相關申請的引用

本申請要求于2011年1月24日提交的美國臨時申請61/435,578(文件編號027364-013600US)的優(yōu)先權，由此出于所有目的將其結合于此以供參考。

技術領域

本發(fā)明涉及光學裝置和相關方法。更具體地，本發(fā)明提供一種用于以高功率發(fā)射電磁輻射的方法和裝置，其中使用非極性或半極性含鎵基板(襯底，substrate)如GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN、和AlInGaN等。在各種實施方式中，提供了一種激光裝置。

背景技術：

在19世紀后期，托馬斯愛迪生發(fā)明了電燈泡。傳統(tǒng)的電燈泡，通常稱為“愛迪生電燈泡”，100多年來已經(jīng)被用于各種各樣的應用包括照明和顯示。傳統(tǒng)電燈泡使用封閉在密封于底座(base)中的玻璃燈泡中的鎢絲，該底座被旋入插座中。該插座耦接于AC電源或DC電源。傳統(tǒng)電燈泡通常能夠在家庭、建筑物、和戶外發(fā)光、以及需要光或顯示的其他區(qū)域中找到。不幸地，這種傳統(tǒng)電燈泡存在這樣的缺陷：

·傳統(tǒng)電燈泡耗散多于90％的用作熱能的能量。

·傳統(tǒng)電燈泡通常由于燈絲元件的熱膨脹和收縮而出現(xiàn)故障。

·傳統(tǒng)電燈泡在寬光譜范圍內發(fā)射光，其大部分不被人眼感受到。

·傳統(tǒng)電燈泡在所有方向上發(fā)射，這對于要求強方向性或聚焦的應

用，例如投影顯示、光學數(shù)據(jù)儲存等是不期望的。

在1960年，由Theodore H.Maiman at Hughes Research Laboratories in Malibu演示了激光器。這種激光器利用了固態(tài)閃光燈泵浦合成的紅寶石晶體以在694nm處產(chǎn)生紅色激光。到1964年，藍色和綠色激光器輸出由William Bridges at Hughes Aircraft利用稱為氬離子激光器的氣體激光器設計進行了演示。該Ar離子激光器利用惰性氣體作為激活媒質并產(chǎn)生在UV、藍色和綠色波長內(包括351nm、454.6nm、457.9nm、465.8nm、476.5nm、488.0nm、496.5nm、501.7nm、514.5nm和528.7nm)的激光輸出。該Ar離子激光器具有產(chǎn)生窄光譜輸出的高度定向且聚焦光的優(yōu)勢，但這些激光器的效率、尺寸、重量和成本不合需要。

隨著激光器技術發(fā)展，更有效的燈泵浦固態(tài)激光器設計被開發(fā)用于紅色和紅外波長，但這些技術用于藍色和綠色和藍色激光器仍然存在挑戰(zhàn)。以紅外線開發(fā)了燈泵浦固態(tài)激光器，并且利用具有非線性光學性能的特殊晶體將輸出波長轉化成可見光。綠色燈泵浦固態(tài)激光器具有3個階段：電流激勵燈，燈激發(fā)增益晶體(gain crystal)，其在1064nm處發(fā)出激光，1064nm進入頻率轉換晶體中，其轉換成可見的532nm。所得綠色和藍色激光器稱為“具有二次諧波發(fā)生的燈泵浦固態(tài)激光器”(具有SHG的LPSS)并且比Ar離子氣體激光器更有效，但仍然對于專業(yè)(特殊性，specialty)科學和醫(yī)學應用之外的廣泛使用(配置，deployment)是不太有效、太大、太昂貴、太易碎。另外，在該固態(tài)激光器中使用的增益晶體通常具有能量儲存性能，這使得該激光器很難以高速度進行調制，這限制了它更廣泛的使用。

為了改善這些可見激光器的效率，利用了高功率二極管(或半導體)激光器。這些“具有SHG的二極管泵浦固態(tài)激光器”(具有SHG的DPSS)具有3個階段：電流激勵808nm二極管激光器，808nm激發(fā)增益晶體，其在1064nm處發(fā)出激光，1064nm進入頻率轉換晶體中，其轉換成可見的532nm。該DPSS激光器技術延長了LPSS激光器的壽命并且改善了效率，并且進一步的商業(yè)化接著發(fā)生在更高端專業(yè)工業(yè)、醫(yī)學、和科學應用中。二極管泵浦的改變增加了系統(tǒng)成本并且要求精確的溫度控制，使得該激光器具有相當大的尺寸、功率消耗，同時沒有解決能量儲存性能，這使得這些激光器很難以高速度進行調制。

隨著高功率激光器二極管發(fā)展和新的專業(yè)SHG晶體被開發(fā)，直接轉換紅外二極管激光器的輸出以產(chǎn)生藍色和綠色激光輸出已變得可能。這些“直接加倍的二極管激光器”或SHG二極管激光器具有2個階段：電流激勵1064nm半導體激光器，1064nm進入頻率轉換晶體中，其轉換成可見的532nm綠色光。相比于DPSS-SHG激光器，這些激光器設計意味著改善效率、成本和尺寸，但所需的專業(yè)二極管和晶體使其有挑戰(zhàn)性。另外，盡管二極管-SHG激光器具有能夠直接進行調制的優(yōu)勢，但是它們存在對于溫度的嚴重敏感的問題，這限制了它們的應用。

