CN102396083A - 用于激光器应用的使用gan衬底的光学装置结构 - Google Patents

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Abstract

光学装置包括具有m面非极性晶体状表面区域的氮化镓衬底构件，其特征在于，朝着(000-1)具有大约-2度至大约2度以及朝着(11-20)具有小于大约0.5度的取向。该装置还具有被形成为覆盖m面非极性晶体状取向表面区域的一部分的激光条纹区域。在激光条纹区域的一端上设置第一解理c面刻面，并在激光条纹区域的另一端上设置第二解理c面刻面。

Description

用于激光器应用的使用GAN衬底的光学装置结构
相关申请的交叉参考
本申请要求2009年4月13日提交的美国序列号第61/168,926号(代理人案号027600-000200US)和2009年9月17日提交的美国序列号第61/243,502号(代理人案号027600-001300US)的优先权，每篇文献都是共同受让的，并结合于此以供参考。
技术领域
本发明涉及光学装置和相关方法。更具体地，本发明提供一种利用非极性含镓衬底(例如，GaN、MN、InN、InGaN、AlGaN、AlInGaN，等等)发射电磁辐射的方法和装置。仅通过实例，本发明可应用于光学装置、激光器、发光二极管、太阳能电池、光电化学分解水制氢、光检测器、集成电路、晶体管、以及其它装置。
背景技术
在19世纪末期，托马斯爱迪生发明了灯泡。传统灯泡(通常叫做“爱迪生灯泡”)已经在包括照明和显示的多种应用场合中使用了100多年。传统灯泡使用封闭在密封于底座中的玻璃灯泡中的钨丝，底座被拧入插口中。插口与AC电源或DC电源接合。一般地，可在住宅、建筑物、户外照明、以及其它需要光或显示的区域中找到传统灯泡。遗憾地，传统的爱迪生灯泡存在一些缺点：
·传统灯泡效率低。用于传统灯泡的能量中超过90％的能量作为热能而不是作为光能而消散。
·传统灯泡并不像其应该的那样可靠，经常由于灯丝元件的热膨胀和收缩而出现故障。
·传统灯泡在较宽的光谱范围内发光，其中大部分光谱并不会产生明亮的照明，并且，由于人眼的光谱敏感性，并不会察觉到大部分光谱。
·传统灯泡在所有方向上发光，并且，对于需要强方向性或聚焦的应用场合(例如，投影仪、光学数据存储或专用照明)并不理想。
在1960年，Theodore H.Maiman在Malibu的Hughes(休斯)研究实验室中首先展示了激光器。此激光器利用固态闪光灯泵浦(pumped)人造红宝石晶体产生694nm的红色激光。直到1964年，William Bridges在Hughes Aircraft利用叫做氩离子激光器的气体激光器设计展示了蓝色和绿色激光输出。氩离子激光器利用惰性气体作为激活媒质，并产生包括351nm、454.6nm、457.9nm、465.8nm、476.5nm、488.0nm、496.5nm、501.7nm、514.5nm和528.7nm的UV、蓝色和绿色波长范围内的激光输出。氩离子激光器具有用窄光谱输出产生高度定向且聚焦的光的益处，但是，这些激光器的效率、尺寸、重量和成本并不令人满意。
随着激光技术的发展，开发出对于红色和红外波长的更有效的灯泵浦固态激光器设计，但是，这些技术对于蓝色和绿色激光器以及蓝色激光器仍存在挑战。结果，在红外区中开发出了灯泵浦固态激光器，并且，利用具有非线性光学特征的专用晶体将输出波长转换成可见光。绿色灯泵浦固态激光器具有3个阶段：对灯供电，灯激励发出1064nm激光的增益晶体，1064nm进入转换成532nm可见光的频率转换晶体。所得到的绿色和蓝色激光器叫做“具有二次谐波产生的灯泵浦固态激光器”(具有SHG的LPSS)，并且，比氩离子气体激光器更有效，但是，在专业科学和医疗应用场合之外的广泛应用中仍然效率低、巨大、昂贵、易碎。另外，在固态激光器中使用的增益晶体典型地具有能量储存特性，这使得激光器难以在高速下调制，从而限制了更广泛的应用。
为了提高这些可见光激光器的效率，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：对808nm的二极管激光器供电，808nm激励发出1064nm激光的增益晶体，1064nm进入转换成532nm可见光的频率转换晶体。DPSS激光器技术延长了LPSS激光器的使用寿命并提高了其效率，并由此在更高端的专门的工业、医疗和科学应用场合中进一步商业化。然而，对二极管泵浦的改变增加了系统成本并需要精确的温度控制，使得激光器具有非常大的尺寸和功率消耗。然而，该技术并未解决能量储存特性，使得激光器难以在高速下调制。
随着高功率激光二极管的发展且开发出新的专门SHG晶体，可以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。这些“直接倍频的二极管激光器”或SHG二极管激光器具有2个阶段：对1064nm的半导体激光器供电，1064nm进入转换成可见的532nm绿光的频率转换晶体。这些激光器设计意味着，与DPSS-SHG激光器相比，改进了效率、成本和尺寸，但是，所需的专业二极管和晶体使得这具有挑战性。另外，虽然二极管-SHG激光器具有直接调制的益处，但是，它们对温度非常敏感，限制了其应用。
发明内容
