JP6091531B2 - 多波長レーザー装置のシステムおよび方法 - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１０年５月２４日出願の米国特許仮出願第６１／３４７，８００号の優先権を主張し、当該出願は、あらゆる目的で参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、多波長を放出するレーザーダイオードを提供するためのシステムおよび方法を対象とする。より具体的には、多波長および色のレーザー出力が、様々な構成で取得される。ある実施形態では、複数のレーザー光線出力が、複数のレーザーデバイスを有することによって取得され、それぞれが、異なる波長を放出し、同一の基板上にパッケージ化される。他の実施形態では、異なる波長を有する複数のレーザーデバイスが、同一の基板から形成される。用途に依って、異なる波長のレーザー光線が組み合わされる。他の実施形態も存在する。
１８００年代後半に、トマス・エジソンが電球を発明した。一般に「エジソンの球」と呼ばれる従来の電球は、何百年にもわたり、照明および表示を含む様々な用途に使用されてきた。従来の電球は、ソケット内にネジ止めされる基部に封止された、ガラス球内に封入されたタングステンフィラメントを使用する。ソケットは、ＡＣ電力またはＤＣ電源に連結される。従来の電球は、住宅、建物、および野外照明、ならびに明かりまたは表示を必要とする他の領域に見られる。残念ながら、従来のエジソンの電球には、熱としてエネルギーの無駄使い、信頼性、放出スペクトル、および指向性を含む、欠点が存在する。
１９６０年に、マリブにあるＨｕｇｈｅｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓにおいて、セアドアＨによって、初めてレーザーが実現された。このレーザーは、固体フラッシュランプ励起合成ルビー結晶を採用して、６９４ｎｍで、赤いレーザー光を産生した。１９６４年には、Ｈｕｇｈｅｓ Ａｉｒｃｒａｆｔにおいて、ウイリアムブリッジによって、アルゴンイオンレーザーと称される、ガスレーザー設計を採用する青色および緑色レーザー出力が実現された。アルゴンイオンレーザーは、活性媒体として希ガスを採用し、ＵＶ、青色および緑色波長（３５１ｎｍ、４５４．６ｎｍ、４５７．９ｎｍ、４６５．８ｎｍ、４７６．５ｎｍ、４８８．０ｎｍ、４９６．５ｎｍ、５０１．７ｎｍ、５１４．５ｎｍ、および５２８．７ｎｍを含む）において、レーザー光出力を産生する。Ａｒ−イオンレーザーは、狭スペクトル出力で、指向性が高く、フォーカス可能な光を産生する上で利点を有したが、壁コンセントの効率は、＜０．１％であり、レーザーのサイズ、重量、および費用も望ましくなかった。
レーザー技術が進化すると、赤色波長および赤外線波長用に、より効率的なランプ励起固体レーザー設計が開発されたが、これらの技術には、青色および緑色レーザー、ならびに青色レーザーにおける課題が残っている。その結果、レーザーランプ励起固体レーザーが、赤外線で開発され、出力波長は、非線形光学特性を有する特殊な結晶を使用して、可視に変換された。緑色ランプ励起固体レーザーは、３つの段階（電気は、ランプに電力を与え、ランプは、１０６４ｎｍでレーザーを当てるゲイン結晶を励起し、１０６４ｎｍは、可視の５３２ｎｍに変換する、周波数変換結晶に当てられる）を有した。得られる緑色および青色レーザーは、「第二高調波発生を使用するランプ励起固体レーザー」（ＳＨＧを使用するＬＰＳＳ）と称され、約１％の壁コンセント効率を有し、Ａｒ−イオンガスレーザーよりも効率的があったが、依然として、特殊な科学的および医学的用途外の広域な展開に対しては、不十分で、大きく、高価で、不安定であった。加えて、固体レーザーに使用されたゲイン結晶は、レーザーが高速で変調するのを困難にさせる、エネルギー蓄積特性を有し、それは、そのより広域な展開を制限する。
これらの可視レーザーの効率を高めるために、高電力ダイオード（または半導体）レーザーが採用された。これらの「ＳＨＧを使用するダイオード励起固体レーザー」（ＳＨＧを使用するＤＰＳＳ）は、３つの段階（電気は、８０８ｎｍのダイオードレーザーに電力を与え、８０８ｎｍは、１０６４ｎｍでレーザーを当てるゲイン結晶を励起し、１０６４ｎｍは、可視の５３２ｎｍに変換する、周波数変換結晶に当てられる）を有した。ＤＰＳＳレーザー技術は、ＬＰＳＳレーザーの寿命を延長し、その壁コンセント効率を５〜１０％まで高め、さらなる商業化によって、より高性能な特殊な商業的用途、医学的用途、および科学的用途が展開した。しかしながら、ダイオード励起への変更は、レーザーを実質的なサイズに残したまま、レーザーが高速で変調するのを困難にさせるエネルギー蓄積特性を提示せずに、システムの費用を増大させ、正確な温度制御、電力消費を必要とした。
上述の様々な種類のレーザーは、多くの用途を有する。典型的には、同一の波長または色の１つまたは複数のデバイスが、単一のパッケージとして提供される。例えば、従来のシステムは、典型的には、複数のパッケージ化されたレーザーデバイスを含み、これらのパッケージ化されたデバイスは、複数の色を有するように組み合わされる。その結果、しばしば、組み合わされたレーザーデバイスのサイズを縮小することが困難であり、しばしば、レーザーデバイスを組み合わせるために余分な費用がかかる。
本発明は、多波長を放出するレーザーダイオードを提供するためのシステムおよび方法を対象とする。より具体的には、多波長および／または色のレーザー出力が、様々な構成で取得される。ある実施形態では、複数のレーザー光線出力が、複数のレーザーデバイスを有することによって取得され、それぞれが、異なる波長を放出し、同一の基板上でパッケージ化される。他の実施形態では、異なる波長を有する複数のレーザーデバイスが、同一の基板から形成される。用途に依って、異なる波長のレーザー光線を組み合わせてもよい。
一実施形態による、本発明は、第１の結晶表面領域配向を含む、ガリウムおよび窒素含有基板を含む、光学デバイスを提供する。デバイスはまた、障壁層と光放出層とを備える活性領域も含み、光放出層は、ピーク発光波長勾配に関連する段階的プロファイルを特徴とし、ピーク発光波長勾配は、少なくとも１０ｎｍの偏差を有する。デバイスはさらに、放出層の第１の部分を覆う、第１のキャビティ部材を含み、放出層の第１の部分は、第１の波長に関連し、第１のキャビティ部材は、少なくとも１００μｍの長さ、および少なくとも０．５μｍの幅を特徴とし、かつ第１の波長で第１のレーザー光線を放出するように適合される。加えて、デバイスは、放出層の第２の部分を覆う第２のキャビティ部材を含み、放出層の第２の部分は、第２の波長に関連し、第１の波長と第２の波長との間の差異は、少なくとも５０ｎｍであり、第２のキャビティ部材は、少なくとも１００μｍの長さ、および少なくとも０．５μｍの幅を特徴とし、かつ第２の波長で第２のレーザー光線を放出するように適合される。デイバスはまた、出力領域も含み、第１のレーザー光線および第２のレーザー光線は、組み合わされる。
別の実施形態では、デバイスは、障壁層、および異なる波長の複数の光放出層を備える、活性領域を含む。加えて、デバイスは、出力領域を含み、そこで、第１のレーザー光線および第２のレーザー光線は、組み合わされる。
さらに別の実施形態による、本発明は、光学デバイスを形成するための方法を提供する。該方法は、第１の結晶表面領域配向を含む、ガリウムおよび窒素含有基板を提供することを含む。該方法はまた、選択的エッチング過程を実施することによって、第１の活性領域を画定することも含む。該方法は、第１の活性領域内に障壁層を形成し、第１および第２の放出層を成長させ、層の上にキャビティ部材を形成することを含む。
さらに別の実施形態による、本発明は、複数の活性領域を有する光学デバイスを提供する。該デバイスは、第１の表面を有する、後部部材を含む。該デバイスはまた、後部部材の第１の表面上に実装される、第１の基板も含み、第１の基板は、ガリウムおよび窒素材料を備え、かつ第１の結晶表面領域配向を有する。該デバイスはまた、第１の障壁層と第１の光放出層とを備える、第１の活性領域も含み、第１の光放出層は、第１の波長に関連する。該デバイスは、付加的に、後部部材の第１の表面上に実装される、第２の基板を含み、第１の基板は、第２の結晶表面領域配向を有する。該デバイスはまた、第２の障壁層と第２の光放出層とを備える、第２の活性領域も含み、第２の光放出層は、第２の波長に関連し、第１の波長と第２の波長との間の差異は、少なくとも１０ｎｍである。該デバイスはまた、第１の光放出層を覆う、第１のキャビティ部材も含み、第１のキャビティ部材は、少なくとも１００μｍの長さ、および少なくとも０．５μｍの幅を特徴とし、第１の表面を有し、かつ第１の波長で第１のレーザー光線を放出するように適合される。該デバイスはまた、第２の光放出層を覆う、第２のキャビティ部材も含み、第２のキャビティ部材は、少なくとも１００μｍの長さ、および少なくとも０．５μｍの幅を特徴とし、かつ第２の表面を有し、第１および第２の表面は、実質的に平行であり、第２のキャビティ部材は、第２の波長で第２のレーザー光線を放出するように適合される。該デバイスはまた、出力領域も含み、第１のレーザー光線および第２のレーザー光線は、組み合わされる。