高功率直接型二極管激光器已經(jīng)在過去的幾十年中存在，開始是基于GaAs材料體系的激光器二極管，然后變?yōu)锳lGaAsP和InP材料體系。更近地，在短波長可見波段(可見方式，visible regime)中操作的基于GaN的高功率激光器已變得極大關注。更具體地，在紫外、藍色、以及最后的綠色波段中操作的激光器二極管由于它們在光學儲存、顯示系統(tǒng)等中的應用而引起關注。目前，在這些波長段(regime)中操作的高功率激光器二極管基于極性c-面GaN(c-plane GaN)。傳統(tǒng)的基于極性GaN的激光器二極管具有許多應用，但是不幸地，該裝置性能經(jīng)常是不充分的。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了用于以高功率發(fā)射電池輻射的方法和裝置，其中使用非極性或半極性的含鎵基板如GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN和AlInGaN等。在各種實施方式中，激光裝置包括集成在基板上的多個激光發(fā)射器，所述激光發(fā)射器發(fā)射綠色或藍色激光。

在一個具體實施方式中，本發(fā)明提供一種激光裝置。該裝置包括含有鎵和氮材料的基板。該基板具有特征在于半極性或非極性取向的表面區(qū)。該基板具有前側(front side)和背側(back side)。該裝置包括位于基板內的至少一個有源區(qū)(active region)以及覆蓋(上覆，overlaying)該有源區(qū)的N個發(fā)射器的陣列，N大于3。該N個發(fā)射器的陣列彼此基本上平行并且位于該前側和背側之間。該N個發(fā)射器中的每一個被構造成在前側處發(fā)射輻射。該N個發(fā)射器的陣列與藍色或綠色波長相關。該N個發(fā)射器的陣列的特征在于至少25mW的平均操作功率。該N個發(fā)射器中的每一個的特征在于長度和寬度。該長度為至少400μm而該寬度為至少1μm。該裝置還具有電耦接(電連接)于該N個發(fā)射器的陣列的至少一個電極。該裝置還具有位于基板前側處的至少一個光學構件(optical member)，用于光學組合(合并，combining)來自這些發(fā)射器的輻射。

在一個可替換的實施方式中，本發(fā)明提供了一種激光裝置。該裝置具有含有鎵和氮材料的基板。該基板具有特征在于半極性或非極性取向的表面區(qū)。該基板具有前側和背側。該裝置具有位于基板內的一個或多個有源區(qū)。該裝置具有覆蓋該一個或多個有源區(qū)的N個發(fā)射器的陣列，N大于3。該N個發(fā)射器的陣列彼此基本上平行并且位于該前側和背側之間。該N個發(fā)射器中的每一個被構造成在前側處發(fā)射輻射。該N個發(fā)射器的陣列與藍色或綠色波長范圍相關。該N個發(fā)射器的陣列的特征在于至少25mW的平均操作功率。該N個發(fā)射器中的每一個的特征在于長度和寬度，該長度為至少400μm，而該寬度為至少1μm。一個或多個電極電耦接于該N個發(fā)射器的陣列。一個或多個光學構件位于基板的前側處，用于光學校準(collimating)來自這些發(fā)射器的輻射。該裝置還具有熱耦接于第一基板的散熱器(熱沉，heat sink)。

在一個可替換的實施方式中，本發(fā)明提供了一種激光裝置。該裝置包括含有鎵和氮材料的基板。該基板具有特征在于半極性或非極性取向的表面區(qū)。該基板具有頂側(top side)和底側(bottom side)。該裝置具有數(shù)量為N個的位于第一基板的頂側附近的有源區(qū)，N大于3，該有源區(qū)中的每一個包括與p型相關的摻雜區(qū)。該裝置具有覆蓋摻雜區(qū)的N個發(fā)射器的陣列。該N個發(fā)射器的陣列彼此基本上平行。該N個發(fā)射器中的每一個被構造成在前側處發(fā)射輻射。該N個發(fā)射器的陣列的特征在于至少25mW的平均操作功率。該N個發(fā)射器中的每一個的特征在于長度和寬度，該長度為至少400μm，而該寬度為至少1μm。該裝置具有電耦接于該N個發(fā)射器的陣列的一個或多個電極以及位于基板的前側處的一個或多個光學構件，所述光學構件用于光學校準來自這些發(fā)射器的輻射。該裝置具有特征在于至少0.6的熱輻射系數(shù)(熱發(fā)射率，thermal emissivity)的子支架(子基板，熱沉，submount)。在一個具體實施方式中，該裝置還包括位于基板的前側處的一個或多個光學構件，用于光學地組合來自這些發(fā)射器的輻射。

利用本發(fā)明實現(xiàn)了相對于現(xiàn)有技術的另外的優(yōu)勢。尤其是，本發(fā)明能夠獲得用于激光器應用的成本有效的光學裝置，包括用于投影儀的激光棒(laser bar)等。在一個具體實施方式中，本發(fā)明的光學裝置能夠以相對簡單且成本有效的方式制造。依據(jù)實施方式，本發(fā)明的設備和方法能夠利用對于本領域普通技術人員是常規(guī)的材料和/或方法進行制造。本發(fā)明的激光裝置利用尤其能夠實現(xiàn)紫外或藍色或綠色發(fā)射的非極性或半極性氮化鎵材料。在一個或多個實施方式中，該激光裝置能夠發(fā)射長波長如那些用于藍色波長區(qū)的范圍約430nm至470nm或用于綠色波長區(qū)的500nm至約540nm的波長，但可以是其他波長如紫外區(qū)。當然，可以存在其他變形、更改以及替換。依據(jù)實施方式，可以實現(xiàn)這些優(yōu)勢中的一個或多個。這些和其他優(yōu)勢可以在整個本發(fā)明說明書中并且在下面更具體地進行描述。

