专利名称：具有在基板构件上构造的多个发射器的激光器封装件的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学装置和相关方法。更具体地，本发明提供一种用于以高功率发射电磁福射的方法和装置，其中使用非极性或半极性含镓基板(衬底，substrate)如GaN、AIN、InN、InGaN, AlGaN、和Al InGaN等。在各种实施方式中，提供了一种激光装置。
背景技术：
在19世纪后期，托马斯爱迪生发明了电灯泡。传统的电灯泡，通常称为“爱迪生电灯泡”，100多年来已经被用于各种各样的应用包括照明和显示。传统电灯泡使用封闭在密封于底座(base)中的玻璃灯泡中的钨丝，该底座被旋入插座中。该插座耦接于AC电源或DC电源。传统电灯泡通常能够在家庭、建筑物、和户外发光、以及需要光或显示的其他区域中找到。不幸地，这种传统电灯泡存在这样的缺陷·传统电灯泡耗散多于90%的用作热能的能量。·传统电灯泡通常由于灯丝元件的热膨胀和收缩而出现故障。·传统电灯泡在宽光谱范围内发射光，其大部分不被人眼感受到。 传统电灯泡在所有方向上发射，这对于要求强方向性或聚焦的应用，例如投影显示、光学数据储存等是不期望的。在I96。年，由 Theodore H. Maiman at Hughes Research Laboratories in Malibu演示了激光器。这种激光器利用了固态闪光灯泵浦合成的红宝石晶体以在694nm处产生红色激光。到1964年,蓝色和绿色激光器输出由William Bridges at Hughes Aircraft利用称为氩离子激光器的气体激光器设计进行了演示。该Ar离子激光器利用惰性气体作为激活媒质并产生在UV、蓝色和绿色波长内(包括351nm、454. 6nm、457. 9nm、465. 8nm、476. 5nm、488. 0nm、496. 5nm、501. 7nm、514. 5nm和528. 7nm)的激光输出。该Ar离子激光器具有产生窄光谱输出的高度定向且聚焦光的优势，但这些激光器的效率、尺寸、重量和成本不合需要。随着激光器技术发展，更有效的灯泵浦固态激光器设计被开发用于红色和红外波长，但这些技术用于蓝色和绿色和蓝色激光器仍然存在挑战。以红外线开发了灯泵浦固态激光器，并且利用具有非线性光学性能的特殊晶体将输出波长转化成可见光。绿色灯泵浦固态激光器具有3个阶段电流激励灯，灯激发增益晶体(gain crystal),其在1064nm处发出激光，1064nm进入频率转换晶体中，其转换成可见的532nm。所得绿色和蓝色激光器称为“具有二次谐波发生的灯泵浦固态激光器”(具有SHG的LPSS)并且比Ar离子气体激光器更有效，但仍然对于专业(特殊性，specialty)科学和医学应用之外的广泛使用(配置，deployment)是不太有效、太大、太昂贵、太易碎。另外，在该固态激光器中使用的增益晶体通常具有能量储存性能，这使得该激光器很难以高速度进行调制，这限制了它更广泛的使用。为了改善这些可见激光器的效率，利用了高功率二极管(或半导体)激光器。这些“具有SHG的二极管泵浦固态激光器”(具有SHG的DPSS)具有3个阶段电流激励808nm 二极管激光器，808nm激发增益晶体，其在1064nm处发出激光，1064nm进入频率转换晶体中，其转换成可见的532nm。该DPSS激光器技术延长了 LPSS激光器的寿命并且改善了效率，并且进一步的商业化接着发生在更高端专业工业、医学、和科学应用中。二极管泵浦的改变增加了系统成本并且要求精确的温度控制，使得该激光器具有相当大的尺寸、功率消耗，同时没有解决能量储存性能，这使得这些激光器很难以高速度进行调制。随着高功率激光器二极管发展和新的专业SHG晶体被开发，直接转换红外二极管激光器的输出以产生蓝色和绿色激光输出已变得可能。这些“直接加倍的二极管激光器”或SHG 二极管激光器具有2个阶段电流激励1064nm半导体激光器，1064nm进入频率转换晶体中，其转换成可见的532nm绿色光。相比于DPSS-SHG激光器，这些激光器设计意味着改善效率、成本和尺寸，但所需的专业二极管和晶体使其有挑战性。另外，尽管二极管-SHG激光器具有能够直接进行调制的优势，但是它们存在对于温度的严重敏感的问题，这限制·了它们的应用。高功率直接型二极管激光器已经在过去的几十年中存在，开始是基于GaAs材料体系的激光器二极管，然后变为AlGaAsP和InP材料体系。更近地，在短波长可见波段(可见方式，visible regime)中操作的基于GaN的高功率激光器已变得极大关注。更具体地，在紫外、蓝色、以及最后的绿色波段中操作的激光器二极管由于它们在光学储存、显示系统等中的应用而引起关注。目前，在这些波长段(regime)中操作的高功率激光器二极管基于极性C-面GaN (c-plane GaN)。传统的基于极性GaN的激光器二极管具有许多应用，但是不幸地，该装置性能经常是不充分的。
发明内容
本发明提供了用于以高功率发射电池辐射的方法和装置，其中使用非极性或半极性的含镓基板如GaN、AlN、InN、InGaN, AlGaN和AlInGaN等。在各种实施方式中，激光装置包括集成在基板上的多个激光发射器，所述激光发射器发射绿色或蓝色激光。在一个具体实施方式
