 ９２ａ、９２ｂ…第１、第２電極、 １１０、１１０ａ、１１１〜１１６、１１９ａ〜１１９ｄ…導波素子、 ２１０、２２０…光源部、 ３１０…発光装置、 ＣＮ１〜ＣＮ４…第１〜第４条件、 ＣＮｎ…条件、 ＣＯ１〜ＣＯ４…第１〜第４向き、 Ｅ１〜Ｅ８…第１〜第８端部、 ＥＦ…電界強度、 Ｌ１、Ｌ２…第１、第２光、 Ｌ１Ａ…別の第１光、 Ｌｘ１、Ｌｘ２、Ｌｙ１、Ｌｙ２、Ｌｚ１、Ｌｚ２…長さ、 Ｐ１１、Ｐ１２…成分、 Ｒ１…伝搬方向、 Ｗ…幅、 Ｗｎ…規格化厚さ、 ｎｅｆｆ…実効屈折率、 ｐｘ…位置

Claims (18)

  1. 第１方向に延び、第１窒化物半導体を含む第１結晶領域と、
    前記第１方向に延び、第２窒化物半導体を含み前記第１結晶領域と連続した第２結晶領域と、
    第１部分領域、第２部分領域、第３部分領域及び第４部分領域を含む第１層と、
    前記第１方向に延び、第３窒化物半導体を含む第３結晶領域と、
    前記第１方向に延び、第４窒化物半導体を含み前記第３結晶領域と連続した第４結晶領域と、
    を備え、
    前記第１結晶領域から前記第２結晶領域に向かう第２方向は、前記第１方向と交差し、
    前記第１結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第１結晶領域から前記第２結晶領域に向かい、
    前記第２結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第２結晶領域から前記第１結晶領域に向かい、
    前記第２方向において、前記第１部分領域と、前記第２部分領域と、の間に前記第１結晶領域の少なくとも一部が位置し、
    前記第２方向において、前記第１結晶領域の前記少なくとも一部と、前記第２部分領域と、の間に、前記第２結晶領域の少なくとも一部が位置し、
    前記第３部分領域から前記第１結晶領域に向かう方向は、前記第１方向及び前記第２方向を含む平面と交差する第３方向に沿い、
    前記第４部分領域から前記第２結晶領域に向かう方向は、前記第３方向に沿い、
    前記第２方向において、前記第１結晶領域と前記第４結晶領域との間に前記第２結晶領域が位置し、
    前記第２方向において、前記第２結晶領域と前記第４結晶領域との間に前記第３結晶領域が位置し、
    前記第３結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第３結晶領域から前記第４結晶領域に向かい、
    前記第４結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第４結晶領域から前記第３結晶領域に向かう、導波素子。
  2. 前記第３結晶領域は前記第２結晶領域と連続した、請求項１記載の導波素子。
  3. 第５部分領域、第６部分領域、第７部分領域及び第８部分領域を含む第２層をさらに備え、
    前記第２層の屈折率は、前記第１結晶領域の屈折率よりも低く、前記第２結晶領域の屈折率よりも低く、
    前記第２方向において、前記第５部分領域と、前記第６部分領域と、の間に前記第１結晶領域の別の一部が位置し、
    前記第２方向において、前記第１結晶領域の前記別の一部と、前記第６部分領域と、の間に、前記第２結晶領域の別の一部が位置し、
    前記第１結晶領域から前記第７部分領域に向かう方向は、前記第３方向に沿い、
    前記第２結晶領域から前記第８部分領域に向かう方向は、前記第３方向に沿う、請求項１または２に記載の導波素子。
  4. 第１方向に延び、第１窒化物半導体を含む第１結晶領域と、
    前記第１方向に延び、第２窒化物半導体を含み前記第１結晶領域と連続した第２結晶領域と、
    前記第１方向に延び、第３窒化物半導体を含む第３結晶領域と、
    前記第１方向に延び、第４窒化物半導体を含み前記第３結晶領域と連続した第４結晶領域と、
    を備え、
    前記第１結晶領域から前記第２結晶領域に向かう第２方向は、前記第１方向と交差し、
    前記第１結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第１結晶領域から前記第２結晶領域に向かい、
    前記第２結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第２結晶領域から前記第１結晶領域に向かい、
    前記第２方向において、前記第１結晶領域と前記第４結晶領域との間に前記第２結晶領域が位置し、
    前記第２方向において、前記第２結晶領域と前記第４結晶領域との間に前記第３結晶領域が位置し、
    前記第３結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第３結晶領域から前記第４結晶領域に向かい、
    前記第４結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第４結晶領域から前記第３結晶領域に向かう、導波素子。
  5. 前記第３結晶領域は前記第２結晶領域と連続した、請求項４記載の導波素子。
  6. 前記第１結晶領域は、第１部分と、第２部分と、を含み、
    前記第１部分と前記第２結晶領域との間に前記第２部分が位置し、