本发明提供通常涉及光学装置的技术。更具体地，本发明提供一种利用非极性或半极性含镓衬底(例如，GaN、MN、InN、InGaN、AlGaN、AlInGaN，等等)发射电磁辐射的方法和装置。在特定实施方式中，电磁辐射具有405nm、450nm、485nm、500nm、520nm的波长。本发明可应用于光学装置、激光器、发光二极管、太阳能电池、光电化学分解水制氢、光检测器、集成电路、晶体管、以及其它装置。
在一个特定实施方式中，提供一种光学装置，其包括具有m面非极性晶体状表面区域(其特征在于，朝着(000-1)具有大约-2度至大约2度以及朝着(11-20)具有小于大约0.5度的取向)的氮化镓衬底构件。晶体状表面的特征可表现为误切(miscut)，并且不包括零度的切割取向。该装置还具有被形成为覆盖m面非极性晶体状取向表面区域的一部分的激光条纹区域。在一个优选实施方式中，激光条纹区域的特征在于基本上平行于c方向的腔体取向(cavity orientation)，激光条纹区域具有第一端和第二端。该装置包括设置于激光条纹区域的第一端上的第一解理(cleaved)c面刻面(facet)。第一解理c面刻面优选地包括激光划刻区域。该装置还具有设置于激光条纹区域的第二端上的第二解理c面刻面。在一个特定实施方式中，第二解理c面刻面的特征在于也包括激光划刻区域。
在一些实施方式中，光学装置包括具有m面非极性晶体状表面区域(其特征在于，朝着c面具有大约-17度至大约17度的取向)的氮化镓衬底构件。晶体状表面的特征可表现为误切，并且不包括零度的切割取向。该装置还具有被形成为覆盖m面非极性晶体状取向表面区域的一部分或替代地覆盖半极性晶体状取向表面区域的激光条纹区域。在一个优选实施方式中，激光条纹区域具有第一端和第二端。该装置包括设置于激光条纹区域的第一端上的第一解理面刻面。在一个特定实施方式中，第一解理面刻面的特征在于激光划刻区域。该装置还具有设置于激光条纹区域的第二端上的第二解理面刻面。在一个特定实施方式中，第二解理面刻面的特征在于激光划刻区域。
在一个替代的特定实施方式中，本发明提供一种形成光学装置的方法。该方法包括：提供具有m面非极性晶体状表面区域(其特征在于，朝着(000-1)具有大约-2度至大约2度以及朝着(11-20)具有小于大约0.5度的取向)的氮化镓衬底构件。在一个特定实施方式中，晶体状表面的特征可表现为误切，并且不包括零度的切割方向。该装置还具有被形成为覆盖m面非极性晶体状取向表面区域的一部分的激光条纹区域。该方法包括：形成覆盖m面非极性晶体状取向表面区域的一部分的激光条纹区域。在一个特定实施方式中，激光条纹区域的特征在于基本上平行于c方向的腔体取向。在一个特定实施方式中，激光条纹区域具有第一端和第二端。该方法优选地形成一对解理刻面，包括设置于激光条纹区域的第一端上的第一解理c面刻面和设置于激光条纹区域的第二端上的第二解理c面刻面。
在其它实施方式中，本发明包括一种在其它含镓和氮的衬底取向上构造的装置和方法。在一个特定实施方式中，将含镓和氮的衬底构造在包括{20-21}晶体取向的一族平面上。在一个特定实施方式中，{20-21}朝着c面(0001)与m面偏离14.9度。作为一个实例，误切或切下角度是朝着c面距离m面+/-17度，或者替代地，大约在{20-21}晶体取向平面处。作为另一实例，本装置包括在c方向的投影中取向的激光条纹，c方向垂直于a方向(或者替代地位于m面上，将其构造在c方向上)。在一个或多个实施方式中，解理刻面将是含镓和氮的面(例如，GaN面)，其距离与c方向的投影正交的方向+/-15度(或者替代地，对于m面激光器，其是c面)。当然，可存在其它的变型、修改和替代。
利用本发明可实现超过现有技术的益处。特别地，本发明能够得到一种用于激光器应用的节省成本的光学装置。在一个特定实施方式中，可以相对简单且节省成本的方式制造本光学装置。根据实施方式的不同，可利用本领域普通技术人员已知的传统材料和/或方法来制造本装置和方法。本激光器装置使用能够实现具有大约400nm和405nm(其中，也可更大)波长的激光的非极性氮化镓材料。在其它实施方式中，该装置和方法可实现大约500nm(以及更大地，包括520nm)的波长。根据实施方式的不同，可实现这些益处中的一个或多个。可以在本说明书中，更具体地在下面，描述这些以及其它益处。
本发明在已知的工艺技术情况中实现这些以及其它益处。然而，通过参考说明书的后面的部分以及附图，可实现对本发明的本质和优点的进一步理解。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方式的制造于非极性衬底上的激光器装置的简化透视图；
图2是根据本发明的一个实施方式的制造于非极性衬底上的激光器装置的详细横截面图；
图3是用于根据本发明的一个实施方式的激光器装置的c方向解理刻面的横截面视图照片；
图4是根据本发明的一个实施方式的激光器装置的顶视图；
图5至图12示出了根据本发明的一个或多个实施方式的激光器装置的简化后端(backend)处理方法；以及
图13是示出了根据本发明的一个或多个实例的激光器装置的简化图。
具体实施方式