通過參考本說明書的后面部分以及附圖，可以實現(xiàn)對本發(fā)明的特性和優(yōu)點的進一步理解。

附圖說明

圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的光學裝置的簡圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的激光裝置的剖視圖。

圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的具有多個發(fā)射器的激光裝置的簡圖。

圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的具有多個空腔構件(中空構件，cavity member)的激光裝置的正視圖的簡圖。

圖5A和圖5B是示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的具有面朝上的“p-側”的激光器封裝件(laser package)的圖。

圖6A和圖6B是示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的具有面朝下的“p-側”的激光器封裝件的簡圖。

圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的單個可尋址的激光器封裝件的簡圖，其中示出了棒的頂視圖。

圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的具有圖案化接合基板的激光棒的簡圖，其中示出了棒的頂視圖。

圖9示出了(1)根據(jù)本發(fā)明實施方式的包括光束、光學器件、激光器以及纖維或連接器的以2排構造的配置有光學組合器(optical combiner)的激光棒；以及(2)根據(jù)本發(fā)明實施方式的具有空間復合垂直或水平的90度極化旋轉的以單排構造配置的激光棒的簡圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供了高功率基于GaN的激光裝置以及用于制造和使用這些激光裝置的相關方法。具體地，這些激光裝置被構造成在藍色或綠色波長段內以0.5至5W或5至20W的輸出功率進行操作。這些激光裝置由本體(bulk)非極性或半極性的含鎵和氮的基板制造。如上所述，激光裝置的輸出波長可以在430-475nm的藍色波長區(qū)和綠色波長區(qū)500-545nm內。根據(jù)本發(fā)明的實施方式的激光裝置也可以在諸如紫外(violet)(395至425nm)和藍色-綠色(475-505nm)的波長中進行操作。這些激光裝置可以用于各種應用，如其中高功率激光器用來投影視頻內容的投影系統(tǒng)。

圖1是示出了光學裝置的簡圖。作為一個實例，該光學裝置包括氮化鎵基板構件101，所述氮化鎵基板構件101具有特征在于半極性或非極性取向的晶體表面區(qū)。例如，氮化鎵基板構件是特征在于具有非極性或半極性晶體表面區(qū)的本體GaN基板，但可以是其他材料。本體GaN基板可以具有低于10⁵cm^-2或10E5至10E7cm^-2的表面位錯密度。氮化物晶體或晶片可以包括Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中0≤x,y,x+y≤1。在一個具體實施方式中，該氮化物晶體包括GaN。在一個或多個實施方式中，GaN基板在相對于表面基本垂直或傾斜的方向上具有濃度在約10⁵cm^-2至約10⁸cm^-2之間的穿透位錯(threading dislocation)。在各種實施方式中，GaN基板的特征在于非極性取向(例如m-面)，其中波導在c-方向或基本上垂直于a-方向定向。

在一些實施方式中，GaN表面取向基本上在{20-21}取向，并且該裝置具有形成為覆蓋截止晶體取向表面區(qū)(off-cut crystalline orientation surface region)的一部分的激光條紋區(qū)(laser stripe region)。例如，該激光條紋區(qū)的特征在于基本上在c-方向的投影上的空腔取向(cavity orientation)，其基本上垂直于a-方向。在一個具體實施方式中，該激光條紋區(qū)具有第一端107和第二端109。在一個優(yōu)選的實施方式中，該裝置在{20-21}含鎵和氮的基板(具有彼此面對的一對解理鏡像結構(開裂鏡子結構，cleaved mirror structure))上形成在c-方向的投影上。

在一個優(yōu)選的實施方式中，該裝置具有設置在激光條紋區(qū)的第一端上的第一解理面和設置在激光條紋區(qū)的第二端上的第二解理面。在一個或多個實施方式中，第一解理面基本上與第二解理面平行。鏡子表面形成在這些解理表面的每一個上。第一解理面包括第一鏡子表面。在一個優(yōu)選的實施方式中，第一鏡子表面通過頂側跳躍劃線的劃線和中斷工藝(top-side skip-scribe scribing and breaking process)提供。該劃線工藝能夠利用任何合適的技術，如金剛石劃線或激光劃線或組合。在一個具體實施方式中，第一鏡子表面包括反射涂層。該反射涂層選自二氧化硅、二氧化鉿、和二氧化鈦、五氧化二鉭、氧化鋯，包括其組合等。第一鏡子表面也可以具有抗反射涂層。

還是在優(yōu)選的實施方式中，第二解理面包括第二鏡子表面。根據(jù)一個具體實施方式，第二鏡子表面通過頂側跳躍劃線的劃線和中斷工藝提供。優(yōu)選地，劃線是金剛石劃線或激光劃線等。在一個具體實施方式中，第二鏡子表面包括反射涂層，如二氧化硅、二氧化鉿、和二氧化鈦、五氧化鉭、氧化鋯、組合等。在一個具體實施方式中，第二鏡子表面具有抗反射涂層。