中，本发明提供一种激光装置。该装置包括含有镓和氮材料的基板。该基板具有特征在于半极性或非极性取向的表面区。该基板具有前侧(frontside)和背侧(back side)。该装置包括位于基板内的至少一个有源区(active region)以及覆盖(上覆，overlaying)该有源区的N个发射器的阵列，N大于3。该N个发射器的阵列彼此基本上平行并且位于该前侧和背侧之间。该N个发射器中的每一个被构造成在前侧处发射辐射。该N个发射器的阵列与蓝色或绿色波长相关。该N个发射器的阵列的特征在于至少25mW的平均操作功率。该N个发射器中的每一个的特征在于长度和宽度。该长度为至少400 μ m而该宽度为至少I μ m。该装置还具有电耦接(电连接)于该N个发射器的阵列的至少一个电极。该装置还具有位于基板前侧处的至少一个光学构件(opticalmember),用于光学组合(合并，combining)来自这些发射器的福射。在一个可替换的实施方式中，本发明提供了一种激光装置。该装置具有含有镓和氮材料的基板。该基板具有特征在于半极性或非极性取向的表面区。该基板具有前侧和背侦U。该装置具有位于基板内的一个或多个有源区。该装置具有覆盖该一个或多个有源区的N个发射器的阵列，N大于3。该N个发射器的阵列彼此基本上平行并且位于该前侧和背侧之间。该N个发射器中的每一个被构造成在前侧处发射辐射。该N个发射器的阵列与蓝色或绿色波长范围相关。该N个发射器的阵列的特征在于至少25mW的平均操作功率。该N个发射器中的每一个的特征在于长度和宽度，该长度为至少400 μ m,而该宽度为至少I μ m。一个或多个电极电耦接于该N个发射器的阵列。一个或多个光学构件位于基板的前侧处，用于光学校准(collimating)来自这些发射器的辐射。该装置还具有热耦接于第一基板的散热器(热沉，heat sink)。在一个可替换的实施方式中，本发明提供了一种激光装置。该装置包括含有镓和氮材料的基板。该基板具有特征在于半极性或非极性取向的表面区。该基板具有顶侧(topside)和底侧(bottom side)。该装置具有数量为N个的位于第一基板的顶侧附近的有源区，N大于3，该有源区中的每一个包括与P型相关的掺杂区。该装置具有覆盖掺杂区的N个发射器的阵列。该N个发射器的阵列彼此基本上平行。该N个发射器中的每一个被构造 成在前侧处发射辐射。该N个发射器的阵列的特征在于至少25mW的平均操作功率。该N个发射器中的每一个的特征在于长度和宽度，该长度为至少400 μ m,而该宽度为至少I μ m。该装置具有电耦接于该N个发射器的阵列的一个或多个电极以及位于基板的前侧处的一个或多个光学构件，所述光学构件用于光学校准来自这些发射器的辐射。该装置具有特征在于至少O. 6的热福射系数(热发射率，thermal emissivity)的子支架(子基板，热沉，submount)。在一个具体实施方式
中，该装置还包括位于基板的前侧处的一个或多个光学构件，用于光学地组合来自这些发射器的辐射。利用本发明实现了相对于现有技术的另外的优势。尤其是，本发明能够获得用于激光器应用的成本有效的光学装置，包括用于投影仪的激光棒(laser bar)等。在一个具体实施方式
中，本发明的光学装置能够以相对简单且成本有效的方式制造。依据实施方式，本发明的设备和方法能够利用对于本领域普通技术人员是常规的材料和/或方法进行制造。本发明的激光装置利用尤其能够实现紫外或蓝色或绿色发射的非极性或半极性氮化镓材料。在一个或多个实施方式中，该激光装置能够发射长波长如那些用于蓝色波长区的范围约430nm至470nm或用于绿色波长区的500nm至约540nm的波长,但可以是其他波长如紫外区。当然，可以存在其他变形、更改以及替换。依据实施方式，可以实现这些优势中的一个或多个。这些和其他优势可以在整个本发明说明书中并且在下面更具体地进行描述。通过参考本说明书的后面部分以及附图，可以实现对本发明的特性和优点的进一步理解。
图I是示出了根据本发明一个实施方式的光学装置的简图。图2是根据本发明一个实施方式的激光装置的剖视图。图3是示出了根据本发明一个实施方式的具有多个发射器的激光装置的简图。图4是示出了根据本发明一个实施方式的具有多个空腔构件(中空构件，cavitymember)的激光装置的正视图的简图。图5A和图5B是示出了根据本发明一个实施方式的具有面朝上的“p_侧”的激光器封装件(laser package)的图。图6A和图6B是示出了根据本发明一个实施方式的具有面朝下的“p_侧”的激光器封装件的简图。图7是示出了根据本发明一个实施方式的单个可寻址的激光器封装件的简图。图8是示出了根据本发明一个实施方式的具有图案化接合基板的激光棒的简图。图9是示出了根据本发明实施方式的配置有光学组合器(optical combiner)的激光棒的简图。
具体实施例方式本发明提供了高功率基于GaN的激光装置以及用于制造和使用这些激光装置的·相关方法。具体地，这些激光装置被构造成在蓝色或绿色波长段内以O. 5至5W或5至20W的输出功率进行操作。这些激光装置由本体(bulk)非极性或半极性的含镓和氮的基板制造。如上所述，激光装置的输出波长可以在430-475nm的蓝色波长区和绿色波长区500_545nm内。根据本发明的实施方式的激光装置也可以在诸如紫外(violet) (395至425nm)和蓝色-绿色(475-505nm)的波长中进行操作。这些激光装置可以用于各种应用，如其中高功率激光器用来投影视频内容的投影系统。图I是示出了光学装置的简图。作为一个实例，该光学装置包括氮化镓基板构件101，所述氮化镓基板构件101具有特征在于半极性或非极性取向的晶体表面区。例如，氮化镓基板构件是特征在于具有非极性或半极性晶体表面区的本体GaN基板，但可以是其他材料。本体GaN基板可以具有低于IO5CnT2或10E5至10E7cnT2面位错密度。氮化物晶体或晶片可以包括AlxInyGa1IyN,其中O彡x, y, x+y ( I。在一个具体实施方式
