CN101553962A - 形成在单个薄片上的半导体激光器谐振腔 - Google Patents

Abstract

一种用于制造例如光存储所需要的具有好的光学波阵面特性的激光器的方法和结构，包括提供一种激光器，其中从激光器前腔面形成的输出光束不被半导体薄片的边缘所阻挡，来防止有害的光束畸变。半导体激光器结构外延生长在基底上，且至少具有下熔覆层、激活层、上熔覆层和接触层。穿过由光刻确定的掩模的干法刻蚀制造具有长度为l_c、宽度为b_m的激光器台面。另一种光刻和刻蚀用于形成台面顶部宽度为w的脊形结构。刻蚀步骤也在激光器波导结构的末端形成镜面或腔面。薄片的长度l_s和宽度b_s可以被选择为等于或长于波导长度l_c和台面宽度b_m的方便的数值。波导长度和宽度被选择，以使对于给定的缺陷密度D，产率大于50％。

Description

形成在单个薄片上的半导体激光器谐振腔

技术领域

本申请要求2005年8月25日提交的美国临时专利申请No.60/710,820的优先权，在此以参见的方式引入该专利申请的内容。

本发明涉及半导体二极管激光器，具体地说，涉及具有刻蚀腔面(facet)的低成本InGaAlN基激光器。

背景技术

InGaAlN二极管激光器重要地作为用于许多应用的光源；例如，在高密度光存储、显示、打印和生物医学方面。在与这些应用相关联的许多装置和系统中，需要能够提供高波阵面质量的输出光束的激光源。此外，许多这些系统和装置的广泛应用和商业成功依赖于低成本供应的能力。因此，高制造产率和低成本是需要来构造这样的系统和装置的光源的关键要求。

基于至少具有n型下熔覆层、具有量子阱和势垒的未掺杂激活层、p型上熔覆层、以及高掺杂p型接触层的外延生长层的半导体二极管激光器由In_xGa_yAl_zN制成，其中0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1，0＜＝z＜＝1，并且x+y+z＝1。这些激光器可以发射跨度至少从紫光到蓝绿光波长的波长范围。该类型的激光器已被制造出来，并如前述技术所述，参见例子，S Nkamura等，“The Blue Laser Diode：The Complete Story”，Springer-Verlag，2000，但这样的激光器在面对高制造产率、低成本、高可靠性，以及输出辐射的高光学质量的要求时，面临许多挑战。

当前可用于InGaAlN基激光激活层的外延生长基底材料导致一个独特的问题，该问题造成获取高制造产率和低成本的显著障碍。例如，可用的基底引起激光激活材料层的不寻常的高缺陷密度，另外，如果并非不可能的话，根据基底材料的机械特性，使用机械切割(cleaving)来形成激光器镜面是很具有挑战性的。用SiC和蓝宝石制成的基底已被用于InGaAlN层的制作，但这些材料不允许InGaAlN层的晶格匹配生长，并导致很高的缺陷密度、低制造产率和可靠性的顾虑。近来，独立式的GaN基底已可用于GaN激光器的制作，如2003年8月7日出版的KensakuMotoki等的美国专利申请公布No.US 2003/0145783A1。但是，即使使用最高质量的GaN基底，激光器激活层显示出大约10⁵cm^-2的缺陷密度，该密度高于基于其它材料系统的普通商用半导体激光器缺陷密度几个数量级。此外，当前这些GaN基底的尺寸被限制为最多2英寸，而且成本很高。如果要获取低成本，限制缺陷密度对激光器制作制造产率的影响和提高制造产率一样，是很重要的。

已经知道，镜面腔面可以通过刻蚀技术形成在二极管激光器上，如美国专利4,851,368，以及BehfarRad等，IEEE Journal of Quantum Electronics，28卷，1227-1231页，1992所述，在此以参见的方式引入它们的内容。但是，刻蚀GaN镜面腔面的早期工作没有导致高质量的镜面。例如，期望垂直于基底的被刻蚀表面与竖直方向形成一个角度，如Adesida等，Applied Physics Letters，65卷，889-891页，1994所述，并且腔面太粗糙，导致低下的反射率，如Stocker等，Applied PhysicsLetters，73卷，1925-1927页，1998所述。