本発明は、レーザー用途のための費用効果のある光学デバイスを可能にする。特定の実施形態では、光学デバイスは、比較的単純で費用効果の高い方法で製造することができる。実施形態に依って、本発明の装置および方法は、当業者に従い、従来の材料および／または方法を使用して製造することができる。
サイドバイサイド放出体構成を図示する図である。 オフカットｍ平面｛２０−２１｝基板上に加工されたレーザーデバイスの斜視図である。 ｛２０−２１｝基板上に加工されたレーザーデバイス２００の断面図である。 段階的放出波長を有する、活性領域の断面を図示する図である。 複数の活性領域を有するレーザーデバイスを図示する図である。 単一のパッケージ内の共通の表面上に実装される、共同パッケージ化された緑色および青色レーザーダイオードの図である。 単一のパッケージ内の共通の表面上に実装される、共同パッケージ化された赤色、緑色、および青色レーザーダイオードの図である。 サブマウントを共有する２つのレーザーダイオードを図示する簡略図である。 共同パッケージ化された赤色、緑色、および青色レーザーデバイスを図示する図である。 実装構造を共有するレーザーダイオードを図示する図である。 実装構造を共有するレーザーダイオードを図示する図である。 実装構造を共有するレーザーダイオードを図示する図である。
本発明は、多波長を放出するレーザーダイオードを提供するためのシステムおよび方法を対象とする。より具体的には、多波長および／または色のレーザー出力が、様々な構成で取得される。ある実施形態では、複数のレーザー光線出力が、複数のレーザーデバイスを有することによって取得され、それぞれが、異なる波長を放出し、同一の基板上にパッケージ化される。他の実施形態では、異なる波長を有する複数のレーザーデバイスが、同一の基板から形成される。用途に依って、異なる波長のレーザー光線が組み合わされてもよい。
一実施形態による、多波長を有するレーザーデバイスの組み合わせを作成する一方法は、光放出層の複数の部分を有する活性領域を有して形成することであり、それぞれの部分は、特定の波長または色に関連する。別の実施形態による、複数の活性層（それぞれ、特定の波長または色に関連する）は、多波長出力を達成するために提供される。例えば、２つまたは複数のキャビティは、個々の出力スペクトルが単一の光線内で振動し、捕捉することができるように、サイドバイサイド構成で提供される。レーザーキャビティのそれぞれは、活性領域に関連する波長を放出するために、特定の活性領域の上部に位置される。例えば、隣接レーザーダイオードは、１００μｍ〜３０００μｍの範囲のキャビティ長、および０．５μｍ〜５０μｍの範囲のキャビティ幅を有する、従来の面内レーザー形状を採用することができる。ある実施形態では、従来の半導体レーザー加工技術および装置を使用して、光学デバイスおよび導波路構造を製造することができることを理解されたい。
特定の実施形態では、サイドバイサイドレーザーは、約１μｍ〜５００μｍの距離で、互いから分離される。用途に依って、これらのレーザーは、共通の対の電極を共有するか、または別個の電極を使用ことができる。図１は、本発明の一実施形態による、サイドバイサイド放出体構成を図示する簡略化された概略図である。図１に示されるように、別個のキャビティ部材を有する、レーザー１およびレーザー２は、隣接して構成される。用途に依って、レーザー１およびレーザー２用の基板は、非極性または半極性のガリウム含有基板であってもよい。レーザー１およびレーザー２の両方は、前部または後部ミラーを有する。特定の実施形態では、レーザー１およびレーザー２は、共通の劈開表面を共有する。用途に依って、レーザー１およびレーザー２用の寸法および構成は、異なってもよい。レーザー１およびレーザー２は、異なる波長および／または色に関連する。例えば、レーザー１は、緑色レーザー光線を放出するように構成され、レーザー２は、青色レーザー光線を放出するように構成される。
一例として、図１は、非極性または半極性のＧａ含有基板上のモノシリックに集積した緑色および青色レーザーダイオードの一例を提供し、レーザー１は、青色（４２５〜４７０ｎｍ）または緑色（５１０〜５４５ｎｍ）の出力波長を生成することができ、レーザー２は、青色または緑色の出力波長を生成することができる。図１は、２つのレーザーを示すが、単一チップ上に多数のレーザーが存在することができる。異なる波長レーザーは、選択領域成長、再生長ステップ、量子井戸無秩序化、または単一成長およびエッチングステップ方法等のいくつかの方法で画定することができる。
様々な実施形態では、レーザー１およびレーザー２は、同一の半導体チップ上で加工されることを理解するものとする。必要性に依って、レーザー１およびレーザー２は、波長の多くの置換および同一のチップ上で加工された多くのレーザーダイオードを有してもよく、波長範囲は、３９０〜４２０ｎｍ、４２０〜４６０ｎｍ、４６０〜５００ｎｍ、５００〜５４０ｎｍ、および５４０ｎｍ以上であることができる。加えて、これらのレーザーは、共通の劈開面ミラーエッジを共有することができる。好ましい実施形態では、レーザーデバイスは、｛２０−２−１｝を含む、｛２０−２１｝（半極性）ファミリの平面、または｛３０−３１｝もしくは｛３０−３−１｝等のこの平面の＋／−８°以内の平面を使用して実行される。異なる種類のレーザーデバイスは、共にパッケージ化することができる。例えば、レーザーデバイスは、極性もしくはｃ平面（０００１）、非極性もしくはｍ平面／ａ平面（１０−１０）、（１１−２０）、および／または半極性｛１１−２２｝、｛１０−１−１｝、｛２０−２１｝、｛３０−３１｝を使用して実行されてもよい。
多くの用途について、異なる色のレーザーダイオードを有するという目標とは、異なる色のレーザー光線を組み合わせることである。例えば、図１のレーザー１およびレーザー２から放出されるレーザー光線は、様々な方法で組み合わせることができる。一実施形態では、自由空間光学素子を使用して、光線サイズおよび発散を一致させ、空間内の光線をオーバーラップさせる。より具体的には、実施形態は、１つまたは複数の色を通過して、１つまたは複数の色を反映させるための二色性コーティングを有する光学素子を含む。例えば、偏光組み合わせを使用して、同色のレーザーを組み合わせ、電力を増大することもできる。
ある実施形態では、レーザー光線の組み合わせは、一組の導波路（および／またはキャビティ部材）を使用して、光線サイズおよび発散を一致させ、空間内の光線をオーバーラップさせることによって達成することができる。例えば、１つの入力ポートは、単一の出力ポートを有するレーザー毎に提供される。光線は、出力ポートを出て、次いで、画像（例えば、スキャニングミラー、ＬＣＯＳ、ＤＬＰ等）を形成するデバイスに到達する。導波路入口および出口ポートは、光線を平行にし、その偏光を回転させる等のための光学特性を有してもよい。
一例として、本発明によるレーザーは、ｍ平面上で製造することができる。図１Ａは、本発明の一実施形態による、オフカットｍ平面｛２０−２１｝基板上で加工された、レーザーデバイスの簡略化された斜視図である。示されるように、光学デバイスは、オフカットｍ平面の結晶表面領域を有する、窒化ガリウム基板部材１０１を含む。特定の実施形態では、窒化ガリウム基板部材は、半極性または非極性結晶表面領域を有することを特徴とする、バルクＧａＮ基板である。特定の実施形態では、バルク窒化物ＧａＮ基板は、窒素を含み、１０５ｃｍ〜約１０８ｃｍ−２以下の表面転位密度を有する。窒化物結晶またはウエハは、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０≦ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ≦１）を含んでもよい。１つの特定の実施形態では、窒化物結晶は、ＧａＮを含む。１つまたは複数の実施形態では、ＧａＮ基板は、表面に対して実質的に直交または斜角である方向で、約１０５ｃｍ−２〜約１０８ｃｍ−２の集結の貫通転位を有する。転位の直交または斜角配向の結果として、表面転位密度は、約１０５ｃｍ−２〜約１０８ｃｍ−２以下である。特定の実施形態では、デバイスは、同一出願人による、２００９年３月２８日に出願の、かつ参照することにより本明細書に組み込まれる、米国特許仮出願第６１／１６４，４０９号に記載されるように、わずかにカットオフされた半極性基板上に加工することができる。
