(57)【要約】      （修正有）【課題】無極性ガリウム含有基板または半極性ガリウム含有基板（例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、Ａ１ＧａＮ、およびＡｌＩｎＧａＮ）を用いた、高出力で電磁放射を出射するための方法および素子を提供する。【解決手段】レーザー素子は、緑色レーザー光または青色レーザー光を出射する複数のレーザーエミッタを含む。これらのレーザーエミッタからの放射を光学的に組み合わせるように、少なくとも１つの光学部材が基板に統合されて配置される。【選択図】図９
2012164981.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー素子であって、
ガリウムおよび窒素材料を含む基板、当該基板は、半極性配向または無極性配向によって特徴付けられる表面領域を有し、また当該基板は、前側および後側を有する、と、
前記基板内に配置された少なくとも１つの活性領域と、
前記活性領域上に形成されたＮ個のエミッタのアレイ、ここで、Ｎは３よりも多く、前記Ｎ個のエミッタのアレイは、実質的に互いに平行であり、前記前側と前記後側との間に配置され、前記Ｎ個のエミッタはそれぞれ、前記前側で放射を出射するように構成され、前記Ｎ個のエミッタのアレイは、青色波長または緑色波長と関連し、前記Ｎ個のエミッタのアレイは、平均動作電力が少なくとも２５ｍＷであり、前記Ｎ個のエミッタはそれぞれ、長さおよび幅によって特徴付けられ、当該長さは少なくとも４００ｕｍであり、当該幅は少なくとも１ｕｍである、と、
前記Ｎ個のエミッタのアレイに電気的に接続された少なくとも１つの電極と、
前記エミッタからの放射を光学的に組み合わせるように、前記基板の前記前側に配置された少なくとも１つの光学部材と、
を備える、レーザー素子。
【請求項２】
前記レーザー素子は、少なくとも１５０，０００ｐｐｍｖの酸素ガスを含む環境において動作可能であり、
前記レーザー素子は、前記酸素ガスからの経時的効率低下が実質的に無い、
請求項１に記載のレーザー素子。
【請求項３】
前記レーザー素子は、ＡｌＧａＮクラッドまたはＩｎＡｌＧａＮクラッドを実質的に含まず、
前記エミッタはそれぞれ、前ファセットおよび後ファセットを含み、当該前ファセットには実質的にコーティングが施されていない、
請求項１に記載のレーザー素子。
【請求項４】
前記基板に熱的に結合した微細通路クーラーと、
サブマウント、当該サブマウントは、前記基板およびヒートシンクに関連付けられた熱膨張係数（ＣＴＥ）によって特徴付けられる、と
をさらに備える請求項１に記載のレーザー素子。
【請求項５】
前記基板に接続されたサブマウントをさらに備え、当該サブマウントは、窒化アルミニウム、ＢｅＯ、ダイヤモンド、複合ダイヤモンド、またはこれらの組み合わせの少なくとも１つを含む材料によって構成される、
請求項１に記載のレーザー素子。
【請求項６】
前記基板はサブマウント上に接着され、前記サブマウントは、熱伝導性が少なくとも２００Ｗ／（ｍｋ）である点によって特徴付けられる、
請求項１に記載のレーザー素子。
【請求項７】
前記基板は、少なくとも１つのクラッド領域を含む、
請求項１に記載のレーザー素子。
【請求項８】
前記少なくとも１つの光学部材は、速軸コリメートレンズを含む、
請求項１に記載のレーザー素子。
【請求項９】
前記レーザー素子は、スペクトル幅が少なくとも４ｎｍである点によって特徴付けられ、Ｎは３〜５０である、
請求項１に記載のレーザー素子。
【請求項１０】
前記Ｎ個のエミッタそれぞれの平均出力は２５〜１０００ｍＷである、
請求項１に記載のレーザー素子。
【請求項１１】
前記Ｎ個のエミッタそれぞれの平均出力は１Ｗよりも高い、
請求項１に記載の素子。
【請求項１２】
前記Ｎ個のエミッタは、それぞれ３ｕｍ〜３００ｕｍの間隔を空けて配置される、
請求項１に記載の素子。
【請求項１３】
レーザー素子であって、
ガリウムおよび窒素材料を含む基板、当該基板は、半極性配向または無極性配向によって特徴付けられる表面領域を有し、当該基板は前側および後側を有する、と、