近来，一种使高质量镜面腔面可以在GaN材料系统中形成的新工艺，如Behfar等于2006年6月20日提出申请，并转让给本申请的受让人的美国专利申请No.11/455,636所述，在此以参见的方式引入该专利申请。如那份申请所述，由于包括在切割操作中的机械处理，在晶片上采用传统切割技术形成具有短谐振腔长度的多重激光器是很困难的。此外，切割导致镜面腔面的同时形成，以及晶片基底被分离成单独的激光器薄片。由于GaN晶体的切割比以前用于CD、DVD和通讯的大规模生产的二极管激光器中所使用的GaAs和InP基底的切割更困难，所以对于生长在GaN基底上的InGaAlN基激光器而言，切割的腔面的成功形成尤其困难。

另一方面，如用于激光腔面形成的专利申请No.11/455,636所述的刻蚀方法的使用使腔面形成的优化可以独立于后来的装置分离。在这个工艺中，激光器以与集成电路薄片制作在硅上非常相同的方法被制作在晶片上，从而薄片以全晶片的形式形成。激光器镜面通过刻蚀腔面技术(EFT)被刻蚀在晶片上，并且电触点被制作在激光器上。激光器在晶片上被测试，随后晶片被分离来将激光器分开进行封装。刻蚀的AlGaInN基腔面的扫描电子显微镜照片显示，使用EFT工艺，可以获得高度的垂直性和平整性，该工艺也使得可以制作用于具有AlGaInN基材料可达到的波长要求的多种应用的激光器和集成装置。

前述的制作激光器的工艺可以概括为包括在具有AlGaInN基结构的晶片上用光刻确定多个光导装置，以及刻蚀穿过由此产生的掩模以在晶片上制作多个激光波导腔的步骤。另一下接刻蚀的光刻步骤，被用来当波导依旧在晶片上时，在波导末端形成激光腔面或镜面。随后，在激光器谐振腔上形成电触点，在晶片上测试各个激光器，并且分离晶片以将激光器分开进行封装。该刻蚀腔面的方法包括在晶片上的InGaAlN基激光器波导结构的p掺杂顶层上使用高温稳定的掩模来确定腔面的位置，其中掩模保持顶层的导电性，然后在化学辅助离子束刻蚀(CAIBE)中使用超过500℃的温度和超过500V的离子束电压，穿过掩模在激光器结构中刻蚀腔面。

半导体和掩模材料之间刻蚀的选择性对于获取用于光子学的平直表面非常重要。通过在高温下执行CAIBE，获得掩模和GaN基基底之间的高选择性。CAIBE的高离子束电压也被发现加强了选择性。掩模材料经过选择来抵抗高温刻蚀，但也防止对GaN基结构的p接触的损伤。

尤其在InGaAlN激光器的情况下，激光器镜面的刻蚀可以提供用于提高制造产率并降低成本的优点。例如：

(a)激光器谐振腔波导尺寸可以与薄片长度尺寸不同，并可以被优化到最大的激光器制作产率。通过制作有限长度的波导，在激光器激活区域发生材料缺陷的概率被降低，并且提高制作产率。

(b)多个激光器可以被制作在一个半导体薄片上来提高产率和可靠性。

(c)具有在晶片平面中水平定向激光器谐振腔的表面发射激光器，可以通过刻蚀出45°表面以将辐射向上引导出晶片平面来制成。

(d)用于修正期望反射率的激光腔面镀层可以在装置分离之前被应用在全晶片级上。

(e)激光器测试可以在全晶片级上被经济地执行。

(f)诸如光二极管、透镜、光栅等附加装置可以与激光器形成一体。

现今大规模生产的基于GaAs和InP基底的二极管激光器的产率和成本并没有受到基底质量和成本的影响。用于这些激光器装置的基底通常具有大约10²cm^-2的缺陷密度，并且可用在直径最大为6英寸，而成本比GaN基底的成本低几个数量级的更大尺寸的晶片上。GaAs和InP都有闪锌矿晶体结构，这使得用于激光器末端镜面的形成和薄片分离的切割都变得容易，而切割是这些半导体激光器批量生产的主要方法。此外，在诸如通讯领域中的二极管激光器的应用，光学成像并不是首要问题，而光束质量的要求更宽松。

为了产生高产率、低成本、高可靠性、好的波阵面质量的InGaAlN激光器，需要一种将位于或靠近激光器激活区域的基底诱导缺陷的出现最小化、提供不畸变的光束的装置设计，以及制作这样一种激光器装置的方法。