中，该氮化物晶体包括GaN。在一个或多个实施方式中,GaN基板在相对于表面基本垂直或倾斜的方向上具有浓度在约IO5CnT2至约IO8CnT2之间的穿透位错(threading dislocation)。在各种实施方式中，GaN基板的特征在于非极性取向(例如m-面)，其中波导在c_方向或基本上垂直于a-方向定向。在一些实施方式中，GaN表面取向基本上在{20-21}取向，并且该装置具有形成为覆盖截止晶体取向表面区(off-cut crystalline orientation surface region)的一部分的激光条纹区(laser stripe region)。例如,该激光条纹区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。在一个具体实施方式
中，该激光条纹区具有第一端107和第二端109。在一个优选的实施方式中，该装置在{20-21}含镓和氮的基板(具有彼此面对的一对解理镜像结构(开裂镜子结构，cleavedmirror structure))上形成在c_方向的投影上。在一个优选的实施方式中，该装置具有设置在激光条纹区的第一端上的第一解理面和设置在激光条纹区的第二端上的第二解理面。在一个或多个实施方式中，第一解理面基本上与第二解理面平行。镜子表面形成在这些解理表面的每一个上。第一解理面包括第一镜子表面。在一个优选的实施方式中，第一镜子表面通过顶侧跳跃划线的划线和中断工艺(top-side skip-scribe scribing and breaking process)提供。该划线工艺能够利用任何合适的技术，如金刚石划线或激光划线或组合。在一个具体实施方式
中，第一镜子表面包括反射涂层。该反射涂层选自二氧化硅、二氧化铪、和二氧化钛、五氧化二钽、氧化锆，包括其组合等。第一镜子表面也可以具有抗反射涂层。还是在优选的实施方式中，第二解理面包括第二镜子表面。根据一个具体实施方式
，第二镜子表面通过顶侧跳跃划线的划线和中断工艺提供。优选地，划线是金刚石划线或激光划线等。在一个具体实施方式
中，第二镜子表面包括反射涂层，如二氧化硅、二氧化铪、和二氧化钛、五氧化钽、氧化锆、组合等。在一个具体实施方式
中，第二镜子表面具有抗反射涂层。在一个具体实施方式
中，在非极性含Ga基板上，该装置的特征在于自发发射的光在基本上垂直于C-方向上被极化。在一个优选的实施方式中，自发发射的光的特征在于垂直于C-方向的极化比大于O. I至约I。在一个优选的实施方式中,特征在于波长范围从约430nm至约470nm的自发发射的光产生蓝色发射，或者约500nm至约540nm的自发发射的光产生绿色发射等。例如，自发发射的光可以是紫外(例如395至420nm)、蓝色(例如430至470nm)、绿色(例如500至540nm)等。在一个优选的实施方式中，自发发射的光被高度 极化并且特征在于极化比大于O. 4。在另一个具体实施方式
中，在半极性{20-21}含Ga基板上，该装置的特征还在于，自发发射的光在基本上平行于a-方向或垂直于空腔方向上被极化，其在C-方向的投影上被定向。在一个具体实施方式
中，本发明提供一种能够在脊形激光器(ridge laser)实施方式中发射501nm以上光的可替换装置结构。该装置设置有以下外延生长的元件中的一个或多个n-GaN镀层(cladding layer),其厚度为IOOnm至3000nm,其中Si掺杂水平为5E17 至 3E18cnT3由InGaN构成的η-侧SCH层，其中铟的摩尔分数在2%至10%之间并且厚度为20至 200nm多个量子讲有源区层(量子势讲有源区层，quantum well active regionlayers),由通过I. 5nm和更大并且可选地可达到约12nm的GaN或InGaN阻挡层分开的至少两个2. 0-8. 5nm InGaN量子阱构成由InGaN构成的P-侧SCH层，其中铟的摩尔分数在I %至10%之间并且厚度为15nm 至 IOOnm,或上部 GaN-导向层(guide layer)由AlGaN构成并掺杂有Mg的电子阻碍层(electron blocking layer),其中招的摩尔分数在6%至22%之间，并且厚度为5nm至20nm。P-GaN锻层，厚度为400nm至IOOOnm,其中Mg惨杂水平为2E17cm 3至2E19cm 3p++GaN接触层,厚度为20nm至40nm,其中Mg掺杂水平为lE19cnT3至lE21cnT3。图2是激光装置200的剖视图。如所示的，该激光装置包括氮化镓基板203，所述氮化镓基板203具有下η-型金属背接触区201。例如，基板203可以特征在于半极性或非极性取向。该装置还具有上覆η-型氮化镓层205、有源区207、以及构造为激光条纹区209的上覆P-型氮化镓层。这些区中的每一个至少利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、或适用于GaN生长的其他外延生长技术中的外延沉积技术形成。外延层是覆盖该η-型氮化镓层的高质量外延层。在一些实施方式中，该高质量层例如掺杂有Si或O以形成η-型材料,其中掺杂剂浓度在约1016cm_3至102°cm_3之间。其中O彡u, V, u+v彡I的η-型层沉积在基板上。载体浓度(载流子浓度，carrier concentration)可以处于约IO16CnT3至102°cnT3之间的范围内。沉积可以利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)来实施。例如，将本体GaN基板置于MOCVD反应器中的基座上。