在一個具體實施方式中，在非極性含Ga基板上，該裝置的特征在于自發(fā)發(fā)射的光在基本上垂直于c-方向上被極化。在一個優(yōu)選的實施方式中，自發(fā)發(fā)射的光的特征在于垂直于c-方向的極化比大于0.1至約1。在一個優(yōu)選的實施方式中，特征在于波長范圍從約430nm至約470nm的自發(fā)發(fā)射的光產(chǎn)生藍色發(fā)射，或者約500nm至約540nm的自發(fā)發(fā)射的光產(chǎn)生綠色發(fā)射等。例如，自發(fā)發(fā)射的光可以是紫外(例如395至420nm)、藍色(例如430至470nm)、綠色(例如500至540nm)等。在一個優(yōu)選的實施方式中，自發(fā)發(fā)射的光被高度極化并且特征在于極化比大于0.4。在另一個具體實施方式中，在半極性{20-21}含Ga基板上，該裝置的特征還在于，自發(fā)發(fā)射的光在基本上平行于a-方向或垂直于空腔方向上被極化，其在c-方向的投影上被定向。

在一個具體實施方式中，本發(fā)明提供一種能夠在脊形激光器(ridge laser)實施方式中發(fā)射501nm以上光的可替換裝置結構。該裝置設置有以下外延生長的元件中的一個或多個：

n-GaN鍍層(cladding layer)，其厚度為100nm至3000nm，其中Si摻雜水平為5E17至3E18cm^-3

由InGaN構成的n-側SCH層，其中銦的摩爾分數(shù)在2％至10％之間并且厚度為20至200nm

多個量子阱有源區(qū)層(量子勢阱有源區(qū)層，quantum well active region layers)，由通過1.5nm和更大并且可選地可達到約12nm的GaN或InGaN阻擋層分開的至少兩個2.0-8.5nm InGaN量子阱構成

由InGaN構成的p-側SCH層，其中銦的摩爾分數(shù)在1％至10％之間并且厚度為15nm至100nm，或上部GaN-導向層(guide layer)

由AlGaN構成并摻雜有Mg的電子阻礙層(electron blocking layer)，其中鋁的摩爾分數(shù)在6％至22％之間，并且厚度為5nm至20nm。

p-GaN鍍層，厚度為400nm至1000nm，其中Mg摻雜水平為2E17cm^-3至2E19cm^-3

p++GaN接觸層，厚度為20nm至40nm，其中Mg摻雜水平為1E19cm^-3至1E21cm^-3。

圖2是激光裝置200的剖視圖。如所示的，該激光裝置包括氮化鎵基板203，所述氮化鎵基板203具有下n-型金屬背接觸區(qū)201。例如，基板203可以特征在于半極性或非極性取向。該裝置還具有上覆n-型氮化鎵層205、有源區(qū)207、以及構造為激光條紋區(qū)209的上覆p-型氮化鎵層。這些區(qū)中的每一個至少利用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)、或適用于GaN生長的其他外延生長技術中的外延沉積技術形成。外延層是覆蓋該n-型氮化鎵層的高質量外延層。在一些實施方式中，該高質量層例如摻雜有Si或O以形成n-型材料，其中摻雜劑濃度在約10¹⁶cm^-3至10²⁰cm^-3之間。

其中0≤u,v,u+v≤1的n-型Al_uIn_vGa_1-u-vN層沉積在基板上。載體濃度(載流子濃度，carrier concentration)可以處于約10¹⁶cm^-3至10²⁰cm^-3之間的范圍內。沉積可以利用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE)來實施。

例如，將本體GaN基板置于MOCVD反應器中的基座上。在關閉、抽空以及回填該反應器(或利用加載鎖構造(load lock configuration))至大氣壓力之后，將基座在含氮氣體存在下加熱至約1000℃至約1200℃之間的溫度。將基座在流動氨下加熱至大約900℃至1200℃。以在大約1至50之間的標準cm³/min(sccm)的總速度在載氣中啟動含鎵金屬有機前體如三甲基鎵(TMG)或三乙基鎵(TEG)的流。載氣可以包含氫氣、氦氣、氮氣或氬氣。在生長期間，第V族前體(氨)的流速相對于第III族前體(三甲基鎵、三乙基鎵、三甲基銦、三甲基鋁)的流速的比率在約2000至約12000之間。啟動載氣中乙硅烷的流，其中總流速在約0.1至10sccm之間。

在一個實施方式中，激光條紋區(qū)是p-型氮化鎵層209。該激光條紋通過干蝕刻工藝提供，但可以使用濕蝕刻。干蝕刻工藝是利用含氯物質的感應耦合工藝或利用類似化學性質的反應性離子蝕刻工藝。含氯物質通常來源于氯氣等。該裝置還具有上覆電介質區(qū)(overlying dielectric region)，其暴露213接觸區(qū)。該電介質區(qū)是氧化物如二氧化硅或氮化硅，并且接觸區(qū)耦接于上覆金屬層215。該上覆金屬層優(yōu)選是含有金和鉑(Pt/Au)或鎳金(Ni/Au)的多層結構。

有源區(qū)207優(yōu)選包括1至10個量子阱區(qū)或用于發(fā)光的雙異質結構區(qū)(double heterostructure region)。在沉積n-型Al_uIn_vGa_1-u-vN層以獲得期望的厚度之后，沉積有源層。量子阱優(yōu)選是具有GaN、AlGaN、InAlGaN的InGaN，或分隔它們的InGaN阻擋層。在其他實施方式中，這些阱層和阻擋層分別包含Al_wIn_xGa_1-w-xN和Al_yIn_zGa_1-y-zN，其中0≤w,x,y,z,w+x,y+z≤1，其中w<u,y和/或x>v,z，使得一個或多個阱層的帶隙小于一個或多個阻擋層和n-型層的帶隙。阱層和阻擋層各自具有在約1nm至約20nm之間的厚度。選擇有源層的組成和結構以提供在預選波長處的發(fā)光。有源層可以保持為未摻雜的(或非有意摻雜的)或者可以是摻雜n-型或p-型。

