在{20-21}含镓和氮的衬底上的低压激光二极管制造技术

一种低压激光器件，所述低压激光器件具有为一种或多种选择波长的光发射而构造的有源区域。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及光学器件(光学装置)和相关方法。特别地，本专利技术提供用于使用非极性或半极性的含镓衬底如GaN、AIN、InN, InGaN, AlGaN和AlInGaN等来发射电磁辐射的方法和器件(装置)。更特别地，本专利技术提供使用在{20-21}族平面或{20-21}族平面朝向c面和/或朝向a面的斜切(off-cut)上构造的含镓和氮的衬底的方法和器件。还更特别地，本专利技术提供使用含镓和氮的物质的低压激光器件。仅通过举例说明，本专利技术可应用于光 学器件、激光器、发光二极管、太阳能电池、光电化学水裂解和氢产生器、光检测器、集成电路和晶体管，连同其他器件一起。
技术介绍
在19世纪晚期，托马斯爱迪生专利技术了灯泡。对于包括照明设备和显示器的各种应用，通常称作“爱迪生灯泡”的常规灯泡已经使用了超过一百年。常规灯泡使用封闭在玻璃灯泡中的钨丝，所述玻璃灯泡密封在基底中，所述基底螺旋到插座中。所述插座与AC电源或DC电源耦接。常规灯泡通常可用于房屋、建筑物和户外照明设备以及需要光或显示器的其他领域中。遗憾的是，常规爱迪生灯泡存在缺点。常规灯泡散逸大于90%的其接收的电能以作为热能。而且，因为常规灯泡通常因丝元件的热膨胀和收缩而失效，所以可靠性是个问题。另外，灯泡在广谱内发光，由于人眼的光谱灵敏度，所述广谱的大部分并不导致明亮的照明。另外，灯泡在所有方向上发光，且由此对于需要强定向性或聚焦的应用如投影显示、光学数据储存或专用定向照明不是理想的。在1960 年，首先由马里布的 Hughes Research Laboratories 的 TheodoreH.Maiman证明了激光。这种激光利用固态闪光灯泵浦合成红宝石晶体以在694nm处产生红色激光。到1964年，利用称作氩离子激光器的气体激光器设计，由Hughes Aircraft的William Bridges证明了蓝色和绿色激光输出。Ar离子激光器使用稀有气体(惰性气体)作为活性介质且在包括 351nm、454. 6nm、457. 9nm、465. 8nm、476. 5nm、488. 0nm、496. 5nm、501. 7nm、514. 5nm和528. 7nm的UV、蓝色和绿色波长中产生激光输出。Ar离子激光器具有以窄光谱输出产生高度定向和聚焦的光的优势，但是电光转换效率(壁式插头效率，壁式插座效率，功率转换效率，wall plug efficiency)小于O. I %,且激光器的尺寸、重量和成本也是不期望的。随着激光器技术的发展，对于红色和红外波长开发了更加有效的灯泵浦固态激光器设计，但是这些技术仍然存在对蓝色和绿色和蓝色激光器的挑战。结果，在红外线中开发了灯泵浦固态激光器，且使用具有非线性光学性能的专用晶体将输出波长转换至可见光。绿色灯泵浦固态激光器具有3个阶段电驱动灯，灯激发在1064nm处产生激光的增益晶体，1064nm进入到转换为可见的532nm的频率转换晶体。所得的绿色和蓝色激光器被称作“具有第二谐波产生的灯泵浦固态激光器”(具有SHG的LPSS)，其壁式插座效率为 1%，且比Ar离子气体激光器更加有效率，但是对于专用科学和医疗应用之外的宽配置仍然是效率太低、大、昂贵、易碎。另外，用于固态激光器中的增益晶体典型地具有使得激光器难以以高速调整的能量储存性能，这限制了其更宽的配置。为了提高这些可见激光器的效率，利用高功率二极管(或半导体)激光器。这些“具有SHG的二极管泵浦固态二极管”(具有SHG的DPSS)具有三个阶段电驱动808nm 二极管激光器，808nm激发在1064nm处产生激光的增益晶体，1064nm进入到转换为可见的532nm的频率转换晶体。