根据本发明，提供通常涉及光学装置的技术。更具体地，本发明提供一种利用非极性或半极性含镓衬底(例如，GaN、MN、InN、InGaN、AlGaN、AlInGaN，等等)发射电磁辐射的方法和装置。仅通过实例，本发明可应用于光学装置、激光器、发光二极管、太阳能电池、光电化学分解水制氢、光检测器、集成电路、晶体管、以及其它装置。
图1是根据本发明的一个实施方式的制造于非极性衬底上的激光器装置100的简化透视图。该图仅是一个实例，在此不应该不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到其它变型、修改和替代。如所示出的，该光学装置包括具有非极性晶体状表面区域(其特征在于，朝着(000-1)具有大约-2度至大约2度以及朝着(11-20)具有小于大约0.5度的取向)的氮化镓衬底构件101。在一个特定实施方式中，氮化镓衬底构件是块状GaN衬底(其特征在于，具有非极性晶体状表面区域)，但是也可以是其它的衬底。在一个特定实施方式中，块状氮化物GaN衬底包含氮，并具有低于105cm-2的表面位错密度。氮化物晶体或晶圆可包含AlxInyGa1-x-yN，其中，0≤x，y，x+y≤1。在一个特定实施方式中，氮化物晶体包含GaN。在一个或多个实施方式中，GaN衬底在相对于表面基本上正交或倾斜的方向上具有浓度在大约105cm-2和大约108cm-2之间的穿透位错(threading dislocation)。位错的正交或倾斜取向的结果是，表面位错密度低于大约105cm-2。
在一个特定实施方式中，该装置具有被形成为覆盖非极性晶体状取向表面区域的一部分的激光条纹区域。在一个特定实施方式中，激光条纹区域的特征在于腔体取向基本上平行于c方向。在一个特定实施方式中，激光条纹区域具有第一端107和第二端109。
在一个优选实施方式中，该装置具有设置于激光条纹区域的第一端上的第一解理c面刻面以及设置于激光条纹区域的第二端上的第二解理c面刻面。在一个或多个实施方式中，第一解理c刻面基本上平行于第二解理c刻面。在每个解理表面上形成有镜面。第一解理c刻面包括第一镜面。在一个优选实施方式中，通过划刻和折断工艺来提供第一镜面。划刻工艺可使用任何适当的技术，例如，钻石划刻或激光划刻或其组合。在一个特定实施方式中，第一镜面包括反射涂层。从二氧化硅、二氧化铪、二氧化钛钽五氧化锆(titaniatantalum pentoxidezirconia)，包括其组合等等中选择反射涂层。根据实施方式的不同，第一镜面还可包括抗反射涂层。当然，可存在其它的变型、修改和替代。
而且，在一个优选实施方式中，第二解理c刻面包括第二镜面。根据一个特定实施方式，通过划刻和折断工艺来提供第二镜面。优选地，划刻是钻石划刻或激光划刻，等等。在一个特定实施方式中，第二镜面包括反射涂层，例如，二氧化硅、二氧化铪、二氧化钛、钽、五氧化物、氧化锆，其组合，等等。在一个特定实施方式中，第二镜面包括抗反射涂层。当然，可存在其它的变型、修改和替代。
在一个特定实施方式中，激光条纹具有长度和宽度。长度的范围从大约50微米至大约3000微米。条纹还具有范围从大约0.5微米至大约50微米的宽度，但也可以是其它尺寸。在一个特定实施方式中，在尺寸方面，宽度基本上是恒定的，但也可能存在微小的变化。通常用本领域中通常使用的掩模和蚀刻工艺来形成宽度和长度。在本说明书中，更具体地在下面，可找到本装置的其它细节。
在一个特定实施方式中，该装置的特征还在于，自发发出的光在基本上垂直于c方向的方向上偏振。也就是说，该装置用作激光器，等等。在一个优选实施方式中，自发发出的光的特征在于，垂直于c方向的偏振比大于0.1至大约1。在一个优选实施方式中，自发发出的光的特征在于，波长范围从大约405nm开始以产生蓝色发光、绿色发光等等。在一个优选实施方式中，自发发出的光高度偏振，并且，其特征在于大于0.4的偏振比。当然，在本说明书中，更具体地在下面，可找到激光器装置的其它细节。
图2是根据本发明的一个实施方式的制造于非极性衬底上的激光器装置200的详细横截面图。该图仅是一个实例，在此不应该不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到其它变型、修改和替代。如所示出的，该激光器装置包括氮化镓衬底203，其具有下层n型金属后侧接触区域201。在一个特定实施方式中，该金属后侧接触区域由适当的材料制成，例如，下面提到的那些材料以及其他材料。在本说明书中，更具体地在下面，可找到接触区域的其它细节。
在一个特定实施方式中，该装置还具有上层n型氮化镓层205、有源区域207、被构造为激光条纹区域209的上层p型氮化镓层。在一个特定实施方式中，至少利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的外延沉积技术、分子束外延、或其它适于GaN生长的外延生长技术来形成这些区域中的每一个。在一个特定实施方式中，外延层是覆盖n型氮化镓层的高质量外延层。在一些实施方式中，例如，用Si或O掺杂该高质量层，以形成n型材料，掺杂剂浓度在大约1016cm-3至1020cm-3之间。
在一个特定实施方式中，将n型AluInvGa1-u-vN层沉积在衬底上，其中，0≤u，v，u+v≤1。在一个特定实施方式中，载体浓度可介于大约1016cm-3至1020cm-3之间的范围内。可利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)来进行沉积。当然，可存在其它变型、修改和替代。