有源區(qū)還可以包括電子阻斷區(qū)、以及單獨的限制異質結構。電子阻斷層可以包含Al_sIn_tGa_1-s-tN，其中0≤s,t,s+t≤1，具有比有源層更高的帶隙，并且可以是摻雜p-型。在一個具體實施方式中，電子阻斷層包括AlGaN。在另一個實施方式中，電子阻斷層包括AlGaN/GaN超晶格結構，包括AlGaN和GaN的交替層，各自具有在約0.2nm至約5nm之間的厚度。

如注意到的，p-型氮化鎵結構沉積在電子阻斷層和一個或多個有源層上方。p-型層可以摻雜有Mg，達到在約10¹⁶cm^-3至10²²cm^-3之間的水平，厚度為在約5nm至約1000nm之間。該p-型層的最外部的1-50nm可以比該層剩余部分更重地摻雜，以便能夠實現(xiàn)改善的電接觸。該裝置還具有上覆電介質區(qū)，例如二氧化硅，其暴露213接觸區(qū)。

金屬接觸部(金屬觸點)由合適材料如銀、金、鋁、鎳、鉑、銠、鈀、鉻等制成。該接觸部可以通過熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、電鍍、濺射、或另一種合適的技術進行沉積。在一個優(yōu)選的實施方式中，電接觸部用作用于光學裝置的p-型電極。在另一個實施方式中，電接觸部用作用于光學裝置的n-型電極。圖1和圖2中所示和以上描述的激光裝置典型地適用于相對低功率的應用。

在各種實施方式中，本發(fā)明實現(xiàn)了從二極管激光器的高輸出功率，其中通過將激光器空腔構件的一個或多個部分從1.0-3.0μm的單個側模波段(single lateral mode regime)加寬至多個側模范圍(multi-lateral mode range)5.0-20μm。在一些情況下，采用具有寬度為50μm或更大的空腔的激光器二極管。

激光條紋長度或空腔長度范圍為300至3000μm并且采用生長和制造技術如在2010年4月13日提交的美國專利申請?zhí)?2/759,273中描述的那些，將其結合于此以供參考。作為一個實例，激光器二極管在非極性或半極性含鎵基板上制造，其中內部電場相對于極性c-面定向裝置基本上被消除或減輕。應當理解，內部電場的減小經(jīng)常能夠實現(xiàn)更有效的輻射復合(輻射重組，radiative recombination)。而且，預期重空穴質量(heavy hole mass)在非極性和半極性基板上更輕，使得能夠從這些激光器實現(xiàn)更好的增益特性。

在制造具有寬空腔設計的高功率基于GaN的激光器中的一個困難是這樣的現(xiàn)象，其中在空腔的橫向方向上的光學場分布(optical field profile)變得不對稱，其中存在局部亮區(qū)和局部暗區(qū)。這樣的行為經(jīng)常被稱為絲化(filamenting)并且可以通過折射率或熱分布的橫向變化而引發(fā)，這改變模導向特性(mode guiding characteristics)。這樣的行為也可以是通過將載體非均勻注入到有源區(qū)中引起的局部增益/損失的不均勻性或電流聚集(其中電流優(yōu)先地傳導通過激光器空腔的外部區(qū))的結果。即，注入通過p-側電極的電流趨向于朝向橫向波導所需的蝕刻p-覆層脊/條紋的邊緣，然向下傳導，其中這些空穴與主要在條紋的側面附近的電子復合(重組)。不管原因，這樣的絲化或非對稱光學場分布可以隨著條紋寬度增大而導致降低的激光器性能。

圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的具有多個發(fā)射器的激光裝置的簡圖。如圖3所示，激光裝置包括基板和多個發(fā)射器。各個空腔構件，聯(lián)合在基板和其他電組件內的下有源區(qū)，是激光器二極管的一部分。圖3中的激光裝置包括三個激光器二極管，各自具有它的發(fā)射器或空腔構件(例如，空腔構件302起激光器二極管的波導的作用)并且共享包含一個或多個有源區(qū)的基板301。在各種實施方式中，有源區(qū)包括量子阱或用于發(fā)光的雙異質結構?？涨粯嫾洚敳▽?。具有在單個基板上集成的多個空腔構件的裝置及其制造方法描述在2010年5月17日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/345,561中，將其結合于此以供參考。

圖3所示的基板包含鎵和氮材料，由非極性或半極性本體GaN制造。所示的空腔構件彼此平行布置。例如，空腔構件301包括前鏡和后鏡，類似于圖1中所示的空腔構件101。激光空腔各自特征在于空腔寬度w在約1至約6μm的范圍。空腔構件的這樣布置增大了有效條紋寬度同時確?？涨粯嫾痪鶆虮闷帧Ｔ谝粋€實施方式中，空腔構件的特征在于基本上相等的長度和寬度。

依據(jù)應用，高功率激光裝置可以具有多個空腔構件?？涨粯嫾臄?shù)量n可以在2至5、10或甚至20的范圍。依據(jù)激光器二極管的要求，橫向間距、或彼此分隔空腔構件的距離可以在2μm至25μm的范圍。在各種實施方式中，空腔構件的長度可以在300μm至2000μm的范圍，在一些情況下高達3000μm。