DPSS激光器技术延长了 LPSS激光器的寿命并将其电光转换效率提高5-10%，并且进一步商业化，接着产生更高的终端专用工业、医疗和科学应用。然而，对二极管泵浦的变化提高了系统成本并需要精确的温度控制，从而尽管未提出使得激光器难以以高速调整的能量储存性能，但是留下具有大的尺寸、功率消耗的激光器。随着高功率激光二极管的发展和新型专用SHG晶体的开发，变得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“直接倍频二极管激光器”或SHG二极管激光器具有2个阶段电驱动1064nm半导体激光器，1064nm进入到转换为可见的532nm绿光的频率转换晶体。与DPSS-SHG激光器相比，这些激光器设计旨在改善效率、成本和尺寸，但是当今，所需要的专用二极管和晶体使得这具有挑战。另外，尽管二极管-SHG激光器具有可直接调整的优势，但是它们遭受对限制其应用的温度的严重灵敏性之害。根据上文，可以看出，用于改善光学器件的技术是高度期望的。
技术实现思路
本专利技术涉及光学器件和相关方法。特别地，本专利技术提供使用非极性或半极性的含镓衬底如GaN、AIN、InN, InGaN, AlGaN和AlInGaN等来发射电磁辐射的方法和器件。更特别地，本专利技术提供使用在{20-21}族平面或{20-21}族平面朝向c面和/或朝向a面的斜切上构造的含镓和氮的衬底的方法和器件。还更特别地，本专利技术提供使用含镓和氮的物质的低压激光器件。仅通过举例说明，本专利技术可应用于光学器件、激光器、发光二极管、太阳能电池、光电化学水裂解和氢产生器、光检测器、集成电路和晶体管，连同其他器件一起。在优选的实施方式中,本专利技术提供了不具有含招包覆区域(cladding region)的激光器结构。在一个具体实施方式中，所述激光器件包括具有薄势垒层的多量子阱有源区域，其中所述有源区域包括三个以上量子阱结构。在每个量子阱结构之间是薄势垒层，例如8nm以下、7nm以下、6nm以下、5nm以下、4nm以下、3nm以下、2nm以下、I. 5nm以下。在一个优选的实施方式中，在多量子阱结构中构造的薄势垒层的组合使得低压(例如7伏以下，6伏以下)激光二极管能够不使用含铝包覆区域。在一个实施方式中，光学器件具有包含{20-21}结晶表面区域取向的含镓和氮的衬底，其可以是斜切的。根据一个具体实施方式，所述器件优选具有覆盖η型含镓和氮的材料的η型包覆材料(覆层材料,cladding material)。所述η型包覆材料基本上不含含招材料。所述器件还具有包含至少三个量子阱的有源区域。所述量子阱中的每一个具有2. 5nm以上或3. 5nm以上的厚度和一个或多个势垒层。根据一个具体实施方式，所述势垒层中的每一个具有约2nm至约4nm或约3nm至约6. 5nm的厚度且被构造在一对量子讲之间。根据一个具体实施方式，所述势鱼层中的至少一个或每一个具有约2nm至约4nm的厚度且被构造在一对量子阱之间或者被构造为与一个量子阱邻接。根据一个具体实施方式，所述势垒层中的至少一个或每一个具有约3nm至约6. 5nm的厚度且被构造在一对量子阱之间或者被构造为与一个量子阱邻接。优选地，所述器件具有覆盖所述有源区域的P型包覆材料。优选地，根据一个具体实施方式，所述P型包覆材料基本上不含含铝材料。在一个优选的实施方式中，对于用于输出功率为60mW以上的器件的小于约7V或小于约6V的正向电压，可操作性地构造所述有源区域。在又一个可替换的实施方式中，本专利技术提供了一种光学器件(光学装置)。所述器件具有含镓和氮的衬底，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·W·拉林，马修·施密特，克里斯托弗·波布伦斯，
申请(专利权)人：天空公司，
类型：发明
国别省市：