作为一个实例，将块状GaN衬底放置在MOCVD反应器中的基座上。在封闭、抽空反应器以及将反应器回填(或使用负载锁定结构)至大气压之后，在有含氮气体的情况下，将基座加热至大约1000℃至大约1200℃之间的温度。在一个特定实施方式中，在流动的氨的情况下，将基座加热至大约1100℃。在运载气体中，以大约1至50标准立方厘米每分钟(sccm)之间的总流速开始含镓有机金属前体(precursor)(例如，三甲基镓(TMG)或三乙基镓(TEG))的流动。运载气体可包括氢气、氦气、氮气或氩气。V族前体(氨)的流速与III族前体(三甲基镓、三乙基镓、三甲基铟、三甲基铝)的流速之比在大约2000至大约12000之间。在运载气体中开始乙硅烷的流动，具有大约0.1至10sccm之间的总流速。
在一个特定实施方式中，激光条纹区域由p型氮化镓层209制成。在一个特定实施方式中，通过从干蚀刻或湿蚀刻中选择的蚀刻工艺来提供激光条纹。在一个优选实施方式中，蚀刻工艺是干式的，但也可以是其它的。作为一个实例，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物的反应离子蚀刻工艺。同样，作为一个实例，含氯物质通常从氯气等中得到。该装置还具有上层介电区域，其露出213接触区域。在一个特定实施方式中，介电区域是例如二氧化硅的氧化物或者氮化硅，但也可以是其它的。接触区域与上面的金属层215接合。上面的金属层是包含金和铂(Pt/Au)的多层结构，但也可以是其它的。当然，可存在其它的变型、修改和替代。
在一个特定实施方式中，该激光器装置具有有源区域207。根据一个或多个实施方式，有源区域可包括1个至20个量子阱区域。作为一个实例，在将n型AluInvGa1-u-vN层沉积预定的时间周期以达到预定厚度之后，沉积有源层。有源层可包括单个量子阱或多个量子阱，具有1至20个量子阱。量子阱可包括InGaN阱和GaN阻挡层。在其它实施方式中，阱层和阻挡层分别包括AlwInxGal-w-xN和AlyInzGal-y-zN，其中，0≤w，x，y，z，w+x，y+z≤1，其中，w＜u，y和/或x＞v，z，使得阱层的带隙小于阻挡层和n型层的带隙。阱层和阻挡层均可具有大约1nm至大约40nm之间的厚度。在另一实施方式中，有源层包括双异质结构，具有由GaN或AlyInzGal-y-zN层包围的大约10nm至100nm厚的InGaN或AlwInxGal-w-xN层，其中，w＜u，y和/或x＞v，z。有源层的组成和结构被选择为在预先选择的波长提供光发射。可使有源层不掺杂(或不是有意地掺杂)，或者可以是n型或p型掺杂。当然，可存在其它的变型、修改和替代。
在一个特定实施方式中，有源区域还可包括电子阻挡(blocking)区域以及单独限制异质结构(separate confinement hetercostructure)。在一些实施方式中，优选地沉积电子阻挡层。电子阻挡层可包括AlsIntGal-s-tN，其中，0≤s，t，s+t≤1，具有比有源层更高的带隙，并可以是p型掺杂。在一个特定实施方式中，电子阻挡层包括AlGaN。在另一实施方式中，电子阻挡层包括AlGaN/GaN超晶格结构，包括交替的AlGaN层和GaN层，每层具有大约0.2nm至大约5nm之间的厚度。当然，可存在其它的变型、修改和替代。
如所提到的，将p型氮化镓结构(其可以是p型掺杂的AlqInrGal-q-rN，其中，0≤q，r，q+r≤1)层沉积在有源层上方。p型层可掺杂有Mg，掺杂至大约1016cm-3至1022cm-3之间的水平，并可具有大约5nm和大约1000nm之间的厚度。最外面的1至50nm的p型层可比其他的层掺杂得更重，以使得能够改进电接触。在一个特定实施方式中，通过从干蚀刻或湿蚀刻中选择的蚀刻工艺来提供激光条纹。在一个优选实施方式中，蚀刻工艺是干式的，但也可以是其它的。该装置还具有上层介电区域，其露出213接触区域。在一个特定实施方式中，介电区域是例如二氧化硅的氧化物，但也可以是其它的。当然，可存在其它的变型、修改和替代。
在一个特定实施方式中，金属接触由适当的材料制成。反射电接触可包含银、金、铝、镍、铂、铑、钯、铬等中的至少一种。可利用热蒸发、电子束蒸发、电镀、溅射或其他适当的技术来沉积电接触。在一个优选实施方式中，电接触用作光学装置的p型电极。在另一实施方式中，电接触用作光学装置的n型电极。当然，可存在其它的变型、修改和替代。在本说明书中，更具体地在下面，可找到解理刻面的其它细节。
图3是用于根据本发明的一个实施方式的激光器装置的c方向解理刻面的横截面视图照片。该图仅是一个实例，在此不应该不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到其它变型、修改和替代。如所示出的，c方向解理刻面是平滑的，并提供适当的镜面。在下面提供激光器装置的顶视图的细节。
图4是根据本发明的一个实施方式的激光器装置的顶视图。该图仅是一个实例，在此不应该不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到其它变型、修改和替代。如所示出的，在c方向上构造激光条纹，其具有垂直于c方向的投影。如所示出的，氮化镓衬底的顶视图是根据一个特定实施方式的微小误切或切下(off-cut)的表面区域取向。