在关闭、抽空以及回填该反应器(或利用加载锁构造(load lock configuration))至大气压力之后,将基座在含氮气体存在下加热至约1000°C至约1200°C之间的温度。将基座在流动氨下加热至大约900°C至1200°C。以在大约I至50之间的标准cm3/min(sccm)的总速度在载气中启动含镓金属有机前体如三甲基镓(TMG)或三乙基镓(TEG)的流。载气可以包含氢气、氦气、氮气或氩气。在生长期间，第V族前体(氨)的流速相对于第III族前体(三甲基镓、三乙基镓、三甲基铟、三甲基铝)的流速的比率在约2000至约12000之间。启动载气中乙硅烷的流，其中总流速在约0. I至IOsccm之间。在一个实施方式中，激光条纹区是P-型氮化镓层209。该激光条纹通过干蚀刻工·艺提供，但可以使用湿蚀刻。干蚀刻工艺是利用含氯物质的感应耦合工艺或利用类似化学性质的反应性离子蚀刻工艺。含氯物质通常来源于氯气等。该装置还具有上覆电介质区(overlying dielectric region),其暴露213接触区。该电介质区是氧化物如二氧化娃或氮化硅，并且接触区耦接于上覆金属层215。该上覆金属层优选是含有金和钼(Pt/Au)或镍金(Ni/Au)的多层结构。有源区207优选包括I至10个量子阱区或用于发光的双异质结构区(doubleheterostructure region)。在沉积η-型AluIr^GaniN层以获得期望的厚度之后,沉积有源层。量子阱优选是具有GaN、AlGaN、InAlGaN的InGaN，或分隔它们的InGaN阻挡层。在其他实施方式中，这些阱层和阻挡层分别包含AlwInxGamN和AlyInzGai_y_zN，其中O彡W，X，y, z, w+x, y+z ( 1，其中w < u, y和/或x > v, z,使得一个或多个讲层的带隙小于一个或多个阻挡层和η-型层的带隙。阱层和阻挡层各自具有在约Inm至约20nm之间的厚度。选择有源层的组成和结构以提供在预选波长处的发光。有源层可以保持为未掺杂的(或非有意掺杂的)或者可以是掺杂η-型或P-型。有源区还可以包括电子阻断区、以及单独的限制异质结构。电子阻断层可以包含AlsIntGai_s_tN，其中O彡s，t，s+t ^ 1，具有比有源层更高的带隙，并且可以是掺杂p_型。在一个具体实施方式
中，电子阻断层包括AlGaN。在另一个实施方式中，电子阻断层包括AlGaN/GaN超晶格结构，包括AlGaN和GaN的交替层，各自具有在约0. 2nm至约5nm之间的厚度。如注意到的，P-型氮化镓结构沉积在电子阻断层和一个或多个有源层上方。P-型层可以掺杂有Mg,达到在约1016cm_3至1022cm_3之间的水平,厚度为在约5nm至约IOOOnm之间。该P-型层的最外部的l_50nm可以比该层剩余部分更重地掺杂，以便能够实现改善的电接触。该装置还具有上覆电介质区，例如二氧化硅，其暴露213接触区。金属接触部(金属触点)由合适材料如银、金、铝、镍、钼、铑、钯、铬等制成。该接触部可以通过热蒸发、电子束蒸发、电镀、溅射、或另一种合适的技术进行沉积。在一个优选的实施方式中，电接触部用作用于光学装置的P-型电极。在另一个实施方式中，电接触部用作用于光学装置的η-型电极。图I和图2中所示和以上描述的激光装置典型地适用于相对低功率的应用。在各种实施方式中，本发明实现了从二极管激光器的高输出功率，其中通过将激光器空腔构件的一个或多个部分从I. 0-3. O μ m的单个侧模波段(single lateral moderegime)加宽至多个侧模范围(multi-lateral mode range) 5. 0-20 μ m0在一些情况下，采用具有宽度为50 μ m或更大的空腔的激光器二极管。激光条纹长度或空腔长度范围为300至3000 μ m并且采用生长和制造技术如在2010年4月13日提交的美国专利申请号12/759,273中描述的那些，将其结合于此以供参考。作为一个实例，激光器二极管在非极性或半极性含镓基板上制造，其中内部电场相对于极性C-面定向装置基本上被消除或减轻。应当理解，内部电场的减小经常能够实现更有效的福射复合(福射重组,radiative recombination)。而且,预期重空穴质量(heavy holemass)在非极性和半极性基板上更轻，使得能够从这些激光器实现更好的增益特性。在制造具有宽空腔设计的高功率基于GaN的激光器中的一个困难是这样的现象，其中在空腔的横向方向上的光学场分布(optical field profile)变得不对称,其中存在局部亮区和局部暗区。这样的行为经常被称为丝化(filamenting)并且可以通过折射率或 热分布的横向变化而引发，这改变模导向特性(mode guiding characteristics)。这样的行为也可以是通过将载体非均匀注入到有源区中引起的局部增益/损失的不均匀性或电流聚集(其中电流优先地传导通过激光器空腔的外部区)的结果。即，注入通过P-侧电极的电流趋向于朝向横向波导所需的蚀刻P-覆层脊/条纹的边缘，然向下传导，其中这些空穴与主要在条纹的侧面附近的电子复合(重组)。不管原因，这样的丝化或非对称光学场分布可以随着条纹宽度增大而导致降低的激光器性能。图3是示出了根据本发明一个实施方式的具有多个发射器的激光装置的简图。如图3所示，激光装置包括基板和多个发射器。各个空腔构件，联合在基板和其他电组件内的下有源区，是激光器二极管的一部分。图3中的激光装置包括三个激光器二极管，各自具有它的发射器或空腔构件(例如，空腔构件302起激光器二极管的波导的作用)并且共享包含一个或多个有源区的基板301。