    前記第２部分における転位密度は、前記第１部分における転位密度よりも低く、
    前記第２結晶領域は、第３部分と、第４部分と、を含み、
    前記第３部分と前記第１結晶領域との間に前記第４部分が位置し、
    前記第４部分における転位密度は、前記第３部分における転位密度よりも低い、請求項１〜５のいずれか１つに記載の導波素子。
  7. 前記第１結晶領域に含まれる第１元素の第１濃度は、前記第２結晶領域に含まれる前記第１元素の第２濃度の０．０１倍超１００倍未満であり、
    前記第１元素は、酸素、炭素及びシリコンからなる群から選択された１つである、請求項１〜６のいずれか１つに記載の導波素子。
  8. 前記第１結晶領域の前記第２方向に沿う長さは、前記第２結晶領域の前記第２方向に沿う長さの０．９倍以上１．１倍以下である、請求項１〜７のいずれか１つに記載の導波素子。
  9. 前記第１結晶領域及び前記第２結晶領域は、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０≦ｘ１≦１）を含む、請求項１〜８のいずれか１つに記載の導波素子。
  10. 請求項１〜９のいずれか１つに記載の導波素子と、
    第１波長の第１光を出射する光源部と、
    を備え、
    前記第１結晶領域は、第１端部と第２端部とを含み、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向は前記第１方向に沿い、
    前記第２結晶領域は、第３端部と第４端部とを含み、前記第３端部から前記第４端部に向かう方向は前記第１方向に沿い、
    前記第１光は、前記第１端部及び前記第３端部に入射し、
    前記第２端部及び前記第４端部から出射する第２光の第２波長は、前記第１波長とは異なる、発光装置。
  11. 前記第３結晶領域は、第５端部と第６端部とを含み、前記第５端部から前記第６端部に向かう方向は前記第１方向に沿い、
    前記第４結晶領域は、第７端部と第８端部とを含み、前記第７端部から前記第８端部に向かう方向は前記第１方向に沿い、
    前記第１光は、前記第５端部及び前記第７端部に入射する、請求項１０記載の発光装置。
  12. 導波素子と、
    第１波長の第１光を出射する光源部と、
    を備え、
    前記導波素子は、
    第１方向に延び、第１窒化物半導体を含む第１結晶領域と、
    前記第１方向に延び、第２窒化物半導体を含み前記第１結晶領域と連続した第２結晶領域と、
    前記第１方向に延び、第３窒化物半導体を含む第３結晶領域と、
    前記第１方向に延び、第４窒化物半導体を含み前記第３結晶領域と連続した第４結晶領域と、
    を備え、
    前記第１結晶領域から前記第２結晶領域に向かう第２方向は、前記第１方向と交差し、
    前記第１結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第１結晶領域から前記第２結晶領域に向かい、
    前記第２結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第２結晶領域から前記第１結晶領域に向かい、
    前記第１結晶領域は、第１端部と第２端部とを含み、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向は前記第１方向に沿い、
    前記第２結晶領域は、第３端部と第４端部とを含み、前記第３端部から前記第４端部に向かう方向は前記第１方向に沿い、
    前記第１光は、前記第１端部及び前記第３端部に入射し、
    前記第２端部及び前記第４端部から出射する第２光の第２波長は、前記第１波長とは異なり、
    前記第２方向において、前記第１結晶領域と前記第４結晶領域との間に前記第２結晶領域が位置し、
    前記第２方向において、前記第２結晶領域と前記第４結晶領域との間に前記第３結晶領域が位置し、
    前記第３結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第３結晶領域から前記第４結晶領域に向かい、
    前記第４結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第４結晶領域から前記第３結晶領域に向かい、
    前記第３結晶領域は、第５端部と第６端部とを含み、前記第５端部から前記第６端部に向かう方向は前記第１方向に沿い、
    前記第４結晶領域は、第７端部と第８端部とを含み、前記第７端部から前記第８端部に向かう方向は前記第１方向に沿い、
    前記第１光は、前記第５端部及び前記第７端部に入射する、発光装置。
  13. 第１方向に延びる第１結晶領域と、
    前記第１方向に延び前記第１結晶領域と連続した第２結晶領域と、
    前記第１方向に延び、第３窒化物半導体を含む第３結晶領域と、
    前記第１方向に延び、第４窒化物半導体を含み前記第３結晶領域と連続した第４結晶領域と、
    を備え、
    前記第１結晶領域から前記第２結晶領域に向かう第２方向は、前記第１方向と交差し、
    前記第１結晶領域の極性の第１向き、及び、前記第２結晶領域の極性の第２向きは、前記第２方向に沿い、
    前記第１向きは、前記第２向きと、逆であり、