可以如下所述地概括一种处理根据一个或多个实施方式的激光器装置的方法，还可见图5：
1.开始；
2.提供包括具有脊部的激光器装置的处理衬底；
3.使衬底从后侧变薄；
4.形成后侧n接触；
5.划刻图案，以便分离以条状结构构造的激光器装置；
6.折断所划刻的图案，以形成多个条状结构；
7.堆叠条状结构；
8.涂覆条状结构；
9.将条状结构分成各个具有激光器装置的芯片；以及
10.根据需要执行其它步骤。
根据本发明的一个或多个实施方式，以上顺序的步骤用来由衬底结构在芯片上形成各个激光器装置。在一个或多个优选实施方式中，该方法包括，位于构造于非极性氮化镓衬底材料上的脊状激光器装置中的基本上彼此平行且面向彼此的解理刻面。根据实施方式的不同，在不背离这里的权利要求的范围的前提下，可组合或省去一个或多个这些步骤，或者可增加其它步骤。本领域普通技术人员将认识到其它变型、修改和替代。在本说明书中，更具体地在下面，提供此方法的其它细节。
图6是根据本发明的一个实施方式的衬底变薄工艺的简化图。该图仅是一个例证，在此不应该不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到其它变型、修改和替代。在一个特定实施方式中，该方法以包括激光器装置以及优选地包括脊状激光器装置的氮化镓衬底材料开始，但也可以是其它的。根据一个特定实施方式，衬底已经经历前侧处理。在已经完成前侧处理之后，将一个或多个GaN衬底安装在蓝宝石载体晶圆或其它适当的构件上。作为一个实例，该方法使用晶键(crystalbond)509，其是传统安装的热塑性塑料。热塑性塑料可在丙酮或其它适当的溶剂中溶解。当然，可存在其它的变型、修改和替代。
在一个特定实施方式中，将载圆晶片安装至研磨夹具。这种研磨夹具的一个实例由英国的Logitech公司或其它厂商制造。根据一个特定实施方式，在研磨处理期间，研磨夹具帮助保持衬底的平面性。作为一个实例，衬底的起始厚度是～325μm+/-20μm，但也可以是其它厚度。在一个特定实施方式中，该方法将衬底研磨或变薄至70至80μm的厚度，但也可以更薄或稍厚。在一个优选实施方式中，用研磨板来构造研磨夹具，研磨板通常由适当的材料制成，例如，被构造为具有小于5μm的平直度的铸铁，但也可以是其它的。优选地，该方法使用研磨浆料(其是1份碳化硅(SiC)和10份水)，但也可以是其它变型。在一个特定实施方式中，SiC粗砂的尺寸大约是5μm。在一个或多个实施方式中，研磨板的速度在大约10转每分钟是适当的。另外，根据一个或多个实施方式，该方法可调节研磨夹具的向下的压力，以达到期望的研磨速度，例如，2-3μm/min或者更大或稍小。
在一个特定实施方式中，本方法包括研磨处理，其可能在GaN材料中产生表面损坏而导致产生中等级别的陷阱(trap)，等等。中等级别的陷阱可产生具有肖特基特性的接触。因此，根据一个特定实施方式，本方法包括一个或多个抛光处理，使得去除具有损坏的～10μm材料。作为一个实例，该方法使用罗门哈斯的PolitexTM抛光垫，但也可以是其它的，将该抛光垫胶粘在不锈钢板上。一种抛光方案是Eminess技术公司制造的Ultraso1300K，但也可以是其它的。Ultra-Sol 300K是具有特殊设计的碱性分散性的高纯度硅胶浆料。其包含70nm的硅胶并具有10.6的PH值。固体含量是30％(按重量)。在一个特定实施方式中，研磨板的速度是70rpm，并施加研磨夹具的整个重量。在一个优选实施方式中，该方法包括大约～2μm/小时的抛光速度，但也可以是其它的。当然，可存在其它的变型、修改和替代。
在其它实施方式中，本发明提供一种实现用于m面GaN衬底材料的高质量n型接触的方法。在一个特定实施方式中，该方法提供粗糙的接触以实现适当的欧姆接触。在一个特定实施方式中，粗糙度导致其它晶面的暴露，这会产生良好的接触。在一个优选实施方式中，本方法包括纹理粗糙的研磨表面，以暴露不止一个或多个不同的晶面。在其它实施方式中，可在研磨之后进行蚀刻，例如，干蚀刻和/或湿蚀刻。在一个特定实施方式中，蚀刻去除了衬底损坏，然而，可能无法使表面像抛光那样平。当然，可存在其它的变型、修改和替代。
图7是示出根据一个或多个实施方式的后侧n接触方法的简化图。该图仅是一个实例，在此不应该不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到其它变型、修改和替代。根据一个或多个实施方式，在完成变薄处理之后，该方法在衬底的后侧上形成n接触。此时，仍将变薄的衬底安装并保持在蓝宝石晶圆上。在一个优选实施方式中，为了效率和处理，对变薄的衬底进行“批量处理”。在一个特定实施方式中，使用批量处理的方法帮助防止与处理非常薄(60-80um)的衬底相关的任何损坏。
作为一个实例，后侧接触包括大约
Figure BDA0000098540380000141
的Al/
Figure BDA0000098540380000142
的Au或其它适当的材料。在一个特定实施方式中，接触是由电子束蒸发或其它适当的技术沉积的金属堆。在一个优选实施方式中，在金属堆沉积之前，该方法包括使用湿蚀刻，例如，氢氟酸湿蚀刻，以去除表面上的任何氧化物。在一个特定实施方式中，优选地，在金属堆形成之后，不对金属堆退火或使其经历高温处理。当然，可存在其它的变型、修改和替代。