｛２０−２１｝ファミリのＧａＮ結晶面についての特定の実施形態では、デバイスは、オフカット結晶配向表面領域の一部分を覆って形成されたレーザーストライプ領域を有する。特定の実施形態では、レーザーストライプ領域は、実質的に、ｃ方向の突出にあるキャビティ配向を特徴とし、実質的にａ方向に垂直である。特定の実施形態では、レーザーストライプ領域は、第１の端１０７と、第２の端１０９とを有する。好ましい実施形態では、デバイスは、互いに対向する一対の劈開ミラー構造を有する、｛２０−２１｝ガリウムおよび窒素含有基板上のｃ方向の突出上に形成される。
好ましい実施形態では、デバイスは、レーザーストライプ領域の第１の端上に提供される第１の劈開面、およびレーザーストライプ領域の第２の端面に提供される第２の劈開面を有する。１つまたは複数の実施形態では、第１の劈開は、第２の劈開面と実質的に平行である。ミラー表面は、劈開表面のそれぞれの上に形成される。第１の劈開面は、第１のミラー表面を備える。好ましい実施形態では、第１のミラー表面は、トップサイドスキップスクライブスクライビングおよびブレーキング工程によって提供される。スクライビング工程は、ダイヤモンドスクライブもしくはレーザースクライブ、またはその組み合わせ等の任意の好適な技術を使用することができる。特定の実施形態では、第１のミラー表面は、反射コーティングを備える。反射コーティングは、二酸化ケイ素、ハフニア、およびチタニア、五酸化タンタル、ジルコニア等（それらの組み合わせを含む）から選択される。実施形態に依って、第１のミラー表面も、反射防止コーティングを備えることができる。
また、好ましい実施形態では、第２の劈開面は、第２のミラー表面を備える。第２のミラー表面は、特定の実施形態による、トップサイドスキップスクライブスクライビングおよびブレーキング工程によって提供される。好ましくは、スクライビングは、ダイヤモンドスクライブされるか、またはレーザースクライブされる。特定の実施形態では、第２のミラー表面は、二酸化ケイ素、ハフニア、およびチタニア、五酸化タンタル、ジルコニア、それらの組み合わせ等の反射コーティングを備える。特定の実施形態では、第２のミラー表面は、反射防止コーティングを備える。
特定の実施形態では、レーザーストライプは、長さおよび幅を有する。長さは、約５０ミクロン〜約３０００ミクロンの範囲である。ストライプも、約０．５ミクロン〜約５０ミクロンの範囲の幅を有するが、他の寸法であることもできる。特定の実施形態では、幅は、わずかに変化してもよいが、ほぼ一定の寸法である。幅および長さは、しばしば、当該技術分野において一般に使用されるマスキングおよびエッチング工程を使用して形成される。
特定の実施形態では、本発明は、リッジレーザー実施形態において、５０１ｎｍを超える光を放出することが可能な代替的デバイス構造を提供する。デバイスは、以下のエピタキシャルに成長した要素のうちの１つまたは複数で提供される：
５Ｅ１７〜３Ｅ１８ｃｍ−３のＳｉドーピングレベルを有する、１００ｎｍ〜３０００ｎｍの厚さのｎ−ＧａＮクラッド層、
３％〜１０％のインジウムのモル分率、および２０〜１００ｎｍの厚さを有するＩｎＧａＮから成るｎサイドＳＣＨ層、
薄い２．５ｎｍを超える、および任意に最大約８ｎｍのＧａＮ障壁によって分離される、少なくとも２つの２．０〜５．５ｎｍのＩｎＧａＮ量子井戸から成る多量子井戸活性領域層、
１％〜１０％のインジウムのモル分率、および１５〜１００ｎｍの厚さを有するＩｎＧａＮから成る、ｐサイドＳＣＨ層、
１２％〜２２％のアルミニウムのモル分率、および５〜２０ｎｍの厚さを有するＡｌＧａＮから成り、Ｍｇでドープされた、電子ブロッキング層、
２Ｅ１７ｃｍ−３〜２Ｅ１９ｃｍ−３のＭｇドーピングレベルを有する、４００ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さを有する、ｐ−ＧａＮクラッディング層、
１Ｅ１９ｃｍ−３〜１Ｅ２１ｃｍ−３のＭｇドーピングレベルを有する、２０ｎｍ〜４０ｎｍの厚さを有する、ｐ＋＋−ＧａＮ接触層。
図２Ａは、本発明の一実施形態による、｛２０−２１｝基板上に加工された、レーザーデバイス２００の断面図である。示されるように、レーザーデバイスは、下部のｎ型金属裏面接触領域２０１を有する、窒化ガリウム基板２０３を含む。特定の実施形態では、金属裏面接触領域は、下記に記述される金属および他の金属等の好適な金属から作製される。
特定の実施形態では、デバイスはまた、レーザーストライプ領域２０９として構築される、上部のｎ型窒化ガリウム層２０５と、活性領域２０７と、上部ｐ型窒化ガリウム層とを有する。特定の実施形態では、これらの領域のそれぞれは、少なくとも有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）のエピタキシャル被着技術、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）、またはＧａＮ成長に好適な他のエピタキシャル成長技術を使用して形成される。特定の実施形態では、エピタキシャル層は、ｎ型窒化ガリウム層を覆う高品質エピタキシャル層である。いくつかの実施形態では、高品質層は、約１０１６ｃｍ−３〜１０２０ｃｍ−３のドーパント濃度を有する、ｎ型材料を形成するために、例えば、ＳｉまたはＯを用いて、ドープされる。
特定の実施形態では、ｎ型ＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ−ｖＮ層（式中、０≦ｕ、ｖ、ｕ＋ｖ≦１）は、基板上に被着される。特定の実施形態では、キャリア濃度は、約１０１６ｃｍ−３〜１０２０ｃｍ−３の範囲にあってもよい。被着は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）または分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）を使用して実施されてもよい。勿論、他の変化、修正、および代替も存在することができる。
一例として、バルクＧａＮ基板は、ＭＯＣＶＤリアクタ内のサセプタ上に定置される。リアクタを閉鎖し、排出し、環境圧力にバックフィルした後（または、ロードロック構造を使用して）、サセプタは、窒素含有ガスの存在下で、約１０００〜約１２００℃の温度に加熱される。１つの特定の実施形態では、サセプタは、アンモニア流動下で、約１１００℃に加熱される。トリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）等のガリウム含有有機金属先駆体の流動は、約１〜５０の標準立法センチメートル毎秒（ｓｃｃｍ）の総合比率で、キャリアガス中で開始される。キャリアガスは、水素、ヘリウム、窒素、またはアラゴンを含んでもよい。成長中のグループＶ先駆体（アンモニア）の流量とグループＩＩＩ先駆体（トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、トリメチルアルミニウム）の流量の比率は、約２０００〜約１２０００である。キャリアガス中のジシランの流量は、約０．１〜１０ｓｃｃｍの総流量で開始される。
特定の実施形態では、レーザーストライプ領域は、ｐ型窒化ガリウム層２０９から作製される。特定の実施形態では、レーザーストライプは、ドライエッチングまたはウエットエッチングから選択される、エッチング工程によって提供される。好ましい実施形態では、エッチングプロセスは、ドライである。一例として、ドライエッチング工程は、塩素含有種を使用する誘導結合工程、または同様の化学を使用する反応性イオンエッチング工程である。再度、一例として、塩素含有種は、一般に、塩素ガスまたは同等物に由来する。デバイスはまた、２１３接触領域を露出する、上部誘電領域を有する。特定の実施形態では、誘電領域は、二酸化ケイ素またはシリコン窒化物等の酸化物である。接触領域は、上部金属層２１５に連結される。上部金属層は、金および白金（Ｐｔ／Ａｕ）、ニッケル金（Ｎｉ／Ａｕ）を含有する多層構造である。
特定の実施形態では、レーザーデバイスは、活性領域２０７を有する。活性領域は、１つまたは複数の実施形態による、１〜２０の量子井戸領域を含むことができる。一例として、規定の厚さを達成するように、規定期間中のｎ型ＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ−ｖＮ層の被着後、活性層は、被着される。活性層は、２〜１０量子井戸を有する、多量子井戸から成ってもよい。量子井戸は、それらを分離するＧａＮ障壁層を有するＩｎＧａＮから成ってもよい。他の実施形態では、井戸層および障壁層は、それぞれ、井戸層のバンドギャップが、障壁層およびｎ型層のそれ以下であるように、ＡｌｗＩｎｘＧａ１−ｗ−ｘＮおよびＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ（式中、０≦ｗ、ｘ、ｙ、ｚ、ｗ＋ｘ、ｙ＋ｚ≦１、ｗ＜ｕ、ｙ、および／またはｘ＞ｖ、ｚ）を含む。井戸層および障壁層はそれぞれ、約１ｎｍ〜約２０ｎｍの厚さを有してもよい。活性層の組成および構造は、事前に選択された波長での光放出を提供するように選択される。活性層は、非ドープのまま（または、非意図的にドープされる）であってもよいか、またはｎ型もしくはｐ型にドープされてもよい。