发明内容

根据本发明，InGaAlN半导体二极管激光器设有通过刻蚀形成的激光器镜面。激光器包含特殊设计特性，这些特殊设计特性可减小由基底缺陷引起的不合需要的产率损失，降低装置成本，改善可靠性，并且提供具有高光学波阵面质量的输出光束。现有技术显示，镜面或腔面刻蚀使得波导长度的制作可以缩短为3微米。由激光器腔面刻蚀提供的附加优点，比如全晶片测试和装置集成也已经如现有技术所述。但是，对激光器波导长度和宽度进行特殊选择，来将由材料缺陷引起的产率减少最小化的需求并没有在该领域被认知，而用于提供高光学波阵面质量激光的特殊几何构型也没有得到认知。

简要地说，根据本发明，提供了一种用于产生诸如光存储所需要的具有好的光学波阵面特性的激光器的方法和结构。为了这些目的，位于或靠近激光器的刻蚀前腔面的几何构型用这样的方法设计，其中为了防止有害的光束畸变，从激光器前腔面形成的输出光束基本不被半导体薄片的边缘阻挡。该要求与其它领域的二极管激光器应用相反，比如通信，其光学成像并非首要问题，而且光束质量的要求也更宽松。

根据本发明的一个方面，半导体激光器结构外延生长在基底上且至少具有下熔覆层、激活层、上熔覆层和接触层。穿过由光刻确定的掩模的干法刻蚀产生长度为l_c、宽度为b_m的激光器台面。本发明的更佳形式是，另一种光刻和刻蚀被用于形成台面顶部宽度为w的脊形结构，但是本发明被认为并不限于脊形激光器结构，刻蚀步骤也在激光器波导结构的末端形成镜面、或腔面。

通过采用诸如在划线或激光划片后的锯和切割等合适的分离工艺，晶片被分成单个装置薄片。薄片的长度l_s和宽度b_s可以分别被选择为等于或长于波导长度l_c和台面宽度b_m的方便的数值。

由于刻蚀用于激光器镜面的形成，可以设计激光器波导从而使它短于装置薄片的长度，特别是可以对设计进行选择来减少由InGaAlN激光器激活层中异常的高缺陷密度所引起的产率损失。位于激光器激活波导区域的材料缺陷的概率与它的长度l_c和有效强度分布宽度w_l和缺陷密度D有关。制作没有这种缺陷的激光器的产率Y_D与所述概率成反比，并且可以用泊松(Poisson)统计来表示。根据本发明，选择波导长度和宽度从而对于给定的缺陷密度D，产率Y_D大于50％。

特别对于要求激光具有高光学波阵面质量的应用，重要的是设计激光镜面、台面、装置薄片的几何构型，从而在没有被薄片边缘有效阻挡时，可以形成并传播激光器的输出。因此，理想的是，在离形成激光束的激光器台面的前端非常小的距离a，形成装置薄片的前端面。同时，为了防止损伤，分离必须不能在过于靠近高质量镜面表面的地方进行。由于与光刻控制的刻蚀工艺相比，分离的尺寸精度通常降低，所以理想的是，选择不长于激光器台面长度l_c的装置薄片长度l_s，并定位波导使a虽小但不为零。

根据本发明，必须特别小心地选择薄片边缘和激光器台面底部之间的距离a，以及激光器输出光束中心和激光器台面顶部之间的高度h，使符合从激光器前镜面发射的激光器辐射光束散射角。在垂直于基底的方向上，从激光器前镜面形成的辐射在光束中心具有高强度，并且在离开光束中心的延长距离上强度下降。发射激光束的垂直发散角通常由其半高宽远场角

表征，该远场角标识在强度降低为中心数值50％的光线之间的角度扩展。装置薄片的边缘可以导致对正在传播的激光束下部的部分阻挡。如果发生这种现象，一些与顶部表面碰撞的光将被反射，并且与激光束上部发生干涉，而且与由薄片边缘引起的衍射一起导致不需要的辐射分布畸变、以及激光强度调制的空间改变。对于要求高光学波阵面质量的应用，把通过分离工艺形成的薄片边缘对激光的阻挡最小化是很重要的。

附图说明

本发明前述的附加对象、特性和优点，对于本发明的如下具有附图的详细描述领域中的技术是很明显的，其中：

图1A示出具有垂直于基底平面的刻蚀腔面的分离的脊形半导体激光器；

图1B示出在沿着激光器波导方向的分离的脊形激光器的横截面；

图1C示出在垂直于激光器波导方向的方向上的分离的脊形激光器的横截面；

图1D示出具有与基底呈45°的刻蚀腔面的分离脊形半导体激光器；

图2示出在被分离成单个装置前的激光器晶片的局部俯视图；

图3表示激光器产率由激光器波导长度l_c决定，其中4微米的有效宽度w_l被用于计算和对于两种不同缺陷密度的产率曲线，对于InGaAlN二极管激光器报导的最低缺陷密度为D＝10⁵cm^-2，对于大规模生产的AlGaAs激光器，典型值为D＝10²cm^-2；