图8是示出根据一个或多个实施方式的划刻和折断操作的简化图。该图仅是一个实例，在此不应该不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到其它变型、修改和替代。根据一个特定实施方式，在形成n接触之后，将衬底从蓝宝石载体晶圆拆下，并将其在丙酮和异丙醇中清洗。然后，根据实施方式的不同，将衬底安装在聚氯乙烯绝缘带上，以进行划刻和折断处理。在一个优选实施方式中，所述带在激光条上不会留下任何残留物，激光条基本上没有这种残留物，所述残留物本质上通常是聚合物或微粒。
接下来，该方法包括一个或多个划刻工艺。在一个特定实施方式中，该方法包括使衬底受到激光，以形成图案。在一个优选实施方式中，构造图案，以形成用于一个或多个脊状激光器的一对刻面。在一个优选实施方式中，这对刻面面向彼此，并彼此平行地对准。在一个优选实施方式中，该方法使用UV(355nm)激光器来划刻激光条。在一个特定实施方式中，将激光器构造在系统上，这允许在一个或多个不同的图案和轮廓中构造精确的划刻线。在一个或多个实施方式中，根据应用的不同，可在后侧、前侧或这两侧上执行划刻。当然，可存在其它的变型、修改和替代。
在一个特定实施方式中，该方法使用后侧划刻，等等。通过后侧划刻，该方法优选地在GaN衬底的后侧上形成垂直于激光条的连续的线划刻。在一个特定实施方式中，划刻通常是15至20μm深或其它适当的深度。优选地，后侧划刻会是有利的。也就是说，划刻过程并不取决于激光条或其它类似图案的间距。因此，根据一个优选实施方式，后侧划刻可在每个衬底上产生更高密度的激光条。然而，在一个特定实施方式中，后侧划刻可能在一个或多个刻面上产生所述带的残余物。在一个特定实施方式中，后侧划刻通常需要衬底在所述带上面向下。通过前侧划刻，衬底的后侧与所述带接触。当然，可存在其它的变型、修改和替代。
在一个优选实施方式中，本方法使用便于形成清洁刻面的前侧划刻。在一个特定实施方式中，优选地使用前侧划刻工艺。在一个特定实施方式中，该方法包括划刻图案，以产生具有最小刻面粗糙度或其它缺陷的笔直解理。以下提供划刻的其它细节。
划刻图案：激光掩模的间距是大约200μm，但也可以是其它的。该方法使用170μm的划刻，对于200μm的间距具有30μm的虚线(dash)。在一优选实施方式中，使划刻长度最大化或增加，同时保持激光器的热影响区域远离对热敏感的激光器脊部。
划刻轮廓：锯齿轮廓通常产生最小的刻面粗糙度。相信，锯齿轮廓形状在材料中产生非常高的应力集中，这导致解理更容易和/或更有效地扩展。
在一个特定实施方式中，本方法提供适于制造本激光器装置的划刻。作为一个实例，图9示出与(1)后侧划刻处理以及(2)前侧划刻处理相关的衬底材料的横截面。当然，可存在其它的变型、修改和替代。
现在参考图10，该方法包括折断工艺，以形成多个条状结构。该图仅是一个实例，在此不应该不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到其它变型、修改和替代。在划刻GaN衬底之后，该方法使用折断器将衬底解理成条。在一个特定实施方式中，折断器具有带有900μm的间隙间隔的金属支撑部。将衬底定位在支撑部上，使得划刻线位于中心。然后，一适当地尖锐的陶瓷刀片在划刻线上直接施加压力，这导致衬底沿着划刻线解理。
图11是示出根据一个或多个实施方式的堆叠和涂覆工艺的简化图。同样，该图仅是一个实例，在此不应该不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到其它变型、修改和替代。在解理之后，将这些条堆叠在固定设备中，该固定设备允许涂覆彼此平行地对准并面向彼此的前刻面和后刻面。可从任何适当的低反射率设计(AR设计)中选择前刻面涂覆薄膜。根据一个特定实施方式，AR设计包括覆盖有一薄层HfO2的四分之一波长的Al2O3涂层。Al2O3涂层是坚固的电介质，并且，HfO2密度大，这帮助环境地钝化并调节前刻面的反射率。优选地，通过电子束蒸发来沉积这些涂覆薄膜。在一个特定实施方式中，后刻面涂覆有高反射率HR设计。HR设计包括四分之一波长的几对SiO2/HfO2。在一个特定实施方式中，可使用大约6-7对来达到超过99％的反射率。当然，可存在其它的变型、修改和替代。
在一个优选实施方式中，该方法使用被构造为用于不破坏真空地沉积每个刻面的适当的沉积系统。该沉积系统包括具有足够高度和空间体积的圆顶结构。根据一个特定实施方式，该系统允许多个被构造于固定设备中的多个条从一侧翻转至另一侧并暴露后刻面和前刻面。在一个优选实施方式中，该方法允许首先沉积后刻面，重新构造条状固定设备以暴露前刻面，然后不破坏真空地沉积前刻面。在一个优选实施方式中，该方法允许不破坏真空地将一个或多个薄膜沉积在前侧和后侧上，以节省时间并提高效率。其它实施方式会破坏真空。当然，可存在其它的变型、修改和替代。