在各种实施方式中，有源区包括量子阱或用于发光的双异质结构。空腔构件充当波导。具有在单个基板上集成的多个空腔构件的装置及其制造方法描述在2010年5月17日提交的美国临时专利申请号61/345，561中，将其结合于此以供参考。图3所示的基板包含镓和氮材料，由非极性或半极性本体GaN制造。所示的空腔构件彼此平行布置。例如，空腔构件301包括前镜和后镜，类似于图I中所示的空腔构件101。激光空腔各自特征在于空腔宽度w在约I至约6 μ m的范围。空腔构件的这样布置增大了有效条纹宽度同时确保空腔构件被均匀泵浦。在一个实施方式中，空腔构件的特征在于基本上相等的长度和宽度。依据应用，高功率激光装置可以具有多个空腔构件。空腔构件的数量η可以在2至5、10或甚至20的范围。依据激光器二极管的要求，横向间距、或彼此分隔空腔构件的距离可以在2μπι至25μπι的范围。在各种实施方式中，空腔构件的长度可以在300μπι至2000 μ m的范围，在一些情况下高达3000 μ m。在一个优选的实施方式中，激光发射器(例如所示的空腔构件)在单个芯片上布置为线性阵列以发射蓝色或绿色激光。这些发射器基本上彼此平行，并且它们可以分隔开3 μ m至15 μ m、15 μ m至75 μ m、75 μ m至150 μ m、或150 μ m至300 μ m。阵列中发射器的数量可以从3至15个或从15至30个、或从30至50个、或从50至100个、或多于100个变化。每个发射器可以产生 25 至 50mW、50 至 100mW、100 至 250mW、250 至 500mW、500 至 lOOOmW、或大于IW的平均输出功率。因此，具有多个发射器的激光装置的总输出功率可以从200至500mW、500 至 1000mW、1-2W、2-5W、5_10W、10-20W、以及大于 20W 的范围。利用当前的技术，单个发射器的尺寸的宽度为I. O至3. 0μπι、3. O至6. 0μπι、6. O至 10. O μ m、10 至 20. O μ m、以及大于 20 μ m。长度从 400 μ m 至 800 μ m、800 μ m 至 1200 μ m、1200ym至1600 μ m、或大于1600 μ m的范围。空腔构件具有前端和后端。该激光装置被构造成在前端处穿过前镜发射激光束。前端可以具有抗反射涂层或一点也没有涂层，由此允许辐射在没有过度反射性下通过镜子。由于没有激光束从空腔构件的后端发出，所以后镜被构造成将辐射反射回到空腔中。例如，后镜包括高度反射涂层，其中反射率大于85%或95%。图4是示出了具有多个空腔构件的激光装置的正视图的简图。如图4所示，有源区307可以被看作位于基板301中。所示的空腔构件302包括通孔306。通孔设置在空腔构件上并且在介电层303如二氧化硅中打开。具有通孔的空腔构件的顶部可以看作激光器 脊(laser ridge),其暴露用于电接触的电极304。电极304包括p-型电极。在一个具体实施方式
中，共用P-型电极沉积在空腔构件和介电层303上方，如图4所示。空腔构件通过电极304彼此电耦接。这些激光器二极管(各自均具有穿过其空腔构件的电接触部)共享共用η-侧电极。依据应用，该η-侧电极可以在不同构造中电耦接于空腔构件。在一个优选的实施方式中，该共用η-侧电极电稱接于基板的底侧。在一些实施方式中，η-接触部在基板的顶部上，而连接通过从该顶部在基板中向下深蚀刻然后沉积金属接触部而形成。例如，激光器二极管在平行构造中彼此电耦接。在这种构造中，当电流施加于电极时，所有激光器空腔可以相对均等地被泵浦。而且，由于脊宽度相对较窄地在I. O至5. O μ m范围，所以空腔构件的中心将靠近该脊的边缘(例如通孔)的附近，使得将减少电流聚集或非均匀注入。更重要地，能够防止丝化并且横向光学场分布在窄空腔中是对称的。应当理解，具有多个空腔构件的激光装置具有有效的脊宽度η X w，其可以容易地达到宽度在10至50 μ m范围的传统高功率激光器的宽度。这种多条纹激光器的典型长度可以从400μπι至2000μπι的范围，但可以高达3000 μ m。旨在用于5至500mW的较低功率应用的传统单条纹窄脊发射器的示意图在图I中示出，具有侧向对称场分布。作为旨在用于0. 5至10W的操作功率的这种实施方式的实例的多条纹发射器的示意图在图2中示出。图3和图4中所示的激光装置具有宽范围的应用。例如，该激光装置可以耦接于电源并在0. 5至10W的功率水平下操作。在一些应用中，电源被具体构造成在大于10W的功率水平下操作。该激光装置的操作电压可以低于5V、5. 5V、6V、6. 5V、7V、以及其他电压。在各种实施方式中，电光转换效率(壁式插座效率，wall plug efficiency)(例如,总的电至光功率效率)可以为15%或更大、20%或更大、25%或更大、30%或更大、35%或更大。激光装置的典型应用是用于发射单个激光射线。由于该激光装置包括多个发射器，所以需要光学构件来组合或校准来自这些发射器的输出。图5A和图5B是示出了具有面朝上的“P-侧”的激光器封装件。如图5A所示，激光棒安装在子支架上。该激光棒包括发射器的阵列(例如，如图3和图4所示的)。该激光棒附着于子支架(submount)，其位于该激光棒和散热器之间。应当理解，该子支架允许该激光棒(例如氮化镓材料)牢固地附着于散热器(例如，具有高热辐射系数的铜材料)。在各种实施方式中，子支架包括特征在于高热导率的氮化铝材料。例如，在子支架中使用的氮化铝材料的热导率可以超过200W/(mk)0其他类型的材料也可以用于子支架，如金刚石、铜钨合金、氧化铍。