在一個優(yōu)選的實施方式中，激光發(fā)射器(例如所示的空腔構件)在單個芯片上布置為線性陣列以發(fā)射藍色或綠色激光。這些發(fā)射器基本上彼此平行，并且它們可以分隔開3μm至15μm、15μm至75μm、75μm至150μm、或150μm至300μm。陣列中發(fā)射器的數(shù)量可以從3至15個或從15至30個、或從30至50個、或從50至100個、或多于100個變化。每個發(fā)射器可以產(chǎn)生25至50mW、50至100mW、100至250mW、250至500mW、500至1000mW、或大于1W的平均輸出功率。因此，具有多個發(fā)射器的激光裝置的總輸出功率可以從200至500mW、500至1000mW、1-2W、2-5W、5-10W、10-20W、以及大于20W的范圍。

利用當前的技術，單個發(fā)射器的尺寸的寬度為1.0至3.0μm、3.0至6.0μm、6.0至10.0μm、10至20.0μm、以及大于20μm。長度從400μm至800μm、800μm至1200μm、1200μm至1600μm、或大于1600μm的范圍。

空腔構件具有前端和后端。該激光裝置被構造成在前端處穿過前鏡發(fā)射激光束。前端可以具有抗反射涂層或一點也沒有涂層，由此允許輻射在沒有過度反射性下通過鏡子。由于沒有激光束從空腔構件的后端發(fā)出，所以后鏡被構造成將輻射反射回到空腔中。例如，后鏡包括高度反射涂層，其中反射率大于85％或95％。

圖4是示出了具有多個空腔構件的激光裝置的正視圖的簡圖。如圖4所示，有源區(qū)307可以被看作位于基板301中。所示的空腔構件302包括通孔306。通孔設置在空腔構件上并且在介電層303如二氧化硅中打開。具有通孔的空腔構件的頂部可以看作激光器脊(laser ridge)，其暴露用于電接觸的電極304。電極304包括p-型電極。在一個具體實施方式中，共用p-型電極沉積在空腔構件和介電層303上方，如圖4所示。

空腔構件通過電極304彼此電耦接。這些激光器二極管(各自均具有穿過其空腔構件的電接觸部)共享共用n-側電極。依據(jù)應用，該n-側電極可以在不同構造中電耦接于空腔構件。在一個優(yōu)選的實施方式中，該共用n-側電極電耦接于基板的底側。在一些實施方式中，n-接觸部在基板的頂部上，而連接通過從該頂部在基板中向下深蝕刻然后沉積金屬接觸部而形成。例如，激光器二極管在平行構造中彼此電耦接。在這種構造中，當電流施加于電極時，所有激光器空腔可以相對均等地被泵浦。而且，由于脊寬度相對較窄地在1.0至5.0μm范圍，所以空腔構件的中心將靠近該脊的邊緣(例如通孔)的附近，使得將減少電流聚集或非均勻注入。更重要地，能夠防止絲化并且橫向光學場分布在窄空腔中是對稱的。

應當理解，具有多個空腔構件的激光裝置具有有效的脊寬度n x w，其可以容易地達到寬度在10至50μm范圍的傳統(tǒng)高功率激光器的寬度。這種多條紋激光器的典型長度可以從400μm至2000μm的范圍，但可以高達3000μm。旨在用于5至500mW的較低功率應用的傳統(tǒng)單條紋窄脊發(fā)射器的示意圖在圖1中示出，具有側向對稱場分布。作為旨在用于0.5至10W的操作功率的這種實施方式的實例的多條紋發(fā)射器的示意圖在圖2中示出。

圖3和圖4中所示的激光裝置具有寬范圍的應用。例如，該激光裝置可以耦接于電源并在0.5至10W的功率水平下操作。在一些應用中，電源被具體構造成在大于10W的功率水平下操作。該激光裝置的操作電壓可以低于5V、5.5V、6V、6.5V、7V、以及其他電壓。在各種實施方式中，電光轉換效率(壁式插座效率，wall plug efficiency)(例如，總的電至光功率效率)可以為15％或更大、20％或更大、25％或更大、30％或更大、35％或更大。

激光裝置的典型應用是用于發(fā)射單個激光射線。由于該激光裝置包括多個發(fā)射器，所以需要光學構件來組合或校準來自這些發(fā)射器的輸出。圖5A和圖5B是示出了具有面朝上的“p-側”的激光器封裝件。如圖5A所示，激光棒安裝在子支架上。該激光棒包括發(fā)射器的陣列(例如，如圖3和圖4所示的)。該激光棒附著于子支架(submount)，其位于該激光棒和散熱器之間。應當理解，該子支架允許該激光棒(例如氮化鎵材料)牢固地附著于散熱器(例如，具有高熱輻射系數(shù)的銅材料)。在各種實施方式中，子支架包括特征在于高熱導率的氮化鋁材料。例如，在子支架中使用的氮化鋁材料的熱導率可以超過200W/(mk)。其他類型的材料也可以用于子支架，如金剛石、銅鎢合金、氧化鈹。在一個優(yōu)選的實施方式中，子支架材料用來補償激光棒和散熱器之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)錯配。

在圖5A中，激光棒的“p-側”(即具有發(fā)射器的側)面朝上并因此不耦接于子支架。激光棒的p-側通過多個接合線電耦接于電源的陽極。由于子支架和散熱器二者是傳導的，所以電源的陰極電極可以通過該子支架和散熱器而電耦接于激光棒的另一側。