前記基板内に配置された少なくとも１つの活性領域と、
前記少なくとも１つの活性領域上に形成されたＮ個のエミッタのアレイ、ここで、Ｎは３よりも多く、当該Ｎ個のエミッタのアレイは、実質的に互いに平行であり、前記前側と前記後側との間に配置され、当該Ｎ個のエミッタはそれぞれ、前記前側で放射を出射するように構成され、当該Ｎ個のエミッタのアレイは、青色波長または緑色波長と相関し、当該Ｎ個のエミッタのアレイは、平均動作電力が少なくとも２５ｍＷである点によって特徴付けられ、当該Ｎ個のエミッタはそれぞれ、長さおよび幅によって特徴付けられ、当該長さは少なくとも４００ｕｍであり、当該幅は少なくとも１ｕｍである、と、
前記Ｎ個のエミッタのアレイに電気的に接続された少なくとも１つの電極と、
前記エミッタからの放射を光学的にコリメートするように、前記基板の前記前側に配置された少なくとも１つの光学部材と、
第１の基板に熱的に結合したヒートシンクと、
を備える、レーザー素子。
【請求項１４】
前記第１の基板上に積層された第２の基板をさらに備える、
請求項１３に記載のレーザー素子。
【請求項１５】
前記第１の基板の側部に積層された第２の基板をさらに備える、
請求項１３に記載の素子。
【請求項１６】
レーザー素子であって、
ガリウムおよび窒素材料を含む基板、当該基板は、半極性配向または無極性配向によって特徴付けられる表面領域を有し、当該基板は上側および下側を有する、と、
前記第１の基板の上側の近傍に配置されたＮ個の活性領域、ここで、Ｎは３よりも多く、前記活性領域はそれぞれ、ｐ型と関連付けられたドープ領域を含む、と、
前記ドープ領域上に形成されたＮ個のエミッタのアレイ、当該Ｎ個のエミッタのアレイは、実質的に互いに平行であり、当該Ｎ個のエミッタはそれぞれ、前記前側で放射を出射するように構成され、当該Ｎ個のエミッタのアレイは、平均動作電力が少なくとも２５ｍＷである点によって特徴付けられ、当該Ｎ個のエミッタはそれぞれ、長さおよび幅によって特徴付けられ、当該長さは少なくとも４００ｕｍであり、当該幅は少なくとも１ｕｍである、と、
前記Ｎ個のエミッタのアレイに電気的に接続された少なくとも１つの電極と、
前記エミッタからの放射を光学的にコリメートするように、前記基板の前記前側に配置された少なくとも１つの光学部材と、
熱放射率が少なくとも０．６である点によって特徴付けられたサブマウントと、
を備える、レーザー素子。
【請求項１７】
前記サブマウントは、ダイヤモンド材料または銅タングステン合金材料または酸化ベリリウム材料を含む、
請求項１６に記載のレーザー素子。
【請求項１８】
前記表面領域は、｛１１−２２｝面、｛２０−２１｝面、または｛３０−３１｝面によって、あるいはこれらの面から＋／−５度内にある面によって特徴付けられる、
請求項１６に記載のレーザー素子。
【請求項１９】
前記サブマウントは、前記基板の前記上側に直接接続される、
請求項１６に記載のレーザー素子。
【請求項２０】
前記サブマウントは、前記基板の前記下側に直接接続される、
請求項１６に記載のレーザー素子。
【請求項２１】
前記サブマウントは、前記Ｎ個のエミッタのアレイに直接接続され、
前記少なくとも１つの光学部材は、コリメートレンズを含む、
請求項１６に記載のレーザー素子。
【請求項２２】
前記レーザー素子の出力波長は、約５０５〜５５０ｎｍ、または４２５〜４７５ｎｍである点によって特徴付けられる、
請求項１６に記載のレーザー素子。
【請求項２３】
前記サブマウントに熱的に結合したヒートシンクをさらに備える、
請求項１６に記載のレーザー素子。
【請求項２４】
前記レーザー素子は、ピーク壁コンセント効率が少なくとも２５％である点によって特徴付けられ、
前記Ｎ個の活性領域内に配置された少なくとも１つの量子井戸をさらに含む、
請求項１６に記載のレーザー素子。
【請求項２５】
レーザー素子であって、
前側および後側を有する基板と、
前記基板内に配置された少なくとも１つの活性領域と、