特定の実施形態では、活性領域はまた、電子ブロッキング領域、および別個の閉じ込めヘテロ構造を含むこともできる。いくつかの実施形態では、電子ブロッキング層は、好ましくは、被着される。電子ブロッキング層は、活性層よりも高いバンドキャップを有する、ＡｌｓＩｎｔＧａ１−Ｓ−ｔＮ（式中、０≦ｓ、ｔ、ｓ＋ｔ≦１）を含んでもよく、ドープされたｐ型であってもよい。１つの特定の実施形態では、電子ブロッキング層は、ＡｌＧａＮを含む。別の実施形態では、電子ブロッキング層は、ＡｌＧａＮおよびＧａＮの代替層（それぞれ、０．２ｎｍ〜約５ｎｍの厚さを有する）を含む、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造を含む。
記述されるように、ｐ型窒化ガリウム構造は、電子ブロッキング層と活性層との間に被着される。ｐ型層は、約１０１６ｃｍ−３〜１０２２ｃｍ−３のレベルまで、ｍｇでドープされてもよく、約５ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚さを有してもよい。ｐ型層の最外部は、改善された電気接触を可能にするように、残りの層よりも高濃度でドープされてもよい。特定の実施形態では、レーザーストライプは、ドライエッチングまたはウエットエッチングから選択されるエッチング工程によって提供される。好ましい実施形態では、エッチング工程は、ドライである。デバイスはまた、２１３接触領域を露出する、上部誘電領域を有する。特定の実施形態では、誘電領域は、二酸化ケイ素等の酸化物である。
一実施形態に従い、アズグロウン材料の利得ピークは、ウエハにわたって空間的に異なる。その結果、異なる波長および／または色は、同一のウエハ上の次のレーザーに加工された１つのレーザーから取得することができる。アズグロウン利得ピーク波長は、本発明の実施形態による、様々な方法を使用して変移することができる。一実施形態による、本発明は、成長不均一性を採用し、アズグロウン材料は、放出波長勾配を有する。例えば、成長不均一性は、エピタキシャル成長チャンバ内の光放出層における温度および／または成長率勾配の結果、取得することができる。例えば、そのような波長勾配は、意図的または非意図的であることができ、波長の差異は、１０〜４０ｎｍの偏差の範囲である。例えば、この方法は、同一のチップ上の多層が異なる波長で動作することを可能にする。
特定の実施形態では、異なる波長でレーザー光線を提供するように構成された光学デバイスが提供される。デバイスは、第１の結晶表面領域配向を含む、ガリウムおよび窒素含有基板を含む。例えば、基板部材は、極性平面（ｃ平面）、非極性平面（ｍ平面、ａ面）、および半極性平面（｛１１−２２｝、｛１０−１−１｝、｛２０−２１｝、｛３０−３１｝、｛２０−２−１｝、｛３０−３−１｝）上の表面領域を有してもよい。デバイスはまた、障壁層と、光放出層とを備える、活性領域も含み、光放出層は、ピーク発光波長勾配に関連する段階的プロファイルを特徴とし、ピーク発光波長勾配は、少なくとも１０ｎｍの偏差を有する。また、デバイスは、放出層の第１の部分を覆う第１のキャビティ部材を含み、放出層の第１の部分は、第１の波長に関連し、第１のキャビティ部材は、少なくとも１００μｍの長さ、および少なくとも０．５μｍの幅を特徴とし、かつ第１の波長で第１のレーザー光線を放出するように適合される。デバイスはさらに、放出層の第２の部分を覆う第２のキャビティ部材を含み、放出層の第２の部分は、第２の波長に関連し、第１の波長と第２の波長との間の差異は、少なくとも５０ｎｍであり、第２のキャビティ部材は、少なくとも１００μｍの長さ、および少なくとも０．５μｍの幅を特徴とし、かつ第２の波長で第２のレーザー光線を放出するように適合される。加えて、デバイスは、出力領域を含み、そこで、第１のレーザー光線および第２のレーザー光線は、組み合わされる。
第１および第２のレーザー光線を組み合わせるために、様々な手段を使用してもよい。一実施形態では、第１および第２のレーザー光線を組み合わせるために、二色性コーティングを有する複数の光学素子を使用される。別の実施形態では、第１および第２のレーザー光線を組み合わせるために、複数の偏光光学素子が使用される。用途に依って、第１の波長は、緑色または青色に関連することができる。例えば、第１および第２の波長は、異なる色に関連する。
特定の実施形態では、第１のキャビティ部材および第２のキャビティ部材は、ミラーエッジの共通の劈開面を共有する。例えば、共通の劈開面は、第１および第２のレーザー光線の組み合わせを可能にするように具体的に構成される。様々な実施形態では、デバイスはさらに、表面リッジアーキテクチャおよび／または埋設ヘテロ構造アーキテクチャを備えてもよい。一実施形態では、活性領域は、第１および第２のガリウムおよび窒素含有クラッディング層と、第１のクラッディング層と第２のクラッディング層との間に位置付けられるインジウムおよびガリウム含有層とを含む。
デバイスを動作するために、活性領域を選択的に励起するために複数の金属電極を使用することができる。例えば、活性は、２つまたは複数の量子井戸領域、３つまたは複数の量子井戸領域、さらには６つまたは複数の量子井戸領域を含んでもよい。図２Ｂは、段階的放出波長を有する、活性領域の断面を図示する簡略図である。
本発明のある実施形態では、多層波長出力は、選択面積エピタキシャル（ＳＡＥ）を介して、アズグロウン利得ピークを操作することによって取得され、誘電パターンを使用して、成長面積を画定し、光放出層の組成を修飾する。とりわけ、組成の修飾を使用して、異なる利得ピーク波長をもたらし、それによって、異なるレーザー発振波長をもたらすことができる。例えば、ＳＡＥ工程を使用することによって、デバイス設計者は、高度な空間的制御を有することができ、安全に、１０〜３０ｎｍの、しばしば、それ以上のレーザーの波長可変を達成することができる。例えば、ＳＡＥ工程は、２００９年６月１５日出願の「ＳＥＬＥＣＴＩＶＥ ＡＲＥＡ ＥＰＩＴＡＸＹ ＧＲＯＷＴＨ ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＦＯＲ ＭＵＬＴＩ−ＣＯＬＯＲ ＤＥＶＩＣＥＳ」と題する、米国特許第１２／４８４，９２４号に記載されている。例えば、この方法は、同一のチップ上の複数の層が異なる波長で動作することを可能にする。
一実施形態による、ＳＡＥ技術を使用する以下のステップは、多波長および／または色を提供することが可能なレーザーデバイスを含むデバイスを形成するための方法において実施される：
１．第１の結晶表面領域配向を含む、ガリウムおよび窒素含有基板を提供すること、
２．活性領域を画定すること、
３．活性領域に障壁層を形成すること、
４．選択面積エピタキシャル工程を使用して、活性領域内で複数の光放出層を成長させること（複数の光放出層が、第１の放出層と、第２の放出層とを含み、第１の放出層が、第１の利得ピーク波長を特徴とし、第２の放出層が、第２の利得ピーク波長を特徴とし、第１の利得ピーク波長と、第２の利得ピーク波長との間の差異が、少なくとも１０ｎｍである）、
５．第１の放出層を覆う第１のキャビティ部材を形成すること（第１のキャビティ部材が、少なくとも１００μｍの長さ、および少なくとも０．５μｍの幅を特徴とし、かつ第１の波長で第１のレーザー光線を放出するように適合される）、
６．第２の放出層を覆う第２のキャビティ部材を形成すること（第２のキャビティ部材が、少なくとも１００μｍの長さ、および少なくとも０．５μｍの幅を特徴とし、かつ第２の波長で第２のレーザー光線を放出するように適合される）、
７．出力領域を提供すること（第１のレーザー光線および第２のレーザー光線が組み合わされる）。
上述の方法は、様々な種類の基板を使用して実行することができることを理解するものとする。上記に説明されるように、基板部材は、極性平面（ｃ−平面）、非極性平面（ｍ−平面、ａ−平面）、および半極性平面（｛１１−２２｝、｛１０−１−１｝、｛２０−２１｝、｛３０−３１｝、｛２０−２−１｝、｛３０−３−１｝）上の表面領域を有してもよい。例えば、光放出層の成長相中に、成長面積は、誘電層によって画定される。特定の実施形態では、成長面積のそれぞれにおける放出層は、異なる空間次元（例えば、幅、厚さ）および／または組成（例えば、インジウム、ガリウムおよび窒素に対して異なる濃度）を有する。好ましい実施形態では、成長面積は、環状、台形、四角形、三角形、円形、多角形形状、無定形形状、不整形形状、三角形形状、またはこれらの任意の組み合わせを含む、１つまたは複数の特殊構造で構成される。例えば、放出層のそれぞれは、特定の波長および／または色に関連する。上述に説明されるように、放出層における波長の差異は、１ｎｍ〜４０ｎｍの範囲であってもよい。