在一個優(yōu)選的實施方式中，激光棒的發(fā)射器陣列由氮化鎵基板制造。該基板可以具有特征在于半極性或非極性取向的表面。該氮化鎵材料允許該激光裝置在沒有密封的情況下被封裝。更具體地，通過使用該氮化鎵材料，激光棒基本上沒有AlGaN或InAlGaN覆層。當發(fā)射器基本上接近于p-型材料時，激光裝置基本上沒有p-型AlGaN或p-型InAlGaN材料。典型地，AlGaN或InAlGaN覆層當在正常大氣中操作時是不穩(wěn)定的，因為它們與氧相互作用。為了解決這個問題，將包含AlGaN或InAlGaN材料的傳統(tǒng)激光裝置封閉地密封以防止AlGaN或InAlGaN和空氣之間的相互作用。相反，由于AlGaN或InAlGaN覆層不存在于根據(jù)本發(fā)明實施方式的激光裝置中，所以這些激光裝置不需要氣密地進行封裝。通過消除對于氣密性封裝的需要，制造根據(jù)本發(fā)明實施方式的激光裝置和封裝件的成本可以低于傳統(tǒng)激光裝置的成本。

圖5B是圖5A所示的激光裝置的側視圖。激光棒安裝在子支架(submount)上，并且該子支架安裝在加熱側(散熱側，散熱器，heat side)上。如上述所解釋的，由于該激光棒包括多個發(fā)射器，所以準直透鏡用來組合發(fā)射的激光從而形成期望的激光束。在一個優(yōu)選的實施方式中，準直透鏡是特征在于圓柱形形狀的快軸準直(FAC)透鏡(fast-axis collimating lens)。

圖6A和圖6B是示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的具有面朝下的“p-側”的激光器封裝件的簡圖。在圖6A中，激光棒安裝在子支架(submount)上。該激光棒包括發(fā)射器的陣列(例如，如在圖3和圖4中所示的)。在一個優(yōu)選的實施方式中，該激光棒包括特征在于半極性或非極性取向的基板。該激光棒附著于該子支架(submount)，其位于該激光棒和散熱器之間。該激光棒的“p-側”(即，具有發(fā)射器的側)面朝下并因此直接耦接于子支架(submount)。該激光棒的p-側通過該子支架(submount)和/或散熱器電耦接于電源的陽極。該激光棒的另一側通過多個接合線電耦接于該電源的陰極。

圖6B是圖6A中所示的激光裝置的側視圖。如所示的，激光棒安裝在子支架(submount)上，并且該子支架安裝在加熱側(散熱側，散熱器，heat side)上。如上述所解釋的，由于該激光棒包括多個發(fā)射器，所以準直透鏡用來組合發(fā)射的激光從而形成期望的激光束。在一個優(yōu)選的實施方式中，準直透鏡是特征在于圓柱形形狀的快軸準直(FAC)透鏡。

圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的單獨的可尋址激光器封裝件的簡圖。激光棒包括多個由脊結構(ridge structure)分隔開的發(fā)射器。每一個發(fā)射器的特征在于寬度為約90-200μm，但應當理解，其他尺寸也是可能的。每一個激光發(fā)射器包括用于p-接觸線接合(p-contact wire bond)的焊盤(焊接點，pad)。例如，電極可以單獨地耦接于發(fā)射器使得可以選擇性地接通發(fā)射器和斷開發(fā)射器。圖7中所示的單獨的可尋址構造提供許多優(yōu)勢。例如，如果具有多個發(fā)射器的激光棒不是單獨可尋址的，則在制造期間的激光棒產(chǎn)率可能是個問題，因為許多單獨的激光裝置需要是良好的以便使該棒通過，并且這意味著激光棒產(chǎn)率會低于單個發(fā)射器產(chǎn)率。另外，建立具有單個發(fā)射器可尋址性的激光棒使得有可能篩選每一個發(fā)射器。在一些實施方式中，控制模塊電耦接于激光器用于單獨地控制激光棒的裝置。

圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的具有圖案化接合基板的激光棒的簡圖。如所示的，激光裝置的特征在于約30μm的寬度。依據(jù)應用，其他寬度也是可能的。具有小于約90微米的間距的激光發(fā)射器很難形成線接合。在各種實施方式中，圖案化接合基板用于形成接觸部。例如，該圖案化接合基板允許寬度低至10-30μm。

圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的構造具有光學組合器(optical combiner)的激光棒的簡圖。如所示的，該圖包括對于多個發(fā)射器的封裝件或封閉件(enclosure)。每一個裝置被構造在單個陶瓷上或陶瓷上的多個芯片上，該陶瓷設置在共用散熱器上。如所示的，該封裝件包括所有自由光學器件耦接(free optics coupling)、準直儀(校準器，collimator)、鏡子、空間或極化復合(空間或極化多路轉換，spatially or polarization multiplexed)，用于自由空間輸出或再聚焦于纖維或其他波導介質中。作為一個實例，該封裝件具有低分布并且可以包括扁平封裝陶瓷多層(flat pack ceramic multilayer)或單層。該層可以包括銅、銅鎢基底(base)如蝶形封裝件或覆蓋CT支架(mount)、Q-支架等。在一個具體實施方式中，激光裝置焊接在具有低耐熱性的CTE匹配材料(matched material)(例如AlN、金剛石、金剛石化合物)上并形成在陶瓷上的分裝芯片(sub-assembled chip)。然后將該分裝芯片在具有低耐熱性的第二材料如銅上組裝在一起，包括例如有源冷卻(即，簡單水通道或微通道)，或直接形成裝配有所有連接如銷的封裝件的基底。該扁平封裝裝配有光學界面如窗口、自由空間光學器件、連接器或纖維以引導所產(chǎn)生的光，以及環(huán)境保護性的蓋子。