在一个优选的实施方式中，子支架材料用来补偿激光棒和散热器之间的热膨胀系数(CTE)错配。在图5A中，激光棒的“P-侧”(即具有发射器的侧)面朝上并因此不耦接于子支架。激光棒的P-侧通过多个接合线电耦接于电源的阳极。由于子支架和散热器二者是传导的，所以电源的阴极电极可以通过该子支架和散热器而电耦接于激光棒的另一侧。在一个优选的实施方式中，激光棒的发射器阵列由氮化镓基板制造。该基板可以具有特征在于半极性或非极性取向的表面。该氮化镓材料允许该激光装置在没有密封的情况下被封装。更具体地，通过使用该氮化镓材料，激光棒基本上没有AlGaN或InAlGaN覆层。当发射器基本上接近于P-型材料时，激光装置基本上没有P-型AlGaN或P-型InAlGaN材料。典型地，AlGaN或InAlGaN覆层当在正常大气中操作时是不稳定的，因为它们与氧相互作用。为了解决这个问题，将包含AlGaN或InAlGaN材料的传统激光装置封闭地密封以防 止AlGaN或InAlGaN和空气之间的相互作用。相反，由于AlGaN或InAlGaN覆层不存在于根据本发明实施方式的激光装置中，所以这些激光装置不需要气密地进行封装。通过消除对于气密性封装的需要，制造根据本发明实施方式的激光装置和封装件的成本可以低于传统激光装置的成本。图5B是图5A所示的激光装置的侧视图。激光棒安装在子支架(submount)上，并且该子支架安装在加热侧(散热侧，散热器，heat side)上。如上述所解释的，由于该激光棒包括多个发射器，所以准直透镜用来组合发射的激光从而形成期望的激光束。在一个优选的实施方式中，准直透镜是特征在于圆柱形形状的快轴准直(FAC)透镜(fast-axiscollimating lens)。图6A和图6B是示出了根据本发明一个实施方式的具有面朝下的“p_侧”的激光器封装件的简图。在图6A中，激光棒安装在子支架(submount)上。该激光棒包括发射器的阵列(例如，如在图3和图4中所示的)。在一个优选的实施方式中，该激光棒包括特征在于半极性或非极性取向的基板。该激光棒附着于该子支架(submount),其位于该激光棒和散热器之间。该激光棒的“P-侧”(即，具有发射器的侧)面朝下并因此直接耦接于子支架(submount)。该激光棒的p_侧通过该子支架(submount)和/或散热器电稱接于电源的阳极。该激光棒的另一侧通过多个接合线电耦接于该电源的阴极。图6B是图6A中所示的激光装置的侧视图。如所示的，激光棒安装在子支架(submount)上,并且该子支架安装在加热侧(散热侧，散热器，heat side)上。如上述所解释的，由于该激光棒包括多个发射器，所以准直透镜用来组合发射的激光从而形成期望的激光束。在一个优选的实施方式中，准直透镜是特征在于圆柱形形状的快轴准直(FAC)透镜。图7是示出了根据本发明一个实施方式的单独的可寻址激光器封装件的简图。激光棒包括多个由脊结构(ridge structure)分隔开的发射器。每一个发射器的特征在于宽度为约90-200 μ m，但应当理解，其他尺寸也是可能的。每一个激光发射器包括用于P-接触线接合(p-contact wire bond)的焊盘(焊接点，pad)。例如，电极可以单独地I禹接于发射器使得可以选择性地接通发射器和断开发射器。图7中所示的单独的可寻址构造提供许多优势。例如，如果具有多个发射器的激光棒不是单独可寻址的，则在制造期间的激光棒产率可能是个问题，因为许多单独的激光装置需要是良好的以便使该棒通过，并且这意味着激光棒产率会低于单个发射器产率。另外，建立具有单个发射器可寻址性的激光棒使得有可能筛选每一个发射器。在一些实施方式中，控制模块电耦接于激光器用于单独地控制激光棒的装置。图8是示出了根据本发明一个实施方式的具有图案化接合基板的激光棒的简图。如所示的，激光装置的特征在于约30i!m的宽度。依据应用，其他宽度也是可能的。具有小于约90微米的间距的激光发射器很难形成线接合。在各种实施方式中，图案化接合基板用于形成接触部。例如，该图案化接合基板允许宽度低至10-30 iim。图9是示出了根据本发明实施方式的构造具有光学组合器(optical combiner)的激光棒的简图。如所示的，该图包括对于多个发射器的封装件或封闭件(enclosure)。每一个装置被构造在单个陶瓷上或陶瓷上的多个芯片上，该陶瓷设置在共用散热器上。如所示的，该封装件包括所有自由光学器件稱接(free optics coupling)、准直仪(校准器，collimator)、镜子、空间或极化复合(空间或极化多路转换，spatially or polarizationmultiplexed),用于自由空间输出或再聚焦于纤维或其他波导介质中。作为一个实例，该封 装件具有低分布并且可以包括扁平封装陶瓷多层(flat pack ceramic multilayer)或单层。该层可以包括铜、铜钨基底(base)如蝶形封装件或覆盖CT支架(mount)、Q-支架等。在一个具体实施方式
中，激光装置焊接在具有低耐热性的CTE匹配材料(matched material)(例如A1N、金刚石、金刚石化合物)上并形成在陶瓷上的分装芯片(sub-assembled chip)。然后将该分装芯片在具有低耐热性的第二材料如铜上组装在一起，包括例如有源冷却(即，简单水通道或微通道)，或直接形成装配有所有连接如销的封装件的基底。该扁平封装装配有光学界面如窗口、自由空间光学器件、连接器或纤维以引导所产生的光，以及环境保护性的盖子。在一个具体实施方式