特定の実施形態では、多波長および／または色を使用する、ＳＡＥ工程を使用して製造されるレーザー装置が提供される。レーザー装置は、第１の結晶表面領域配向を含むガリウムおよび窒素含有基板を含む。装置はまた、障壁層と、複数の光放出層とを備える、活性領域も含み、複数の光放出層が、第１の放出層と、第２の放出層とを含み、第１の放出層が、第１の波長を特徴とし、第２の放出層が、第２の波長を特徴とし、第１の波長と、第２の波長との間の差異が、少なくとも１０ｎｍである。例えば、第１および第２の放出層は、選択面積エピタキシャル工程を使用して形成される。
装置は、第１の放出層を覆う、第１のキャビティ部材を含み、第１のキャビティ部材が、少なくとも１００μｍの長さ、および少なくとも０．５μｍの幅を特徴とし、かつ第１の波長で第１のレーザー光線を放出するように適合される。装置はまた、第２の放出層を覆う、第２のキャビティ部材も含み、第２のキャビティ部材が、少なくとも１００μｍの長さ、および少なくとも０．５μｍの幅を特徴とし、かつ第２の波長で第２のレーザー光線を放出するように適合される。装置は、付加的に、出力領域を含み、そこで、第１のレーザー光線および第２のレーザー光線が組み合わされる。
上記に説明されるように、様々な用途のために、しばしば、第１および第２の波長、またはそれに関連する色を組み合わせることが望ましい。例えば、装置は、第１および第２のレーザー光線を組み合わせるための二色性コーティングを有する光学素子を有してもよい。一実施形態では、装置は、第１および第２のレーザー光線を組み合わせるための複数の偏光光学素子を含む。特定の実施形態では、第１のキャビティ部材および第２のキャビティ部材は、ミラーエッジの共通の劈開面を共有し、それは、第１および第２のレーザー光線を組み合わせるように構成される。
第１および第２のレーザー光線は、多くの色の組み合わせに関連することができる。例えば、第１の波長は、緑色に関連し、第２の波長は、青色に関連する。レーザー装置が、様々な種類の基板上で実行することができることを理解するものとする。例えば、第１の結晶表面領域配向は、｛２０−２１｝平面であることができ、第１の結晶表面領域配向は、｛３０−３１｝平面であることもできる。
レーザー装置は、活性領域を選択的に励起するための、表面リッジアーキテクチャ、埋設ヘテロ構造アーキテクチャ、および／または複数の金属電極等の他の構造も含んでもよい。例えば、活性領域は、第１および第２のガリウムおよび窒素含有クラッディング層と、第１のクラッディング層と第２のクラッディング層との間に位置付けられるインジウムおよびガリウム含有放出層とを備える。レーザー装置はさらに、ｎ型ガリウムおよび窒素含有材料、および該ｎ型ガリウムおよび窒素含有材料を覆う、ｎ型クラッディング材料を含んでもよい。
本発明のある実施形態では、多レーザー波長および／または色は、複数の活性領域を提供することによって取得され、活性領域のそれぞれは、特定の波長（または、色）に関連する。より具体的には、活性領域の複数の成長が、単一チップ上で実行される。この技術では、ウエハは、１つの利得ピークを有する活性領域の成長のために、成長チャンバ内に装着される。この成長後、ウエハは、１つまたは複数のリソグラフィーおよび処理ステップを受け、ウエハの一部の面積内の活性領域の一部分を除去する。ウエハは、次いで、第２の成長を受けてもよく、そこで、第２のピーク利得波長を有する第２の活性領域が成長させられる。特定の必要性に依って、活性領域を成長および除去する工程は、多数回繰り返すことができる。最終的に、これらの異なる活性領域に対して戦略的に位置付けられるレーザーダイオードの加工が続き、様々な波長でのレーザー発振を可能にする。
図２Ｃは、本発明の実施形態による、複数の活性領域を有するレーザーデバイスを図示する図である。
一実施形態による、以下のステップは、複数の活性領域を有するレーザーデバイスを含む、デバイスを形成するための方法において実施される。
１．第１の結晶表面領域配向を含む、ガリウムおよび窒素含有基板を提供すること、
２．選択的エッチング工程を実施することによって、第１の活性領域を画定すること、
３．第１の活性領域内に障壁層を形成すること、
４．第１の活性領域内で第１の放出層を成長させること（第１の放出層が、第１の波長を特徴とする）、
５．選択的エッチング工程を実施することによって、第２の活性領域を画定すること、
６．第２の活性面積内で第２の放出層を成長させること（第２の放出層が、第２の波長を特徴とし、第１の利得ピーク波長と、第２の利得ピーク波長との間の差異が、少なくとも１０ｎｍである）、
７．第１の放出層を覆う、第１のキャビティ部材を形成すること（第１のキャビティ部材は、少なくとも１００μｍの長さ、および少なくとも０．５μｍの幅を特徴とし、かつ第１の波長で第１のレーザー光線を放出するように適合される）、
８．第２の放出層を覆う、第２のキャビティ部材を形成すること（第２のキャビティ部材が、少なくとも１００μｍの長さ、および少なくとも０．５μｍの幅を特徴とし、かつ第２の波長で第２のレーザー光線を放出するように適合される）、
９．規定領域において第１および第２のレーザー光線を組み合わせるために、第１および第２のキャビティ部材を整合すること。
用途に依って、上記の方法はまた、他のステップも含んでもよい。例えば、方法は、第１および第２のレーザー光線を組み合わせるための光学部材を提供することを含む。一実施形態では、方法は、第１のキャビティ部材の第１の劈開表面を成形すること、第２のキャビティの第２の劈開表面を成形すること、および第１および第２のレーザー光線を組み合わせるために、第１および第２の劈開表面を整合することを含む。
上述の方法が、様々な種類の基板を使用して実行できることを理解されたい。上記に説明されるように、基板部材は、極性平面（ｃ−平面）、非極性平面（ｍ−平面、ａ−平面）、および半極性平面（｛１１−２２｝、｛１０−１−１｝、｛２０−２１｝、｛３０−３１｝、｛２０−２−１｝、｛３０−３−１｝）上に表面領域を有してもよい。上述の方法では、２つの活性領域および２つのキャビティ部材が形成される。例えば、それぞれの活性領域およびキャビティ部材の対は、特定の波長に関連する。用途に依って、所望の波長および／またはスペクトル幅を取得するために、付加的な活性領域およびキャビティ部材を形成してもよい。好ましい実施形態では、活性領域のそれぞれは、特定の波長に関連する特定の空間次元を特徴とする。
特定の実施形態では、多波長および／または色を提供する、複数の活性領域を有するレーザー装置が記載される。レーザー装置は、第１の結晶表面領域配向を含む、ガリウムおよび窒素含有基板を含む。特定の実施形態では、基板は、インジウム励起材料を備える。装置はまた、障壁層と、第１の放出層とを備える、第１の活性領域も含み、第１の放出層が、第１の利得ピーク波長を特徴とする。装置は、第２の放出層を備える、第２の活性領域を含み、第２の放出層が、第２の利得ピーク波長を特徴とし、第１の利得ピーク波長と、第２の利得ピーク波長との間の差異が、少なくとも１０ｎｍである。
装置はさらに、第１の放出層を覆う、第１のキャビティ部材を含み、第１のキャビティ部材は、少なくとも１００μｍの長さ、および少なくとも０．５μｍの幅を特徴とし、かつ第１の波長で第１のレーザー光線を放出するように適合される。加えて、装置は、第２の放出層を覆う、第２のキャビティ部材を含み、第２のキャビティ部材は、少なくとも１００μｍの長さ、および少なくとも０．５μｍの幅を特徴とし、かつ第２の波長で第２のレーザー光線を放出するように適合される。装置はさらに、出力領域を含み、そこで、第１のレーザー光線および第２のレーザー光線が組み合わされる。
上述のように、しばしば、様々な用途のために、第１および第２の波長、またはそれに関連する色を組み合わせることが望ましい。例えば、装置は、第１および第２のレーザー光線を組み合わせるための二色性コーティングを有する光学素子を有してもよい。一実施形態では、装置は、第１および第２のレーザー光線を組み合わせるための複数の偏光光学素子を含む。特定の実施形態では、第１のキャビティ部材および第２のキャビティ部材は、ミラーエッジの共通の劈開面を共有し、それは、第１および第２のレーザー光線を組み合わせるように構成される。
第１および第２のレーザー光線は、多くの色の組み合わせに関連することができる。例えば、第１の波長は、緑色に関連し、第２の波長は、青色に関連する。
レーザー装置は、様々な種類の基板上で実行することができることを理解されたい。例えば、第１の結晶表面領域配向は、｛２０−２１｝または｛２０−２−１｝平面であることができ、第１の結晶表面領域配向は、｛３０−３１｝または｛３０−３−１｝平面であることもできる。
レーザー装置はまた、活性領域を選択的に励起するために、表面リッジアーキテクチャ、埋設へテロ構造アーキテクチャ、および／または複数の金属電極等の他の構造を含んでもよい。例えば、活性領域は、第１および第２のガリウムおよび窒素含有クラッディング層と、第１のクラッディング層と第２のクラッディング層との間に位置付けられるインジウムおよびガリウム含有放出層とを備える。レーザー装置はさらに、ｎ型ガリウムおよび窒素含有材料、および該ｎ型ガリウムおよび窒素含有材料を覆う、ｎ型クラッディング材料を含んでもよい。