图4以沿着激光器波导方向的横截面来示出分离的脊形激光器发射极末端；

图5示出在垂直于光束传播方向的方向上的激光束的高斯强度分布；

图6a以沿着激光器波导方向的横截面来示出在具有辅助台面方向上的脊形激光器的发射极末端；

图6b示出具有由分离产生的长度为l_c的激光器台面、长度为l_m的辅助台面和长度为l_s的薄片的装置的三维视图；

图7示出制作于一个薄片上的四个边缘发射激光器；

图8示出包括InGaAlN激光器的光学采集系统；

图9示出包括光学采集系统和InGaAlN激光器的光学存储系统。

具体实施方式

现在转到本发明的具体描述，图1A-1C示出二极管激光器薄片10，包括支承具有末端腔面16和18的外延生长和刻蚀的脊形激光器14的基底12。如该领域所知，与目前具有特殊设计几何构型的激光器相比，脊形激光器通过刻蚀激光器末端腔面形成。根据本发明，半导体激光器结构14外延生长在基底12上且至少具有下熔覆层20、激活层22、上熔覆层24、以及接触层26。穿过光刻确定的掩模的干法刻蚀，制造长度为l_c、宽度为b_m的激光器台面30。另一种光刻和刻蚀顺序被用来形成台面顶部宽度为w的脊形结构32。尽管如图1A-C示意性所示并描述的激光器是脊形设计，但本发明并不局限于脊形激光器结构，并应用到其它半导体激光器设计中。

如图2所示，通过已知的掩模和刻蚀步骤、多个激光器14、14(a)、14(b)、14(c)……14n(n)制作于传统晶片40上，基底12可能是该传统晶片的形式。在这些激光器形成和测试后，沿着水平或垂直切割线42和44划线或激光划片后，使用诸如锯、切割等正确的分离工艺，将晶片分成多个单个装置薄片12、12(a)、12(b)、12(c)……12(n)。可以选择各个薄片的长度l_s和宽度b_s来分别获得等于或长于各个相应的激光器14的波导长度l_c和台面宽度b_m的方便数值。

通过对激光器和镜面或腔面形成使用刻蚀工艺，比如腔面16和18，可以将各个激光器波导设计成短于相应薄片装置的长度。特别是，可以选择减少由位于InGaAlN激光器激活层中显著的高缺陷密度造成的产率损失的设计。位于如图1A和1C所示的激光器激活波导区域46中的材料缺陷概率，与该区域的长度l_c、有效强度分布宽度w_l，以及缺陷密度D有关。制作无缺陷激光器的产率Y_D与所述概率成反比，并可以使用泊松统计表示：

Y_D＝exp(-D×w_l×l_c)               (1)

尽管根据无缺陷InGaAlN激光器的制作来对产率进行讨论，可能出现在对特殊应用足以发挥功能的谐振腔中具有一个或多个缺陷的InGaAlN激光器，所述情况将得到充分理解。但是，在InGaAlN激光器中，在位于或靠近激活区46处减少缺陷对于激光器产率和可靠性具有积极含义。

垂直于激光器波导14的纵轴方向上，以及基底12平面上的激光强度分布，在中间很高，而向两边降低。通常激光强度分布用高斯分布即足以描述。对于实用目的，这里w_l被确定为强度降低到中心值的1/e³的点之间的宽度。

注意到，其它的作用将对总制造产率Y造成影响，而Y_D只描述由密度为D的材料缺陷导致的产率影响。图3显示出Y_D受到l_c的影响，其中D＝10⁵cm^-2，宽度w_l＝4微米。对于通常用于半导体二极管激光器的最大为1000微米的激光器长度的产率值如图所示。图3清楚地示出，可以制作出长度为100微米的InGaAlN二极管激光器，其产率Y_D比通常使用的长度为500微米的InGaAlN激光器的值高5倍。

图3也示出对于大规模生产的用缺陷密度低于10²cm^-2的Al_1-xGa_xAs材料层制作的780nm激光器的Y_D典型值。在InGaAlN激光器的情况下，随着激光宽度l_c的增大，基底缺陷引起实质产率退化，但是对于780nm的激光器却没有所述现象。因此，对于AlGaAs激光器，无须考虑等式(1)所包含的设计约束，但是对于InGaAlN激光器，它们导致实质产率的改善。