    前記第２方向において、前記第１結晶領域と前記第４結晶領域との間に前記第２結晶領域が位置し、
    前記第２方向において、前記第２結晶領域と前記第４結晶領域との間に前記第３結晶領域が位置し、
    前記第３結晶領域の極性の第３向き、及び、前記第４結晶領域の極性の第４向きは、前記第２方向に沿い、
    前記第３向きは、前記第１向きと同じであり
    前記第４向きは、前記第２向きと同じである、導波素子。
  14. 第１方向に延びる凹部を有する結晶性の第１層であって、前記凹部は、前記第１方向と交差する第２方向において互いに対向する第１側面及び第２側面を有した、前記第１層を用意し、
    前記第１側面から窒化物半導体を含む第１結晶層を成長させ、前記第２側面から窒化物半導体を含む第２結晶層を成長させ、
    前記第１結晶層と前記第２結晶層とを互いに接触させ、前記第１結晶層を含む第１結晶領域、及び、前記第２結晶層を含む第２結晶領域を形成し、
    前記第１結晶領域から前記第２結晶領域に向かう第２方向は、前記第１方向と交差し、
    前記第１結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第１結晶領域から前記第２結晶領域に向かい、
    前記第２結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第２結晶領域から前記第１結晶領域に向かう、導波素子の製造方法。
  15. 第１方向に延びる凹部を有する結晶性の第１層であって、前記凹部は、前記第１方向と交差する第２方向において互いに対向する第１側面及び第２側面を有した、前記第１層を用意し、
    前記第１側面から窒化物半導体を含む第１結晶層を成長させ、前記第２側面から窒化物半導体を含む第２結晶層を成長させ、
    前記第１結晶層と前記第２結晶層とを互いに接触させ、前記第１結晶層を含む第１結晶領域、及び、前記第２結晶層を含む第２結晶領域を形成し、
    前記第１結晶領域から前記第２結晶領域に向かう第２方向は、前記第１方向と交差し、
    前記第１結晶領域の極性の第１向き、及び、前記第２結晶領域の極性の第２向きは、前記第２方向に沿い、
    前記第１向きは、前記第２向きと、逆である、導波素子の製造方法。
  16. 第１方向に延びる凹部を有する結晶性の第１層であって、前記凹部は、前記第１方向と交差する第２方向において互いに対向する第１側面及び第２側面を有した、前記第１層を用意し、
    前記第１側面から窒化物半導体を含む第１結晶層を前記第１結晶層の＜０００１＞方向に成長させ、前記第２側面から窒化物半導体を含む第２結晶層を前記第２結晶層の＜０００１＞方向に成長させ、
    前記第１結晶層と前記第２結晶層とを互いに接触させ、前記第１結晶層を含む第１結晶領域、及び、前記第２結晶層を含む第２結晶領域を形成し、
    前記第１結晶層の前記＜０００１＞方向は、前記第１側面から前記第２側面に向かい、
    前記第２結晶層の前記＜０００１＞方向は、前記第２側面から前記第１側面に向かう、導波素子の製造方法。
  17. 第１方向に延び、第１窒化物半導体を含む第１結晶領域と、
    前記第１方向に延び、第２窒化物半導体を含み前記第１結晶領域と連続した第２結晶領域と、
    第１部分領域、第２部分領域、第３部分領域及び第４部分領域を含む第１層と、
    を備え、
    前記第１結晶領域から前記第２結晶領域に向かう第２方向は、前記第１方向と交差し、
    前記第１結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第１結晶領域から前記第２結晶領域に向かい、
    前記第２結晶領域の＜０００１＞方向は、前記第２結晶領域から前記第１結晶領域に向かい、
    前記第２方向において、前記第１部分領域と、前記第２部分領域と、の間に前記第１結晶領域の一部が位置し、
    前記第２方向において、前記第１結晶領域の前記一部と、前記第２部分領域と、の間に、前記第２結晶領域の一部が位置し、
    前記第３部分領域から前記第１結晶領域に向かう方向は、前記第１方向及び前記第２方向を含む平面と交差する第３方向に沿い、
    前記第４部分領域から前記第２結晶領域に向かう方向は、前記第３方向に沿い、
    前記第１層は、前記第２方向において前記第１結晶領域の別の一部と重ならず、前記第２方向において前記第２結晶領域の別の一部と重ならない、導波素子。
  18. 第５部分領域、第６部分領域、第７部分領域及び第８部分領域を含む第２層をさらに備え、
    前記第２層の屈折率は、前記第１結晶領域の屈折率よりも低く、前記第２結晶領域の屈折率よりも低く、
    前記第２方向において、前記第５部分領域と、前記第６部分領域と、の間に前記第１結晶領域の前記別の一部が位置し、
    前記第２方向において、前記第１結晶領域の前記別の一部と、前記第６部分領域と、の間に、前記第２結晶領域の前記別の一部が位置し、
    前記第１結晶領域から前記第７部分領域に向かう方向は、前記第３方向に沿い、
    前記第２結晶領域から前記第８部分領域に向かう方向は、前記第３方向に沿う、請求項１７記載の導波素子。
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