前記活性領域上に形成されたＮ個のエミッタのアレイ、ここで、Ｎは３よりも多く、当該Ｎ個のエミッタのアレイは、実質的に互いに平行であり、前記前側と前記後側との間に配置され、当該Ｎ個のエミッタはそれぞれ、前記前側で放射を出射するように構成され、当該Ｎ個のエミッタのアレイは、青色波長または緑色波長と関連し、当該Ｎ個のエミッタのアレイは、平均動作電力によって特徴付けられ、当該Ｎ個のエミッタはそれぞれ、長さおよび幅によって特徴付けられる、と、
前記Ｎ個のエミッタのアレイに電気的に接続された少なくとも１つの電極と、
前記エミッタからの放射を光学的に組み合わせるように、前記基板の前側に配置された少なくとも１つの光学部材と、
を備える、レーザー素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国仮出願６１／４３５，５７８号（出願日：２０１１年１月２４日（ドケット番号０２７３６４−０１３６００ＵＳ））に対する優先権を主張する。ここに、同文献を全目的のために援用する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、光学素子および関連方法に関する。より詳細には、本発明は、無極性ガリウム含有基板または半極性ガリウム含有基板（例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、Ａ１ＧａＮ、およびＡｌＩｎＧａＮ）などを用いて電磁放射を出射する方法および素子を提供する。多様な実施形態において、レーザー素子。
【０００３】
１８００年代後半において、トーマスエジソンが電球を発明した。従来の電球は「エジソン電球」と呼ばれ、百年を超える期間にわたって多様な用途（例えば、照明およびディスプレイ）に利用されてきた。従来の電球では、タングステンフィラメントがガラス球中に封入され、ガラス球がベースにより密封され、ベースがソケットにねじ込まれる。ソケットは、ＡＣ電源またはＤＣ電源に接続される。従来の電球は、広く家庭、建物および屋外照明、ならびに他の照明またはディスプレイを必要とするエリアでみることができる。従来のエジソン電球の場合、残念なことに以下のような欠陥が存在する。
・従来の電球によって利用されるエネルギーのうち約９０％を超えるエネルギーが、熱として消散される。
・従来の電球では、フィラメント部材の熱膨張および熱収縮に起因して故障することが多い。
・従来の電球は、広範なスペクトルに渡って発光し、このようなスペクトルのうちほとんどは、ヒトの目には知覚できない。
・従来の電球は全方向に発光し、高い指向性または集束（例えば、投写型ディスプレー、光学データ保存装置など）を必要とする用途には不向きである。
【０００４】
１９６０年、レーザーがＴｈｅｏｄｏｒｅ  Ｈ．  Ｍａｉｍａｎ（Ｈｕｇｈｅｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ、Ｍａｌｉｂｕ）によって初めて実証された。このレーザーでは、固体フラッシュランプ励起合成ルビー結晶を用いて、６９４ｎｍの赤色レーザー光を生成した。１９６４年までには、アルゴンイオンレーザーと呼ばれるガスレーザー設計を用いた青色レーザー出力および緑色レーザー出力が、Ｗｉｌｌｉａｍ  Ｂｒｉｄｇｅｓ（Ｈｕｇｈｅｓ  Ａｉｒｃｒａｆｔ）によって実証された。このＡｒ−ｉｏｎレーザーの場合、活性媒体として希ガスを用いており、ＵＶ波長、青色波長および緑色波長（例えば、３５１ｎｍ、４５４．６ｎｍ、４５７．９ｎｍ、４６５．８ｎｍ、４７６．５ｎｍ、４８８．０ｎｍ、４９６．５ｎｍ、５０１．７ｎｍ、５１４．５ｎｍ、および５２８．７ｎｍ）のレーザー光出力を発生させる。前記Ａｒ−ｉｏｎレーザーの利点として、高指向性および高集束性の光を狭スペクトル出力で発生させることが可能な点がある。しかし、レーザーの効率、サイズ、重量およびコストは望ましいものではない。
【０００５】