中，该封装件可以用个各种各样的应用。这些应用包括功率标定(power scaling)(模块化可能性(modular possibility))、光谱加宽(选择对于较宽光谱特性具有轻微波长漂移的激光器)。应用还可以包括多色单片集成如蓝色-蓝色、蓝色-绿色、RGB (红-蓝-绿色)等。在一个具体实施方式
中，本发明的激光装置可以被构造在各种各样的封装件上。作为一个实例，这些封装件包括T09Can (T09罐)、T056Can (T056罐)、一个或多个扁平封装件、CS-支架、G-支架、C-支架、一个或多个微通道冷却封装件等。在其他实例中，多个激光器构造可以具有为I. 5瓦、3瓦、6瓦、10瓦以及更大的操作功率。在一个实例中，本发明的光学装置(包括多个发射器)没有任何导致效率低的光学组合器。在其他实例中，可以包括光学组合器并且构造具有多个发射器装置。另外地，该多个激光装置(即，发射器)可以尤其是构造在非极性取向的GaN或半极性取向的GaN或这些的任意组合上的激光装置的阵列。如本文中使用的，术语GaN基板与基于第III族氮化物的材料包括GaN、InGaN,AlGaN或用作原料的其他含第III族的合金或组合物相关。这样的原料包括极性GaN基板(即这样的基板，其中最大面积表面(largest area surface)标称是(h k I)面,其中h =k = 0，而I为非0)、非极性GaN基板(S卩，这样的基板材料，其中最大面积表面朝向(h k I)面从上述的极性取向以从约80-100度范围的角度定向，其中I = 0，而h和k中的至少一个为非0)或半极性GaN基板(即，这样的基板材料，其中最大面积表面朝向(h k I)面从上述的极性取向以从约+0. I至80度或110-179. 9度范围的角度定向，其中I = 0，而h和k中的至少一个为非0)。当然，可以存在其他变形、更改和替换。在其他实例中，本发明的装置可在包括至少150，OOOppmv氧气的环境中操作。该激光装置基本上没有AlGaN或InAlGaN覆层。该激光装置基本上没有p_型AlGaN或p-型InAlGaN覆层。每一个发射器包括前面(front facet)和后面(rear facet),该前面基本上没有涂层。每一个发射器包括前面和后面，该后面包括反射涂层。在其他实例中，所述装置还具有热耦接于基板的微通道冷却器。所述装置还具有特征在于热膨胀系数(CTE)与基板和散热器相关的子支架(submount)。该子支架耦接于基板，该子支架包括氮化铝材料、BeO、金刚石、复合金刚石(composite diamond)、或组合。在一个具体实施方式
中，基板胶合到子支架上，该子支架的特征在于至少200W/(mk)的热导率。基板包括一个或多个覆层区。一个或多个光学构件包括快轴准直透镜。激光装置的特征在于光谱宽度为至少4nm。在一个具体实例中，发射器的数量N可以在3至15、15至30、30至50之间的范围，并且可 以大于50。在其他实例中，该N个发射器中的每一个产生25至50mW的平均输出功率，产生50至IOOmW的平均输出功率，产生100至250mW的平均输出功率，产生250至500mW的平均输出功率，或产生500至IOOOmW的平均输出功率。在一个具体实例中，该N个发射器中的每一个产生大于IW的平均输出功率。在一个实例中，该N个发射器中的每一个彼此分隔开3 ii m至15 ii m，或者彼此分隔开15 y m至75 y m，或者彼此分隔开75 y m至150 y m，或者彼此分隔开150 ii m至300 u m。在又一个可替换的具体实施方式
中，本发明提供一种光学装置，例如激光器。该装置包括具有表面区的含镓和氮的材料，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)中的一个的5度内的半极性表面取向。该装置还具有在第一方向上构造的第一波导区，其在一个具体实施方式
中是覆盖该含镓和氮材料的表面区的C-方向的投影。该装置还具有耦接于第一波导区的第二波导区并构造在覆盖该含镓和氮材料的表面区的第二方向上。在一个优选的实施方式中，该第二方向不同于第一方向并且基本上平行于a-方向。在一个优选的实施方式中，第一波导区和第二波导区是连续的，被形成为单个连续波导结构，并且在制造这些波导期间被形成在一起。当然，可以存在其他变形、更改和替换。尽管以上是具体实施方式
的充分描述，但是可以使用各种更改、替换构造和等同替换。因此，以上描述和举例说明不应视为限制由所附权利要求限定的本发明的范围。
权利要求
1.一种激光装置，包括 含有镓和氮材料的基板，所述基板具有特征在于半极性或非极性取向的表面区，所述基板具有如侧和背侧； 位于所述基板内的至少一个有源区； 覆盖所述有源区的N个发射器的阵列，N大于3，所述N个发射器的阵列彼此基本上平行并且位于所述前侧和所述背侧之间，所述N个发射器中的每一个被构造成在所述前侧处发射辐射，所述N个发射器的阵列与蓝色或绿色波长相关，所述N个发射器的阵列的特征在于至少25mW的平均操作功率，所述N个发射器中的每一个的特征在于长度和宽度，所述长度为至少400 u m,所述宽度为至少Iym; 电耦接于所述N个发射器的阵列的至少一个电极；以及 位于所述基板的所述前侧处的至少一个光学构件，用于光学组合来自所述发射器的辐射。
2.根据权利要求I所述的装置，其中，所述激光装置在包括至少150，OOOppmv氧气的环境中是可操作的；据此所述激光装置在一时间段内基本上没有来自所述氧气的效率降低。
3.根据权利要求I所述的装置，其中，所述激光装置基本上没有AlGaN或InAlGaN覆层；其中，每一个所述发射器包括前面和后面，所述前面基本上没有涂层。