本発明の実施形態は、活性領域が既に形成された後に、多レーザー波長および／または色を取得するための方法を提供することを理解されたい。より具体的には、半導体材料の利得ピークは、量子井戸無秩序化（ＱＷＩ）工程および／または光放出層の不規則化を介して、成長後に空間的に操作することができる。ＱＷＩ工程は、ヘテロ界面に見られる組成勾配の順安定性質を活用する。材料の内部間拡散する生来の傾向は、無秩序化の基本である。より低いエネルギーの光放出量子井戸層が、異なる組成のより高いエネルギーの障壁によって囲繞されるため、井戸障壁構成原子の無秩序化は、より高いエネルギーの光放出層をもたらし、したがって、青方偏移（または、より短い）の利得ピークをもたらすであろう。
この過程が行われる速度は、触媒の導入で強化することができる。リトグラフィー的に画定可能な触媒パターン形成過程を使用して、ＱＷＩ過程を選択的にすることができる。これは、不純物の導入によるものか、または空孔の形成によるものかにかかわらず、事実上すべての選択的ＱＷＩが実施されるプロセスである。これらの技術を使用することによって、いくつか挙げると、不純物誘起不規則化（ＩＩＤ）、不純物のない空孔不規則化の増大（ＩＦＶＤ）、光吸収誘起不規則化（ＰＡＩＤ）、および注入強化内部間拡散等の選択的無秩序化を達成するために長年にわたって進化してきた多数の技術が存在する。かかる方法は、１〜１００ｎｍ以上、ピーク利得波長を偏移することが可能である。記述されたこれらの方法のうちの１つ、または任意の他のＱＷＩ方法を採用して、隣接レーザーデバイスの利得ピークを離調することによって、サイドバイサイドデバイスの振動したレーザー発振スペクトルを変更することができる。
一実施形態では、多波長が可能なレーザー装置は、上述のＱＷＩ工程を使用することによって製造される。装置は、第１の結晶表面領域配向を含む、ガリウムおよび窒素含有基板を含む。装置はまた、障壁層と、複数の光放出層とを備える、活性領域も含み、複数の光放出層は、第１の放出層と第２の放出層とを含み、障壁層は、第１のエネルギーレベルを特徴とし、第１の放出層は、第１の波長および第２のエネルギーレベルを特徴とし、第２のエネルギーレベルは、第１のエネルギーレベルよりも低く、第１の放出層は、障壁層から拡散される第１の量の材料を有し、第２の放出層は、第２の波長を特徴とし、第１の利得ピーク波長と第２の利得ピーク波長との差異は、少なくとも１０ｎｍである。例えば、第２の放出層は、障壁層から拡散される第２の量の材料を有する。
装置はまた、第１の放出層を覆う、第１のキャビティ部材を含み、第１のキャビティ部材は、少なくとも１００μｍの長さ、および少なくとも０．５μｍの幅を特徴とし、かつ第１の波長で第１のレーザー光線を放出するように適合される。装置は、第２の放出層を覆う、第２のキャビティ部材を含み、第２のキャビティ部材は、少なくとも１００μｍの長さ、および少なくとも０．５μｍの幅を特徴とし、かつ第２の波長で第２のレーザー光線を放出するように適合される。装置は、出力領域を含み、そこで、第１のレーザー光線および第２のレーザー光線が組み合わされる。
用途に依って、活性領域は、ＩｎＰ材料、ＧａＡｓ材料、およびその他等の様々な種類の材料を含んでもよい。装置は、第１および第２のレーザー光線を組み合わせるための二色性コーティングを有する光学素子を有してもよい。特定の実施形態では、第１のキャビティ部材および第２のキャビティ部材は、ミラーエッジの共通の劈開面を共有し、それは、第１および第２のレーザー光線を組み合わせるように構成される。第１および第２のレーザー光線は、多くの色の組み合わせに関連することができる。例えば、第１の波長は、緑色に関連し、第２の波長は、青色に関連する。
レーザー装置は、様々な基板上で実行することができることを理解されたい。例えば、第１の結晶表面領域配向は、｛２０−２１｝もしくは｛２０−２−１｝平面であることができ、第１の結晶表面領域配向は、｛３０−３１｝もしくは｛３０−３−１｝平面、またはこれらの平面のオフカットであることもできる。レーザー装置はまた、活性領域を選択的に励起するために、表面リッジアーキテクチャ、埋設へテロ構造アーキテクチャ、および／または複数の金属電極等の他の構造を含んでもよい。例えば、活性領域は、第１および第２のガリウムおよび窒素含有クラッディング層と、第１のクラッディング層と第２のクラッディング層との間に位置付けられるインジウムおよびガリウム含有放出層とを備える。レーザー装置はさらに、ｎ型ガリウムおよび窒素含有材料、および該ｎ型ガリウムおよび窒素含有材料を覆うｎ型クラッディング材料を含んでもよい。
様々な実施形態では、異なる基板上に形成されるレーザーダイオードは、共にパッケージ化される。レーザーダイオードのパッケージ化を共有することによって、複数のレーザーダイオードを共に堅く嵌合することができるため、小さなデバイスアプリケーション（例えば、ピコプロジェクター）を産生することが可能であることを理解されたい。例えば、多色レーザーダイオードを有する光エンジンは、典型的に、表示用途におけるスペックルの量を低減することが可能である。加えて、典型的に、共有パッケージにより、より少ない光学素子が、レーザーダイオードからの組み合わされたレーザー光線出力に必要とされるため、共同パッケージ化されたレーザーダイオードは、しばしば、費用効率が高い。
例えば、共同パッケージ化されたレーザーは、ピコプロジェクター等の表示技術および他の用途における一部の光エンジンのために使用される。例えば、パッケージは、複数のレーザーダイオードを収容するように機能する、既製のレーザーダイオードパッケージ、または一部の特注設計されたパッケージであることができる。好ましい実施形態では、共同パッケージレーザーデバイスは、｛２０−２１｝もしくは｛２０−２−１｝、またはそのミスカット上で加工された緑色レーザー、｛２０−２１｝もしくは｛２０−２−１｝またはそのミスカット上で加工された青色レーザー、およびＡｌＩｎＧａＰから加工された赤色レーザーダイオードを使用して実行される。一実施形態では、共同パッケージレーザーデバイスは、｛２０−２１｝もしくは｛２０−２−１｝、またはそのミスカット上で加工された緑色レーザー、非極性ｍ−平面またはそのミスカット上で加工された青色レーザー、およびＡｌＩｎＧａＰから加工された赤色レーザーダイオードを使用して実行される。別の実施形態では、共同パッケージレーザーデバイスは、｛２０−２１｝もしくは｛２０−２−１｝、またはそのミスカット上で加工された緑色レーザー、極性ｃ−平面またはそのミスカット上で加工された青色レーザー、およびＡｌＩｎＧａＰから加工された赤色レーザーダイオードを使用して実行される。単なる一例として、青色放出では、関連する波長は、４２５〜４９０ｎｍを占め、緑色放出では、波長は、４９０ｎｍ〜５６０ｎｍに占め、赤色放出では、波長は、６００〜７００ｎｍを占める。
用途に依って、様々な組み合わせのレーザーダイオードの色を使用することができる。例えば、以下の組み合わせのレーザーダイオードが提供されるが、他の組み合わせも可能である。
-青色極性＋緑色非極性＋赤色＊ＡｌＩｎＧａＰ
-青色極性＋緑色半極性＋赤色＊ＡｌＩｎＧａＰ
-青色極性＋緑色極性＋赤色＊ＡｌＩｎＧａＰ
-青色半極性＋緑色非極性＋赤色＊ＡｌＩｎＧａＰ
-青色半極性＋緑色半極性＋赤色＊ＡｌＩｎＧａＰ
-青色半極性＋緑色極性＋赤色＊ＡｌＩｎＧａＰ
-青色非極性＋緑色非極性＋赤色＊ＡｌＩｎＧａＰ
-青色非極性＋緑色半極性＋赤色＊ＡｌＩｎＧａＰ
-青色非極性＋緑色極性＋赤色＊ＡｌＩｎＧａＰ
図３は、単一パッケージ内の共通の表面上に実装された共同パッケージ化された緑色および青色レーザーダイオードの図である。例えば、レーザー１は、青色（４２５〜４７０ｎｍ）または緑色（５１０〜５４５ｎｍ）の出力波長を生成することができ、レーザー２は、青色または緑色の出力波長を生成することができる。図３は、２つのレーザーのみを示すが、単一のチップ上に複数のレーザーが存在することができる。例えば、青色レーザーは、非極性、半極性、または極性ＧａＮ上で加工することができ、緑色レーザーは、非極性または半極性ＧａＮ上で加工することができる。
図４は、単一パッケージ内の共通の表面上に実装された共同パッケージ化された赤色、緑色、および青色レーザーダイオードの簡略図である。例えば、レーザー１は、青色（４２５〜４７０ｎｍ）または緑色（５１０〜５４５ｎｍ）の出力波長を生成することができ、レーザー２は、青色または緑色の出力波長を生成することができる。図４は、３つのレーザーのみを示すが、単一チップ上に複数のレーザーが存在することができる。青色レーザーは、非極性、半極性、または極性ＧａＮ上で加工することができ、緑色レーザーは、非極性または半極性ＧａＮ上で加工することができる。