根据本发明，选择波导长度和宽度，以使对于给定的缺陷密度D，由等式(1)决定的Y_D大于50％是理想的。有限波导长度的选择具有降低总内部激光器损耗的附加利益。

特别对于要求激光具有高光学波阵面质量的应用，重要的是，将激光器镜面16、台面30、装置薄片10的几何构型设计成使从腔面16输出的光束可以在不被薄片10的边缘50有效阻挡的情况下向外形成并传播。因此，理想的是，在离形成激光束56的激光器台面30的前腔面16很小距离a处形成装置薄片的前面部52(参见图1A和1B)。同时，为了防止损伤，必须执行薄片的分离以使切割线42(图2)不与高质量镜面16靠得太近。由于与光刻控制的刻蚀工艺相比，分离的尺寸精度通常大为减小，所以理想的是，选择长于激光器台面30、以及因此激光器波导32的长度l_c的装置薄片10的长度l_s，如图1A和1B所示，并且定位波导32以使a虽然小但不为零。

根据本发明，薄片10的边缘50和激光器台面30底部之间的距离a，以及激光器输出光束56的中心线54和激光器台面30的顶部58之间的高度h，必须很小心地选择来符合从前激光器镜面16发射的激光器辐射56的光束发散角θ(参见图1B和4)。在垂直于基底52的顶部表面60的方向上，从前激光器镜面16发射的辐射56在光束中心54具有高强度，并且根据距离光束中心的距离而降低。图5示出高斯强度分布曲线70，它示出并近似由激光器发射的垂直辐射分布。发射激光束56的垂直发射角θ通常用其半高宽(FWHM)远场角

来表征，该远场角标识在强度降低为光束56的中心数值50％的光线之间的角度扩展。在图4中，光束边界72和74标识强度为位于中心区域54的最大强度的50％，但总激光器输出的相当大部分传播到这些边界外。根据从图4和5所可以理解的，装置薄片10的边缘50部分阻挡传播中的激光束56的下部。当该情况发生时，一些与顶部表面58碰撞的光将被反射，并将与激光束56的上部干涉，当该作用与也可由薄片边缘引起的衍射相结合时，结果将出现辐射分布的不合需要的畸变，并在空间上改变激光强度的调制。

对于要求高质量波阵面质量的应用，将由分离工艺形成的薄片边缘50对激光56的阻挡最小化是很重要的。对于表示发射激光辐射的半高宽(FWHM)远场角

通过根据等式(2)设置薄片10的几何构型，可以获得光束阻挡的大量减少：

$\frac{h}{a}\≥\tan (\sqrt{\frac{2}{\ln 2}}\×\frac{\mathrm{\θ}}{2})---\left(2\right)$

假定位于薄片边缘的正确的高斯强度分布，由等式(2)描述的几何构型设计把被装置薄片阻挡的激光强度降低到约5％。该设计可以通过用足够深的刻蚀形成的激光器腔面，并仔细控制决定距离a的分离工艺来实现。

在本发明的一个实施例中，尺寸a所要求的精度可以通过制造如图6(a)和6(b)所示长度为l_m的相对高的辅助台面被放宽。这些图示出用关于图1A-C的如上所述的方法制作于基底12上的薄片装置80，相似的部件用相同的附图标记标示。薄片装置80与图1A到1C所示不同之处在于，设置了辅助台面82，该辅助台面82在前述装置的台面30下方并制成该台面30。熟悉所述技术领域的人所知的多个技术，可用于所述高台面的制作。这些方法不需要制造位于激光器波导末端的被反射镜面16和18所要求的用于台面82的平滑高质量表面。一个适合制造所需结构的方法包括用光刻来标识位于激光器激活层22顶部的辅助台面82的位置、长度、宽度，该激光器激活层22如前所述外延生长于基底52上。随后台面边界附近的材料被去除，形成深度b。激光器镜面16和18随后通过上面所述方法形成，该方法也用光刻来确定激光器波导的长度l_c和末端位置，以使激光器前镜面16相对于辅助台面前边缘84可以精确定位。如果图6a所示的距离a选择地相对较小，则相对较浅的刻蚀深度就足以确保比例h/a满足等式(2)的要求，从而防止任何由辅助台面对激光束造成的有害阻挡。