图12示出根据一个特定实施方式的将单个条引导至多个晶片中的方法。该图仅是一个实例，在此不应该不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到其它变型、修改和替代。在已经涂覆条的刻面之后，该方法包括，在晶片单个化之前测试条形式的激光器装置。在一个特定实施方式中，该方法通过执行划刻和折断工艺来将条单个化(类似于刻面解理)。优选地，根据一个特定实施方式，该方法在激光条的顶侧上形成浅的连续线划刻。每个晶片的宽度大约是200μm，这可将支撑间隙减小至300μm左右。在这些条已经解理成单个晶片之后，使带膨胀，并将每个晶片从带上剥离。接下来，根据一个或多个实施方式，该方法对每个晶片执行封装操作。
实例：
图13是示出根据本发明的一个或多个实例的激光器装置的简化图。该图仅是一个实例，在此不应该不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到其它变型、修改和替代。在此实例中，光学装置包括具有非极性晶体状表面区域(其特征在于，朝着(000-1)具有大约1度以及朝着(11-20)具有小于大约0.3度的取向)的氮化镓衬底构件。块状氮化物GaN衬底包含氮，并具有低于1E-6cm-2的表面位错密度和小于0.2nm的表面粗糙度。
该装置具有被形成为覆盖非极性晶体状取向表面区域的一部分的激光条纹区域。该激光条纹区域的特征在于腔体取向基本上平行于c方向，并具有第一端和第二端。该装置具有设置于激光条纹区域的第一端上的第一解理c面刻面以及设置于激光条纹区域的第二端上的第二解理c面刻面。第一解理c刻面基本上平行于第二解理c刻面。在每个解理表面上形成有镜面。第一解理c刻面包括第一镜面。通过划刻和折断工艺来提供第一镜面，例如这里描述的工艺。第一镜面包括反射涂层，其是氧化铝和二氧化铪。第二解理c刻面包括第二镜面。通过划刻和折断工艺来提供第二镜面，例如这里描述的工艺。第二镜面包括反射涂层，例如，二氧化硅和二氧化铪。在一个特定实施方式中，激光条纹具有长度和宽度。长度是400至1000μm，宽度是1.4至4μm。在尺寸上宽度基本是恒定的。
如所示出的，该装置的特征还在于，自发发出的光在基本上垂直于c方向的方向上偏振。也就是说，该装置用作激光器。自发发出的光的特征在于垂直于c方向的偏振比。还如所示出的，自发发出的光的特征在于大约405nm的波长，以产生蓝紫色发光。其它参数包括：
功率CW＞350mW；
Ith＜35mA；
SE＞1.0W/A；以及
在To-56头部上的封装。
如所示出的，该图示出了大约25℃时的主题激光器装置的功率和电流的关系。另外，对于主题激光器装置，波长在大约405nm示出。同样，本装置仅是一个实例，在此不应该不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到其它变型、修改和替代。
在其它实施方式中，本发明包括一种在其它含镓和氮的衬底取向上构造的装置和方法。在一个特定实施方式中，将含镓和氮的衬底构造在包括{20-21}晶体取向的一族平面上。在一个特定实施方式中，{20-21}朝着c面(0001)与m面偏离14.9度。作为一个实例，误切或切下角度是朝着c面距离m面+/-17度，或者替代地，大约在{20-21}晶体取向平面处。作为另一实例，本装置包括在c方向的投影中取向的激光条纹，c方向垂直于a方向(或者替代地位于m面上，将其构造在c方向上)。在一个或多个实施方式中，解理刻面将是含镓和氮的面(例如，GaN面)，其距离与c方向的投影正交的方向+/-5度(或者替代地，对于m面激光器，其是c面)。当然，可存在其它的变型、修改和替代。
虽然以上是对特定实施方式的全部描述，但是，可使用各种修改、替代结构和等同物。因此，不应将以上描述和说明看作是限制由所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (34)

1.一种光学装置，包括：
氮化镓衬底构件，具有m面非极性晶体状表面区域，其特征在于，朝着(000-1)具有大约-2度至大约2度以及朝着(11-20)具有小于大约0.5度的取向；
激光条纹区域，被形成为覆盖m面非极性晶体状取向表面区域的一部分，所述激光条纹区域的特征在于基本上平行于c方向的腔体取向，所述激光条纹区域具有第一端和第二端；
第一解理c面刻面，设置于所述激光条纹区域的第一端上；以及
第二解理c面刻面，设置于所述激光条纹区域的第二端上。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一解理c刻面基板平行于所述第二解理c刻面。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一解理c刻面包括第一镜面，其特征在于激光划刻区域。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，从所述氮化镓衬底构件的前侧或后侧通过划刻和折断工艺来提供所述第一镜面。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一镜面包括反射涂层。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，从二氧化硅、二氧化铪和二氧化钛中选择所述反射涂层。