一実施形態による、多色レーザーダイオードを有する共同パッケージ化されたレーザーデバイスが提供される。デバイスは、第１の表面を有する、後部部材を含む。例えば、後部部材は、複数のレーザーダイオードを実装するために提供される。
レーザーデバイスは、第１のレーザーダイオードを含む。第１のレーザーダイオードは、後部部材の第１の表面上に実装される、第１の基板を含み、第１の基板は、ガリウムおよび窒素材料を備え、かつ第１の結晶表面領域配向を有する。第１のレーザーダイオードはまた、第１の障壁層と第１の光放出層とを備える、第１の活性領域も含み、第１の光放出層は、第１の波長に関連する。第１のレーザーダイオードは、付加的に、第１の光放出層を覆う、第１のキャビティ部材を含み、第１のキャビティ部材は、少なくとも１００μｍの長さ、および少なくとも０．５μｍの幅を特徴とし、第１の表面を有し、かつ第１の波長で第１のレーザー光線を放出するように適合される。
本発明の実施形態によるパッケージ設計により、様々な種類のレーザーダイオードが使用されてもよいことを理解されたい。一実施形態では、第１の結晶表面領域配向は、極性である。別の実施形態による、第１の結晶表面領域配向は、非極性である。さらに別の実施形態では、第１の結晶表面領域配向は、半極性である。例えば、第１の結晶表面領域配向は、半極性であり、第１の波長は、緑色を特徴とする。
レーザーデバイスはまた、第２のレーザーダイオードも含む。第２のレーザーダイオードは、後部部材の第１の表面上に実装される、第２の基板を含み、第１の基板は、第２の結晶表面領域配向を有する。第２のレーザーダイオードはまた、第２の障壁層と第２の光放出層とを備える、第２の活性領域も含み、第２の光放出層は、第２の波長に関連し、第１の波長と第２の波長との間の差異は、少なくとも１０ｎｍである。第２のレーザーダイオードはさらに、第２の光放出層を覆う、第２のキャビティ部材を含み、第２のキャビティ部材は、少なくとも１００μｍの長さ、および少なくとも０．５μｍの幅を特徴とし、かつ第２の表面を有し、第１および第２の表面は、実質的に平行であり、第２のキャビティ部材は、第２の波長で第２のレーザー光線を放出するように適合される。
レーザーデバイスは、後部部材上に実装される多くのレーザーダイオードを有することができることを理解されたい。一実施形態による、レーザーデバイスは、後部部材の第１の表面上に実装される第３の基板を有する、第３のレーザーダイオードを含み、第３の基板は、第３の結晶表面領域配向を有する。第３レーザーダイオードは、第３の障壁層と第３の光放出層とを備える、第３の活性領域を含み、第３の光放出層は、第３の波長に関連する。第３レーザーダイオードはまた、第３の光放出層を覆う、第３のキャビティ部材も含み、第３のキャビティ部材は、少なくとも１００μｍの長さ、および少なくとも０．５μｍの幅を特徴とし、第２のキャビティ部材は、第３の表面を有し、第１および第３の表面は、実質的に平行であり、第３のキャビティ部材は、第３の波長で第３のレーザー光線を放出するように適合される。
様々な実施形態では、別個のサブマウント上に実装される、レーザーチップは、共有されたサブマウント上に共にパッケージ化される。図５は、本発明の一実施形態による、サブマウントを共有する２つのレーザーダイオードを図示する簡略図である。この図は、単なる一例であり、請求項の範囲を過度に制限してはならない。当業者は、多くの変化、代替、および修正を認識するであろう。図５に示されるように、レーザーチップ１およびレーザーチップ２はそれぞれ、それぞれのサブマウント上に実装され、これらの２つのサブマウントは、互いから分離される。示されるように、レーザーチップ１は、サブマウント５０１上に実装され、レーザーチップ２は、サブマウント５０２上に実装される。２つのサブマウント５０１および５０２は、大きいサブマウント５０３上に実装される。用途に依って、サブマウント５０１は、レーザーダイオード用のキャリアサブマウントまたはパッケージ表面であることができる。一例として、レーザー１は、青色（４２５〜４７５ｎｍ）または緑色（５０５〜５４５ｎｍ）の出力波長を生成するように構成され、レーザー２は、青色または緑色の出力波長を生成することができる。上述のように、他の色の組み合わせも可能である。加えて、図５に示される２つのレーザーが存在するが、単一チップ上に複数のレーザーが存在することができる。青色レーザーは、非極性、半極性、または極性ＧａＮ上で加工することができ、緑色レーザーは、非極性または半極性ＧａＮ上で加工することができる。好ましい実施形態では、レーザーチップの前面端は、同一方向で対向する。
「サブマウント」という用語、および「後部部材」という用語は、互換的に使用されることを理解されたい。後部部材またはサブマウントは、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ダイヤモンド、銅、または他の材料等の様々な種類の材料を備えてもよい。一例として、レーザーチップは、キャリアとして機能するサブマウント上に定置される。例えば、サブマウント５０１は、導電性であり、電源に連結されるキャリアとして使用することができる。サブマウントは、非導電性であることもできる。用途に依って、レーザーダイオードは、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＣｕＷ、組成ダイヤモンド、ＣＶＤダイヤモンド、銅、シリコン、または他の材料上で、ＡｕＳｎ等のはんだを使用することによって、サブマウントに取り付けることができる。
一例として、サブマウント５０１および５０２は、ＡｕＳｎ、インジウム、共晶鉛すず（３６／６４）、およびＳＡＣ（すず−銀−銅９４／４．５／０．５）等のはんだ付け材料を使用する等の様々な方法で、サブマウント５０３に取り付けられる。はんだ付け材料は、様々な方法または工程を使用して被着することができる。サブマウント５０３は、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＣｕＷ、組成ダイヤモンド、ＣＶＤダイヤモンド、銅、シリコン、または他の材料等の異なる種類の材料から作製することができる。
レーザーダイオードは、様々な目的および／または用途用に異なる方法でパッケージ化することができる。例えば、ＲＧＢモジュールが様々な新規設計を有することが予想されるため、多くの特注型パッケージを使用することができる。ＴＯヘッダー、Ｃマウント、バタフライボックス、ＣＳ、マイクロチャネルクーラー等の従来の形状要素をパッケージに組み込むことができる。
図６は、本発明の一実施形態による、共同パッケージ化された赤色、青色、および緑色レーザーデバイスを図示する図である。この図は、単なる一例であり、請求項の範囲を過度に制限してはならない。当業者は、多くの変化、代替、および修正を認識するであろう。赤色、緑色、青色レーザーダイオードはそれぞれ、それぞれの別個のサブマウントまたはキャリア上に実装され、これらのサブマウントまたはキャリアは、第２のサブマウントもしくはキャリア上、または単一パッケージ内の共通の表面上に実装される。単なる一例として、レーザー１は、青色（４２５〜４７５ｎｍ）または緑色（５０５〜５４５ｎｍ）の出力波長を生成することができ、レーザー２は、青色または緑色の出力波長を生成することができる。レーザー３は、赤色の出力波長を生成するように構成することができる。共同パッケージ化されたデバイスは、付加的なレーザーダイオードも含み得ることを理解されたい。
図７〜９は、１つまたは複数の実装構造を共有するレーザーダイオードを図示する図である。これらの図は、単なる例であり、それは、請求項の範囲を過度に制限してはならない。当業者は多くの変化、代替、および修正を認識するであろう。図７に示されるように、緑色および青色レーザーダイオードは、共にパッケージ化される。より具体的には、レーザーダイオード１および２は、レーザーチップ１上にモノシリックに集積され、サブマウント７０１上に実装される。レーザーダイオード３は、レーザーチップ２上にあり、サブマウント７０２上に実装される。サブマウント７０１および７０２は、キャリアであることができるか、または単一パッケージ内の共通の表面上にある、サブマウント７０３上に実装される。レーザーダイオード１は、青色（４２５〜４７５ｎｍ）または緑色（５０５〜５４５ｎｍ）の出力波長を生成することができ、レーザー２は、青色または緑色の出力波長を生成することができる。一例として、青色および緑色レーザーは、非極性または半極性ＧａＮ上で加工することができる。他の組み合わせも可能であることを理解されたい。例えば、レーザーダイオード１およびレーザーダイオード２の両方は、緑色もしくは青色、または他の色であることができる。