在一個具體實施方式中，該封裝件可以用個各種各樣的應用。這些應用包括功率標定(power scaling)(模塊化可能性(modular possibility))、光譜加寬(選擇對于較寬光譜特性具有輕微波長漂移的激光器)。應用還可以包括多色單片集成如藍色-藍色、藍色-綠色、RGB(紅-藍-綠色)等。

在一個具體實施方式中，本發(fā)明的激光裝置可以被構造在各種各樣的封裝件上。作為一個實例，這些封裝件包括TO9Can(TO9罐)、TO56Can(TO56罐)、一個或多個扁平封裝件、CS-支架、G-支架、C-支架、一個或多個微通道冷卻封裝件等。在其他實例中，多個激光器構造可以具有為1.5瓦、3瓦、6瓦、10瓦以及更大的操作功率。在一個實例中，本發(fā)明的光學裝置(包括多個發(fā)射器)沒有任何導致效率低的光學組合器。在其他實例中，可以包括光學組合器并且構造具有多個發(fā)射器裝置。另外地，該多個激光裝置(即，發(fā)射器)可以尤其是構造在非極性取向的GaN或半極性取向的GaN或這些的任意組合上的激光裝置的陣列。

如本文中使用的，術語GaN基板與基于第III族氮化物的材料包括GaN、InGaN、AlGaN或用作原料的其他含第III族的合金或組合物相關。這樣的原料包括極性GaN基板(即這樣的基板，其中最大面積表面(largest area surface)標稱是(h k l)面，其中h＝k＝0，而l為非0)、非極性GaN基板(即，這樣的基板材料，其中最大面積表面朝向(h k l)面從上述的極性取向以從約80-100度范圍的角度定向，其中l(wèi)＝0，而h和k中的至少一個為非0)或半極性GaN基板(即，這樣的基板材料，其中最大面積表面朝向(h k l)面從上述的極性取向以從約+0.1至80度或110-179.9度范圍的角度定向，其中l(wèi)＝0，而h和k中的至少一個為非0)。當然，可以存在其他變形、更改和替換。

在其他實例中，本發(fā)明的裝置可在包括至少150,000ppmv氧氣的環(huán)境中操作。該激光裝置基本上沒有AlGaN或InAlGaN覆層。該激光裝置基本上沒有p-型AlGaN或p-型InAlGaN覆層。每一個發(fā)射器包括前面(front facet)和后面(rear facet)，該前面基本上沒有涂層。每一個發(fā)射器包括前面和后面，該后面包括反射涂層。在其他實例中，所述裝置還具有熱耦接于基板的微通道冷卻器。所述裝置還具有特征在于熱膨脹系數(shù)(CTE)與基板和散熱器相關的子支架(submount)。該子支架耦接于基板，該子支架包括氮化鋁材料、BeO、金剛石、復合金剛石(composite diamond)、或組合。在一個具體實施方式中，基板膠合到子支架上，該子支架的特征在于至少200W/(mk)的熱導率?；灏ㄒ粋€或多個覆層區(qū)。一個或多個光學構件包括快軸準直透鏡。激光裝置的特征在于光譜寬度為至少4nm。在一個具體實例中，發(fā)射器的數(shù)量N可以在3至15、15至30、30至50之間的范圍，并且可以大于50。在其他實例中，該N個發(fā)射器中的每一個產(chǎn)生25至50mW的平均輸出功率，產(chǎn)生50至100mW的平均輸出功率，產(chǎn)生100至250mW的平均輸出功率，產(chǎn)生250至500mW的平均輸出功率，或產(chǎn)生500至1000mW的平均輸出功率。在一個具體實例中，該N個發(fā)射器中的每一個產(chǎn)生大于1W的平均輸出功率。在一個實例中，該N個發(fā)射器中的每一個彼此分隔開3μm至15μm，或者彼此分隔開15μm至75μm，或者彼此分隔開75μm至150μm，或者彼此分隔開150μm至300μm。

在又一個可替換的具體實施方式中，本發(fā)明提供一種光學裝置，例如激光器。該裝置包括具有表面區(qū)的含鎵和氮的材料，其特征在于在以下(10-11)、(10-1-1)、(20-21)、(20-2-1)、(30-31)、(30-3-1)、(40-41)或(40-4-1)中的一個的5度內的半極性表面取向。該裝置還具有在第一方向上構造的第一波導區(qū)，其在一個具體實施方式中是覆蓋該含鎵和氮材料的表面區(qū)的c-方向的投影。該裝置還具有耦接于第一波導區(qū)的第二波導區(qū)并構造在覆蓋該含鎵和氮材料的表面區(qū)的第二方向上。在一個優(yōu)選的實施方式中，該第二方向不同于第一方向并且基本上平行于a-方向。在一個優(yōu)選的實施方式中，第一波導區(qū)和第二波導區(qū)是連續(xù)的，被形成為單個連續(xù)波導結構，并且在制造這些波導期間被形成在一起。當然，可以存在其他變形、更改和替換。

盡管以上是具體實施方式的充分描述，但是可以使用各種更改、替換構造和等同替換。因此，以上描述和舉例說明不應視為限制由所附權利要求限定的本發(fā)明的范圍。