7.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一镜面包括抗反射涂层。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二解理m刻面包括第二镜面，其特征在于激光划刻区域。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，通过划刻和折断工艺来提供所述第二镜面。
10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述第二镜面包括反射涂层。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，从二氧化硅、二氧化铪和二氧化钛中选择所述反射涂层。
12.根据权利要求8所述的装置，其中，所述第二镜面包括抗反射涂层。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，长度的范围从大约100微米至大约2000微米。
14.根据权利要求1所述的装置，进一步包括范围从大约1微米至大约15微米的宽度。
15.根据权利要求1所述的装置，进一步包括自发发出的光，所述自发发出的光垂直于c方向偏振。
16.根据权利要求1所述的装置，进一步包括其特征在于波长范围从大约385nm至大约420nm的自发发出的光。
17.根据权利要求1所述的装置，进一步包括其特征在于波长范围从大约420nm至大约460nm的自发发出的光。
18.根据权利要求1所述的装置，进一步包括其特征在于波长范围从大约460nm至大约500nm的自发发出的光。
19.根据权利要求1所述的装置，进一步包括其特征在于波长范围从大约500nm至大约550nm的自发发出的光。
20.根据权利要求1所述的装置，其中，通过从干蚀刻或湿蚀刻中选择的蚀刻工艺来提供所述激光条纹。
21.根据权利要求1所述的装置，进一步包括覆盖所述氮化镓衬底构件的后侧的n型金属区域和覆盖所述激光条纹的上部的上层p型金属区域。
22.根据权利要求1所述的装置，其中，所述激光条纹包括暴露所述激光条纹的上部的上层介电层。
23.根据权利要求1所述的装置，进一步包括覆盖所述表面区域的n型氮化镓区域、覆盖所述n型氮化镓区域的有源区域、以及覆盖所述有源区域的激光条纹区域。
24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述有源区域包括1个至20个量子阱区域，所述1个至20个量子阱区域的特征在于10埃至大约40埃的厚度。
25.根据权利要求23所述的装置，其中，所述有源区域包括1个至20个量子阱区域，所述1个至20个量子阱区域的特征在于40埃至大约80埃的厚度。
26.根据权利要求23所述的装置，其中，所述有源区域包括电子阻挡区域。
27.根据权利要求23所述的装置，其中，所述有源区域的特征在于单独限制异质结构。
28.一种形成光学装置的方法，包括：
提供具有m面非极性晶体状表面区域的氮化镓衬底构件，其特征在于，朝着(000-1)具有大约-2度至大约2度以及朝着(11-20)具有小于大约0.5度的取向；
形成覆盖m面非极性晶体状取向表面区域的一部分的激光条纹区域，所述激光条纹区域的特征在于基本上平行于c方向的腔体取向，所述激光条纹区域具有第一端和第二端；以及
形成一对解理刻面，包括设置于所述激光条纹区域的第一端上的第一解理c面刻面和设置于所述激光条纹区域的第二端上的第二解理c面刻面。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，形成一对解理刻面包括，单独地形成所述第一解理c面刻面和形成所述第二解理c面刻面。
30.根据权利要求28所述的方法，进一步包括涂覆所述第一解理c面刻面并涂覆所述第二c面刻面。
31.根据权利要求28所述的方法，其中，在单个化处理之前，形成所述一对解理面刻面。
32.一种光学装置，包括：
氮化镓衬底构件，具有大体的m面非极性晶体状表面区域，其特征在于，朝着(000-1)具有大约-2度至大约2度以及朝着(11-20)具有小于大约0.5度的切下取向，所述切下取向不包括朝着(000-1)的零度和朝着(11-200)的零度，所述m面非极性晶体状表面区域的特征在于具有第一晶体质量的切下取向，并且m面非极性晶体状表面区域的特征在于具有第二晶体质量的非切下取向，所述第一晶体质量高于所述第二晶体质量；
激光条纹区域，被形成为覆盖所述m面非极性晶体状取向表面区域的一部分，所述激光条纹区域的特征在于基本上平行于c方向的腔体取向，所述激光条纹区域具有第一端和第二端；
第一解理c面刻面，设置于所述激光条纹区域的第一端上；以及
第二解理c面刻面，设置于所述激光条纹区域的第二端上。
33.一种光学装置，包括：
氮化镓衬底构件，具有m面非极性晶体状表面区域，其特征在于，朝着c面具有大约-17度至大约17度的切下取向；
激光条纹区域，被形成为覆盖所述m面非极性晶体状取向表面区域的一部分，所述激光条纹区域具有第一端和第二端；
第一解理刻面，设置于所述激光条纹区域的第一端上；以及
第二解理刻面，设置于所述激光条纹区域的第二端上。
34.根据权利要求33所述的装置，其中，由切下构造的所述m面晶体状取向表面区域是{20-21}面。
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