在完成在晶片上制造功能完整的激光器所要求的光刻和刻蚀步骤后，如图6a和6b所示，通过将分离线42定位到离辅助台面边缘合适距离为a_s的位置上，晶片被分离成单个装置。为了避免不需要的光束阻挡，需要选择距离a_s，从而：

$\frac{h+h_s}{a+a_s}\≥\tan (\sqrt{\frac{2}{\ln 2}}\×\frac{\mathrm{\θ}}{2})---\left(3\right)$

重要的是应该理解，高度为b的高辅助台面的制作很容易引起h+h_s的值较高，这促使即使a_s值较高，也可以获得高比例值(h+h_s)/(a+a_s)。这使位于激光器前部的分离线所要求的精度等级放宽。由于通常的分离方法并不通过光刻控制，所以辅助台面的理想制作可以提高制造产率，并降低装置成本。

尽管如图1A-C和图6a-b所示，分离表面是平的，但如果分离表面不被用来提供到激光器谐振腔的光学反馈，它可以有一定的粗糙度，并凹凸不平，而对激光器阈值或效率没有有害影响。

对激光器结构的描述，目前为止聚焦在向利用来自腔面16的输出激光的系统或装置提供激光束的激光器装置前部。如图1B所示，可以使后部激光器镜面18和后部薄片边缘88之间的距离p变大，因为对于从后镜面形成的任何激光辐射的光束质量没有严格要求，否则要设计装置以使从后部末端不形成大量辐射。

在如上所述的本发明的实施例中，通过在基本垂直于与基底晶片平面基本平行的激光方向的方向上，刻蚀腔面表面来形成激光器前镜面16。但是，如图1D所示，发射激光的表面可以通过提供成角度刻蚀的前腔面16’来形成，该前腔面在垂直于基底平面的方向上指引来自激光器的发射光56’。这种激光器结构被称为水平谐振腔表面发射激光器，或HCSEL。在HCSEL的情况下，形成的辐射56’的光束形状不再受分离工艺的影响，而距离a也不如上所述那样严格。如果期望的话，可以在激光器的顶部表面上提供透镜89，如2004年10月14日申请的共同待审查美国专利申请No.10/963,739，以及2005年1月19日申请的专利申请No.11/037,334所述，这两个专利都转让给本申请的受让人。

如图1A和B所讨论和示出，激光器镜面的刻蚀使得可制作短波导长度l_c，并且薄片长度l_s可以独立于l_c被选择。为了降低成本，在选择足够大的尺寸，来保持在可容忍的水平上分离、连接、封装的处理难度的同时，尽可能地减少薄片长度l_s和宽度b_s是有利的。

在本发明的另一个实施例中，可以选择波导长度l_c和激光器台面宽度b_m，以使多个激光器可以被放置在一个尺寸为l_s和b_s的薄片上。当使用刻蚀以形成激光器镜面时，每个激光器的功能和特性可以在薄片分离、导线连接、封装前被测试。这使得可以根据用于特殊目的应用的最佳特性，来决定和选择激光器。每个指定装置薄片上的多余激光器的制作，使得可以进行有益的产率改进和性能优化。激光器可以是具有垂直刻蚀腔面的边缘发射极，或可以使用HCSEL结构进行垂直发射。然而，已经知道多个多余的激光器可以以多种不同几何构型安排和发射方向，被放置在一个薄片上，图7对具有四个多余边缘发射装置92、94、96和98的薄片90的例子进行说明。如图7所示，每个单个激光器装置的波导谐振腔102、104、106和108分别小于薄片长度或宽度的一半。为了提高产率，这些多个激光器被放置在一个薄片90上，如图7所示的四个激光器向不同的方向发射激光。所述薄片被封装入例如TO型罐中，其中一个激光器可以被选择性地在封装内导线连接，来向激光器提供电流。

已知一些独立式GaN基底具有与高缺陷密度材料带接近的低缺陷密度GaN带。通过切割制作的激光器谐振腔被平行于低缺陷密度带地放置在低缺陷密度带内。短谐振腔刻蚀腔面激光器可以在与低缺陷密度带成任何角度的条件下被制作，并可以具有其包含在低缺陷密度区域内的整个激活区域。

刻蚀腔面激光器的一个优点是镀层可以涂敷到前后激光器镜面来修改它们的反射率。

本发明的低成本InGaAlN激光器的一个应用是用于光学数据存储系统的光学采集装置。而应该理解，这种光学采集装置和数据存储系统可以根据它们的具体设计而变化，图8示出用附图标记120来整体表示的采集装置的典型部件和功能。在该装置中，光束成形装置122采集由激光器124发射的辐射，并将其成形。成形部件和功能可以包括用于瞄准的透镜、用于形成椭圆激光束形状的棱镜、用于制造靠近主光束左右的两条侧光束的光栅。激光随后通过可以是后跟四分之一波平面的偏振光分离器的光束分离器126。镜面128将光引导到将光束聚焦到存储介质132的物镜130。