レーザー技術の発展と共に、より効率的な赤色波長および赤外波長用のランプ励起固体レーザー設計が開発されたが、これらの技術においても、緑青色レーザーおよび青色レーザーにおいて問題が残っている。そのため、ランプ励起固体レーザーにより赤外線が生成され、非線形の光学特性を有する特殊結晶を用いて出力波長が可視波長に変換させていた。緑色ランプ励起固体レーザーは、以下の３段階を有する：すなわち、電力がランプに供給されると、ランプは利得結晶を励起し、前記利得結晶は１０６４ｎｍにおいてレーザー出力し、１０６４ｎｍは周波数変換結晶を通り、可視５３２ｎｍへと変換される。その結果得られた緑色レーザーおよび青色レーザーは、「第二高調波発生型ランプ励起固体レーザー」（ＬＰＳＳ  ｗｉｔｈ  ＳＨＧ）と呼ばれ、Ａｒ−ｉｏｎガスレーザーよりも高効率ではある。それでも、特殊な科学用途および医療用途以外の広範囲の利用を実現するには効率、大きさおよび脆弱性の上で問題がある。その上、固体レーザーにおいて用いられる利得結晶は典型的にはエネルギー保存特性を有しているため、レーザー変調を高速で行うのが困難であり、そのため広範な利用が限られている。
【０００６】
これらの可視レーザーの効率を向上させるため、高出力のダイオード（または半導体）レーザーが利用された。これらの「ＳＨＧ型ダイオード励起固体レーザー」（ＤＰＳＳ  ｗｉｔｈ  ＳＨＧ）では、以下の３段階が用いられる：すなわち、電力が８０８ｎｍダイオードレーザーに供給されると、８０８ｎｍが利得結晶を励起し、この利得結晶が１０６４ｎｍのレーザーを発生させ、１０６４ｎｍが周波数変換結晶を通り、可視光５３２ｎｍへと変換される。このＤＰＳＳレーザー技術は、ＬＰＳＳレーザーの長寿命化および高効率化を実現し、さらなる商用化により、ハイエンドの特殊な産業用途、医療用途および科学用途に繋がった。しかし、ダイオード励起への変更に起因して、システムコストが上昇し、温度制御の高精度化も必要となり、レーザーのサイズおよび電力消費が増大した。よって、上記の技術においても、エネルギー保存問題に対応できておらず、レーザーの高速変調が困難となっている。
【０００７】
高出力レーザーダイオードの発展および新規の特殊ＳＨＧ結晶の発展と共に、赤外ダイオードレーザー出力を直接変換して青色レーザー光出力および緑色レーザー光出力を得ることが可能となっている。これらの「直接二倍型ダイオードレーザー」またはＳＨＧダイオードレーザーでは、以下の２段階が用いられる：すなわち、電力が１０６４ｎｍ半導体レーザーに供給され、１０６４ｎｍが周波数変換結晶を通り、周波数変換結晶が可視５３２ｎｍ緑色光に変換する。これらのレーザー設計は、効率、コストおよびサイズをＤＰＳＳ−ＳＨＧレーザーよりも向上させることを意図したものであるものの、特殊なダイオードおよび結晶に起因して、この意図の実現が困難となっている。その上、ダイオード−ＳＨＧレーザーの場合、直接変調という利点はあるものの、温度への感度が高いため、用途が限定されてしまう。
【０００８】
高出力直接型ダイオードレーザーは数十年間存在しており、初期の形態はＧａＡｓ材料系に基づいたレーザーダイオードであったが、その後ＡｌＧａＡｓＰ材料系およびＩｎＰ材料系へと移行した。より近年では、短波長可視レジームにおいて動作するＧａＮ高出力レーザーが注目されている。より詳細には、紫色レジーム、青色レジームおよび最終的には緑色レジームで動作するレーザーダイオードが、光記憶システム、表示システムなどの用途で注目を集めている。現在、これらの波長レジームにおいて動作する高出力レーザーダイオードは、極性ｃ面ＧａＮに基づいている。従来の極性ＧａＮレーザーダイオードの場合、用途は多数あるものの、残念なことに、素子性能が不十分である場合が多い。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、無極性ガリウム含有基板または半極性ガリウム含有基板（例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、Ａ１ＧａＮ、およびＡｌＩｎＧａＮなど）を用いて、高出力で電磁放射を出射するための方法および素子を提供する。多様な実施形態において、レーザー素子は、複数のレーザーエミッタを含む。このレーザーエミッタは、緑色レーザーまたは青色レーザーを出射し、基板上に一体化される。
【００１０】