図８は、共同パッケージ化された赤色、緑色、および青色レーザーダイオードの一例を提供する。レーザーチップ１および２は、サブマウント７０１を共有する。レーザーチップ３は、サブマウント７０１から分離される、サブマウント７０２上にある。次いで、サブマウント７０１および７０２は、キャリアであることができるか、または単一パッケージ内の共通の表面上にある、サブマウント７０３上に実装される。一例として、レーザーダイオード１は、青色（４２５〜４７５ｎｍ）または緑色（５０５〜５４５ｎｍ）の出力波長を生成することができ、レーザー２は、青色または緑色の出力波長を生成することができる。他の色の組み合わせも可能である。図８は、サブマウント７０１上の２つのレーザーダイオードのみを示すが、単一チップ上に多くのレーザーダイオードが存在することができる。青色レーザーは、非極性、半極性、または極性ＧａＮ上で加工することができ、緑色レーザーは、非極性または半極性ＧａＮ上で加工することができる。
図９は、共同パッケージ化された赤色、緑色、および青色レーザーダイオードの一例を提供する。図９に示されるように、光学出力光線は、光線コンバイナ部材または構造を使用して、共通の光線内で平行にされる。これは、単なる一例であり、レーザーは、多くの考えられる構造内に配置することができ、光線コンバイナは、ダイクロイックミラー、ボールレンズ、またはこれらおよびその他のいくつかの組み合わせ等の構成要素から成ることができる。
レーザーデバイスは、レーザー光線を組み合わせるための、１つまたは複数の光学部材を含んでもよい。一実施形態では、レーザーデバイスは、複数の偏光光学素子を含む。別の実施形態では、第１および第２のレーザー光線を組み合わせるための光学部材は、出力領域にある。
上記に説明されるように、本発明の実施形態による様々な組み合わせのレーザーダイオードが提供され、それは、以下のとおり列挙される：
１．第１の結晶表面領域配向は、半極性であり、第２の結晶表面領域配向は、非極性である；
２．第１の結晶表面領域配向は、半極性であり、第２の結晶表面領域配向は、極性である。
３．第１の結晶表面領域配向は、極性であり、第２の結晶表面領域配向は、非極性である。
４．第１の光放出層は、ＡｌＩｎＧａＰ材料を備え、第１の波長は、赤色を特徴とする。
５．第１の光放出層は、ＡｌＩｎＧａＰ材料を備え、第１の波長は、赤色を特徴とし、第２の結晶表面領域配向は、非極性であり、第２の波長は、緑色を特徴とする。
６．第１の光放出層は、ＡｌＩｎＧａＰ材料を備え、第１の波長は、赤色を特徴とし、第２の結晶表面領域配向は、非極性であり、第２の波長は、青色を特徴とする。
７．第１の光放出層は、ＡｌＩｎＧａＰ材料を備え、第１の波長は、赤色を特徴とし、第２の結晶表面領域配向は、半極性であり、第２の波長は、青色を特徴とする。
８．第１の光放出層 は、ＡｌＩｎＧａＰ材料を備え、第１の波長は、赤色を特徴とし、第２の結晶表面領域配向は、半極性であり、第２の波長は、緑色を特徴とする。
共同パッケージ化されたレーザーデバイスは、レーザーダイオードの部品であることができる、付加的な構造を含んでもよい。例えば、１つまたは複数のレーザーダイオードは、活性領域を選択的に励起するために、表面リッジアーキテクチャ、埋設へテロ構造アーキテクチャ、および／または複数の金属電極を含んでもよい。
上記は、特定の実施形態の完全な記載であるが、様々な修正、代替的構成、等価物が使用されてもよい。したがって、上記の記載および図は、付属の請求項によって画定される本発明の範囲を制限すると理解されてはならない。

Claims (10)

  1. ｛２０−２１｝平面配向を有する、ガリウムおよび窒素含有結晶表面領域と、 前記ガリウムおよび窒素含有結晶表面領域上に形成された活性領域であって、前記活性領域が、少なくとも２つの量子井戸領域を備え、かつ障壁層と、単一の光放出層とを含み、前記光放出層が、発光波長勾配を特徴とし、前記発光波長勾配が、少なくとも５ｎｍの偏差を有する、活性領域と、 前記単一の光放出層の第１の部分に設けられ、かつ｛２０−２１｝平面配向に対して実質的にｃ方向に向く、第１のストライプ部材であって、前記単一の光放出層の前記第１の部分が、第１の波長に関連し、かつ前記第１の波長で青色に関連する第１のレーザー光線を放出するように適合される、第１のストライプ部材と、 前記単一の光放出層の第２の部分に設けられ、かつ｛２０−２１｝平面配向に対して実質的にｃ方向に向く、第２のストライプ部材であって、前記単一の光放出層の前記第２の部分が、第２の波長に関連し、前記第１の波長と前記第２の波長との間の差異が、少なくとも５ｎｍであり、かつ前記第２の波長で緑色に関連する第２のレーザー光線を放出するように適合される、第２のストライプ部材と、 出力領域とを備え、 前記第１のストライプ部材が、第１の端と第２の端を備え、 前記第２のストライプ部材が、第１の端と第２の端を備え、 前記第１のストライプ部材の前記第１の端と前記第２のストライプ部材の前記第１の端が、鏡面を有し、かつ第１の共通の面を共有し、 前記第１のストライプ部材の前記第２の端と前記第２のストライプ部材の前記第２の端が、第２の共通の面を共有する、 光学デバイス。
  2. 前記光学デバイスはｎ型クラッディング領域をさらに備え、前記ｎ型クラッディング領域は前記ガリウムおよび窒素含有結晶表面領域上に形成され、前記活性領域は前記ｎ型クラッディング領域上に形成される、請求項１に記載のデバイス。
  3. 前記第１の共通の面が、第１の劈開面を備え、 前記第２の共通の面が、第２の劈開面を備える、 請求項１に記載のデバイス。
  4. 第１の表面を有する第１の部材であって、非導電性である、第１の部材と、 前記第１の部材の前記第１の表面上に実装された第１のサブマウントと、 前記第１のサブマウント上に実装された第１の基板であって、前記第１の基板がガリウム及び窒素含有材料を備え、前記第１のガリウム及び窒素含有材料が第１の結晶表面領域と、下部に金属裏面接触領域とを有し、前記第１の結晶表面領域が、｛２０−２１｝平面、｛２０−２−１｝平面、｛３０−３１｝平面、｛３０−３−１｝平面、またはこれらの平面のうちの一つのオフカットから選択される平面配向を有し、前記金属裏面接触領域が、前記第１のサブマウントに連結される、第１の基板と、 前記第１の結晶表面領域上に形成された第１の活性領域であって、前記ガリウム及び窒素含有材料が、前記第１の活性領域と前記金属裏面接触領域との間に位置し、前記第１の活性領域が、少なくとも２つの量子井戸領域を備え、かつ障壁層と、単一の光放出層とを含み、前記単一の光放出層が、発光波長勾配によって特徴付けられる、第１の活性領域と、 前記単一の光放出層の第１の部分上に設けられ、かつ前記平面配向に対して実質的にｃ方向に向く、第１のストライプ部材であって、前記単一の光放出層の前記第１の部分が、青色を特徴とする前記第１の波長で第１のレーザー光線を放出するように適合される、第１のストライプ部材と、 前記単一の光放出層の第２の部分上に設けられ、かつ前記平面配向に対して実質的にｃ方向に向く、第２のストライプ部材であって、前記単一の光放出層の前記第２の部分が、緑色を特徴とする前記第２の波長で第２のレーザー光線を放出するように適合される、第２のストライプ部材と、 前記第１および第２のレーザー光線を組み合わせて、単一レーザー光線にするための光学部材を備える出力領域と、を備える、光学デバイス。
  5. 前記第１の波長が、約４２０ｎｍ〜４９０ｎｍであり、
    前記第２の波長が、約４９０ｎｍ〜５６０ｎｍである、
    請求項４に記載のデバイス。
  6. 前記第１の部材の前記第１の表面上に実装された第２の基板であって、第２の結晶表面領域を有する、第２の基板と、
    障壁層と光放出層とを備え、前記第２の結晶表面領域上に形成された第２の活性領域であって、前記光放出層が、ＡｌＩｎＧａＰ含有材料を備え、かつ赤色を特徴とする第３の波長に関連する、第３の活性領域と、
    前記光放出層上に設けられた第３のストライプ部材であって、前記光放出層が、前記第３の波長で第３のレーザー光線を放出するように適合される、第３のストライプ部材と、
    をさらに備える、請求項４に記載のデバイス。
  7. 前記光学部材が、前記第１および前記第２のレーザー光線を組み合わせるための二色性コーティングを有する光学素子を複数備える、請求項４に記載のデバイス。
  8. 前記第１の部材の前記第１の表面に連結される、第２のサブマウントと、
    前記第２のサブマウント上に実装された第２の基板であって、前記第２の基板は、障壁層と光放出層とを備える第２の活性領域を備え、前記光放出層は第３の波長に関連する、第２の基板と、
    前記光放出層上に設けられた第３のストライプ部材であって、前記光放出層が、前記第３の波長で第３のレーザー光線を放出するように適合される、第３のストライプ部材と、
    をさらに備える、請求項４に記載のデバイス。
  9. 前記第１の金属裏面接触領域が、ｎ型金属裏面接触領域を備える、請求項４に記載のデバイス。
  10. 前記平面配向が、｛２０−２１｝平面の＋／−８°以内である、請求項４に記載のデバイス。
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