从介质反射的光返回通过透镜130，从镜面128反射并通过光束分离器126转向到测试系统134。测试系统134包括被分解成具有一定的几何尺寸及排列的多个光敏元件的光电探测器136，以使该测试系统可以产生标识在存储介质内编码的数据的电信号、以及标识与数据相关的聚焦激光点的横向数据跟踪和纵向聚焦位置的伺服错误信号。光学处理系统138可以用于对光进行光学操作，以使数据和伺服错误信号可以由光电探测器136产生。

通常是电子机械设计的致动器系统140用来响应跟踪和焦点伺服错误信号，控制存储介质上的聚焦激光点的纵向和横向位置。

图9示出使用具有激光器124的光学采集装置150和由电动机驱动旋转的光学磁盘介质152的光学存储系统。数据被编码为存储介质的光学可探测的材料修改件，并被排列在磁盘介质附近的圆周定向的磁道上。通过使用电子机械致动器系统156来移动和控制聚焦激光点的横向位置，每个数据磁道可以用光学采集装置150来访问。光学数据存储系统可以是读取已使用分离系统预先记录在光学磁盘上的数据样式的只读系统。光学数据存储系统还可包括使用激光器124和用于调节激光强度的电控制器来向磁盘介质上写数据的能力。

尽管本发明已根据最佳实施例来说明，在不离开如下权利要求所陈述的基本精神和范围的情况下，可以进行变更和修改。

Claims (28)

1.一种半导体激光器装置，包括：

基底；

在所述基底上的外延生长层结构；

长度为l_c的激光器谐振腔，所述激光器谐振腔在所述外延生长层内形成，所述激光器谐振腔具有至少一个垂直于所述基底平面的刻蚀腔面表面；

长度为l_s的薄片，所述薄片通过分离所述基底形成且结合所述激光器谐振腔，l_s大于所述激光器谐振腔长度l_c；

所述薄片的从所述激光器谐振腔光束轴的中心到所述薄片的刻蚀顶部表面的距离为h，从所述薄片的边缘到所述刻蚀腔面的距离为a；

所述激光器谐振腔能够产生具有半高宽垂直远场角

的激光器输出光束；并且

其中，比例h/a等于或大于

$\tan (\sqrt{\frac{2}{\ln 2}}\×\frac{\mathrm{\θ}}{2}).$

2.一种半导体激光器装置，包括：

基底；

在所述基底上的外延生长层结构；

激光器谐振腔，所述激光器谐振腔具有在所述外延生长层结构内通过刻蚀制造的腔面，所述腔面具有垂直于所述基底平面的表面；

在所述刻蚀腔前面的辅助台面结构，所述辅助台面结构的顶部离通过所述激光器腔面的激光束轴线中心的距离为h；

薄片，所述薄片通过装置分离所述基底形成且结合所述激光器谐振腔，所述薄片中从所述辅助台面结构的边缘到薄片边缘的距离为a_s；

所述辅助台面结构高度为h_s；

所述激光器谐振腔可操作来产生具有半高宽垂直远场角

的从所述刻蚀腔面发射的输出光束；并且

其中，比例h/a等于或大于

$\tan (\sqrt{\frac{2}{\ln 2}}\×\frac{\mathrm{\θ}}{2})$

并且

比例(h+h_s)/(a+a_s)大于或等于

$\tan (\sqrt{\frac{2}{\ln 2}}\×\frac{\mathrm{\θ}}{2}).$

3.一种半导体激光器装置，包括：

基底；

基本InGaAlN的外延生长层结构，所述外延生长层结构具有在所述基底上缺陷密度为D的激光器激活区；

长度为l_c的激光器谐振腔，所述激光器谐振腔在所述结构中形成，激光方向基本平行于所述基底平面；

在所述激光器谐振腔上的至少一个刻蚀腔面；

所述激光器谐振腔具有在所述激光器谐振腔内并相对于所述基底平面水平的有效强度分布宽度w_l，所述宽度w_l等于或大于激光轴线上最大强度的1/e³；其中

Y_D＝exp(-D×w_l×l_c)等于或大于50％。

4.如权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述至少一个刻蚀腔面以与所述基底成45°或接近45°的角度被刻蚀。