4.根据权利要求I所述的装置，进一步包括热耦接于所述基板的微通道冷却器；并且进一步包括特征在于热膨胀系数(CTE)与所述基板和散热器相关的子支架。
5.根据权利要求I所述的装置，进一步包括耦接于所述基板的子支架，所述子支架由包括氮化铝、BeO、金刚石、复合金刚石、或组合中的至少一种的材料制成。
6.根据权利要求I所述的装置，其中，所述基板胶合到子支架上，所述子支架的特征在于热导率为至少200W/ (mk)。
7.根据权利要求I所述的装置，其中，所述基板包括一个或多个覆层区。
8.根据权利要求I所述的装置，其中，所述一个或多个光学构件包括快轴准直透镜。
9.根据权利要求I所述的装置，其中，所述激光装置的特征在于光谱宽度为至少4nm；其中N在3至50之间的范围。
10.根据权利要求I所述的装置，其中，所述N个发射器中的每一个产生25至IOOOmW的平均输出功率。
11.根据权利要求I所述的装置，其中，所述N个发射器中的每一个产生大于IW的平均输出功率。
12.根据权利要求I所述的装置，其中，所述N个发射器彼此分隔开3y m至300 y m。
13.一种激光装置，包括 含有镓和氮材料的基板，所述基板具有特征在于半极性或非极性取向的表面区，所述基板具有如侧和背侧； 位于所述基板内的一个或多个有源区； 覆盖所述一个或多个有源区的N个发射器的阵列，N大于3，所述N个发射器的阵列彼此基本上平行并且位于所述前侧和所述背侧之间，所述N个发射器中的每一个被构造成在所述前侧处发射辐射，所述N个发射器的阵列与蓝色或绿色波长相关，所述N个发射器的阵列的特征在于至少25mW的平均操作功率，所述N个发射器中的每一个的特征在于长度和宽度，所述长度为至少400 u m,所述宽度为至少Iym; 电耦接于所述N个发射器的阵列的一个或多个电极； 位于所述基板的所述前侧处的一个或多个光学构件，用于光学校准来自所述发射器的福射; 热耦接于第一基板的散热器。
14.根据权利要求13所述的装置，进一步包括堆叠在所述第一基板的顶部上的第二基板。
15.根据权利要求13所述的装置，进一步包括堆叠在所述第一基板侧面的第二基板。
16.一种激光装置，包括 含有镓和氮材料的基板，所述基板具有特征在于半极性或非极性取向的表面区，所述基板具有顶侧和底侧； 位于第一基板的所述顶侧附近的数量为N的有源区，N大于3，所述有源区中的每一个包括与P型相关的掺杂区； 覆盖所述掺杂区的N个发射器的阵列，所述N个发射器的阵列彼此基本上平行，所述N个发射器中的每一个被构造成在前侧处发射辐射，所述N个发射器的阵列的特征在于至少25mW的平均操作功率，所述N个发射器中的每一个的特征在于长度和宽度，所述长度为至少400 u m,所述宽度为至少Iym; 电耦接于所述N个发射器的阵列的一个或多个电极； 位于所述基板的前侧处的一个或多个光学构件，用于光学校准来自所述发射器的辐射；以及 特征在于热辐射系数为至少0. 6的子支架。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述子支架包括金刚石材料或铜钨合金材料或氧化铍材料。
18.根据权利要求16所述的装置，其中，所述表面区的特征在于{11-22}、{20-21}、或{30-31}面或在距离这些面的+/-5度内。
19.根据权利要求16所述的装置，其中，所述子支架直接耦接于所述基板的所述顶侧。
20.根据权利要求16所述的装置，其中，所述子支架直接耦接于所述基板的所述底侧。
21.根据权利要求16所述的装置，其中，所述子支架直接耦接于N个发射器的阵列；其中，所述一个或多个光学构件包括准直透镜。
22.根据权利要求16所述的装置，其中，所述激光装置的特征在于约505-550nm或425-475nm的输出波长。
23.根据权利要求16所述的装置，进一步包括热耦接于所述子支架的散热器。
24.根据权利要求16所述的装置，其中，所述激光装置的特征在于至少25%的峰值电光转换效率；并且进一步包括位于所述数量为N的有源区内的一个或多个量子阱。
25.一种激光装置，包括 基板，所述基板具有如侧和背侧； 位于所述基板内的至少一个有源区； 覆盖所述有源区的N个发射器的阵列，N大于3，所述N个发射器的阵列彼此基本上平行并且位于所述前侧和所述背侧之间，所述N个发射器中的每一个被构造成在所述前侧处发射辐射，所述N个发射器的阵列与蓝色或绿色波长相关，所述N个发射器的阵列的特征在于平均操作功率，所述N个发射器中的每一个的特征在于长度和宽度； 电耦接于所述N个发射器的阵列的至少一个电极；以及 位于所述基板的所述前侧处的至少一个光学构件，用于光学组合来自所述发射器的辐射。
全文摘要
本发明提供了具有在基板构件上构造的多个发射器的激光器封装件。提供了一种用于以高功率发射电磁辐射的方法和装置，使用非极性或半极性含镓基板如GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN和AlInGaN。在各种实施方式中，该激光装置包括集成有基板的发射绿色或蓝色激光的多个激光发射器。本发明的激光装置包括含有镓和氮材料的基板，基板具有特征在于半极性或非极性取向的表面区，基板具有前侧和背侧；位于基板内的至少一个有源区；覆盖有源区的N个发射器的阵列，N大于3，N个发射器的阵列彼此基本上平行并且位于前侧和背侧之间；电耦接于N个发射器的阵列的至少一个电极；以及位于基板的前侧处的至少一个光学构件。
文档编号H01S5/343GK102790357SQ20121002251
公开日2012年11月21日 申请日期2012年1月30日 优先权日2011年1月24日
发明者保罗·鲁迪, 白辰东, 詹姆斯·W·拉林 申请人:天空公司