5.如权利要求4所述的激光器，其特征在于，还包括在所述45°腔面上形成的透镜。

6.如权利要求4所述的激光器，其特征在于，还包括光栅，所述光栅在所述45°表面上定位，并将所接收的激光分成中心光束和至少两条靠近所述中心光束的侧光束。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括通过刻蚀基本垂直于所述基底平面的表面形成的第二激光器腔面。

8.如权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括通过刻蚀基本垂直于所述基底平面的表面形成的第二激光器腔面。

9.如权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括通过刻蚀基本垂直于所述基底平面的表面形成的第二激光器腔面。

10.如权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括通过刻蚀基本垂直于所述基底平面的表面形成的第二激光器腔面。

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基底包含GaN。

12.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述基底包含GaN。

13.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述基底包含GaN。

14.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述基底包含GaN。

15.一种InGaAlN基激光器，包括：

基底，所述基底具有长度为l_c和宽度为w_l的激光器谐振腔，所述激光器谐振腔包括：

下熔覆层；

激活区；

上熔覆层；

至少一个刻蚀腔面；并且

其中l_c＜400μm，且w_l≤4μm。

16.如权利要求15所述的激光器，其特征在于，l_c≤300μm。

17.如权利要求15所述的激光器，其特征在于，l_c≤200μm。

18.如权利要求15所述的激光器，其特征在于，l_c≤100μm。

19.一种InGaAlN基激光器，包括：

基底，所述基底具有激光器谐振腔，所述激光器谐振腔包括：

下熔覆层；

激活区；

上熔覆层；

至少一个刻蚀腔面；以及

所述刻蚀腔面的光刻确定的腔面反射率修改件。

20.一种光子装置，包括：

基底；

在所述基底上的包含InGaAlN的结构；

在所述结构上与所述基底成45°或接近45°的角度的刻蚀腔面。

21.如权利要求20所述的光子装置，其特征在于，还包括所述刻蚀腔面的光刻确定的腔面反射率修改件。

22.一种薄片，包括：

基底，所述基底包括至少一个预先确定的低缺陷密度的区域、以及至少一个预先确定的高缺陷密度的区域；

半导体激光器，所述激光器制作在所述基底上，所述激光器具有激活区，并且具有至少一个刻蚀腔面；并且

其中，所述激活区完全包含在所述低缺陷密度区内。

23.如权利要求22所述的薄片，其特征在于，其中所述低和高缺陷密度区域位于平行带中，还包括在所述基底上形成的波导谐振腔，所述谐振腔定位在不平行于所述带的某个角度上。

24.一种薄片，包括：

长度为l_s、宽度为b_s的半导体；

至少一个在所述半导体中形成的谐振腔长度为l_c的激光器；

所述激光器具有至少一个刻蚀腔面；并且

其中l_c≤l_s/2。

25.如权利要求24所述的薄片，其特征在于，其中l_c≤b_s/2。

26.一种封装的光子装置，包括：

宽度b_s≥250μm、长度l_s≥250μm的薄片；

位于所述薄片上的至少两个InGaAlN基激光器；并且

其中所述两个激光器之一通过导线连接接收电流。

27.一种光学采集系统，包括：

InGaAlN基激光器；

所述激光器具有至少一个刻蚀腔面；

光学发送器和成形器，所述光学发送器和成形器用于将来自所述激光器的辐射引导和聚焦到光学存储介质上；

光学接收器，所述光学接收器用于接收来自所述光学存储介质的反射激光，并提供响应于其的数据信号、以及表示与所述存储介质上的数据相关的聚焦激光的纵向和横向位置的位置错误信号；

致动器，所述致动器用于响应于所述位置错误信号控制所述聚焦激光的位置。

28.一种光学存储系统，包括：

InGaAlN基激光器，所述激光器具有至少一个刻蚀腔面；

光学发送器和成形器，所述光学发送器和成形器用于将来自所述激光器的辐射引导和聚焦到光学存储介质上；

光学接收器，所述光学接收器用于接收来自所述光学存储介质的反射激光，并提供响应于其的数据信号、以及表示与所述存储介质上的数据相关的聚焦激光的纵向和横向位置的位置错误信号；

致动器，所述致动器用于响应于所述位置错误信号控制所述聚焦激光的位置；

光学存储磁盘介质，所述光学存储磁盘介质具有多个位于所述磁盘介质附近的圆周定向的数据磁道；

激光强度控制器；以及

所述数据信号的电子读取装置。

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