特定の実施形態において、本発明は、レーザー素子を提供する。この素子は、ガリウムおよび窒素材料を含有する基板を含む。この基板は、半極性配向または無極性配向によって特徴付けられる表面領域を有する。この基板は、前側および後側を含む。前記素子は、前記基板内に配置された少なくとも１つの活性領域と、この活性領域上に積層されたＮ個のエミッタのアレイとを含み、Ｎは３よりも多い。これらＮ個のエミッタのアレイは、実質的に互いに平行であり、前記前側と前記後側との間に配置される。これらＮ個のエミッタはそれぞれ、前記前側から放射を出射するように構成される。これらＮ個のエミッタのアレイは、青色波長または緑色波長と関連付けられる。これらＮ個のエミッタのアレイは、平均動作電力が少なくとも２５ｍＷである点により、特徴付けられる。これらＮ個のエミッタはそれぞれ、長さおよび幅により特徴付けられる。この長さは少なくとも４００ｕｍであり、この幅は少なくとも１ｕｍである。前記素子はまた、少なくとも１つの電極を有する。当該少なくとも１つの電極は、前記Ｎ個のエミッタのアレイに電気的に接続される。前記素子はまた、少なくとも１つの光学部材を有する。当該少なくとも１つの光学部材は、前記エミッタからの放射を光学的に組み合わせるように、前記基板の前側に配置される。
【００１１】
別の実施形態において、本発明は、レーザー素子を提供する。この素子は、ガリウムおよび窒素材料を含有する基板を有する。この基板は、半極性配向または無極性配向によって特徴付けられる表面領域を有する。この基板は、前側および後側を有する。前記素子は、前記基板内に配置された１つ以上の活性領域を有する。前記素子は、この１つ以上の活性領域上に積層されたＮ個のエミッタのアレイを含み、Ｎは３よりも多い。これらＮ個のエミッタのアレイは、実質的に互いに平行であり、前記前側と前記後側との間に配置される。これらＮ個のエミッタはそれぞれ、前記前側において放射を出射するように構成される。これらＮ個のエミッタのアレイは、青色波長または緑色波長範囲と関連付けられる。これらＮ個のエミッタのアレイは、平均動作電力が少なくとも２５ｍＷである点により特徴付けられる。これらＮ個のエミッタはそれぞれ長さおよび幅により特徴付けられ、この長さは少なくとも４００ｕｍであり、この幅は少なくとも１ｕｍである。１つ以上の電極が、前記Ｎ個のエミッタのアレイに電気的に接続される。１つ以上の光学部材が、前記エミッタからの放射を光学的にコリメートするように、前記基板の前側に配置される。前記素子はまた、第１の基板に熱的に結合したヒートシンクを有する。
【００１２】
別の実施形態において、本発明は、レーザー素子を提供する。この素子は、ガリウムおよび窒素材料を含有する基板を含む。この基板は、半極性配向または無極性配向によって特徴付けられる表面領域を有する。この基板は、上側および下側を有する。前記素子は、第１の基板の上側の近隣に配置されたＮ個の活性領域を有し、Ｎは３よりも多く、これら活性領域はそれぞれ、ｐ型と関連付けられたドープ領域を含む。前記素子は、このドープ領域上に載置されたＮ個のエミッタのアレイを有する。これらＮ個のエミッタのアレイは、実質的に互いに平行である。これらＮ個のエミッタはそれぞれ、前記前側から放射を出射するように構成される。これらＮ個のエミッタのアレイは、平均動作電力が少なくとも２５ｍＷである点により特徴付けられる。これらＮ個のエミッタはそれぞれ、長さおよび幅により特徴付けられ、この長さは少なくとも４００ｕｍであり、この幅は少なくとも１ｕｍである。前記素子は、１つ以上の電極を有する。この１つ以上の電極は、前記Ｎ個のエミッタのアレイと、１つ以上の光学部材とに電気的に接続される。当該１つ以上の光学部材は、前記エミッタからの放射を光学的にコリメートするように、前記基板の前側に配置される。前記素子のサブマウントは、熱放射率が少なくとも０．６である点により、特徴付けられる。特定の実施形態において、前記素子はまた、１つ以上の光学部材を含む。当該１つ以上の光学部材は、前記エミッタからの放射を光学的に組み合わせるように、前記基板の前側に配置される。
【００１３】
本発明を用いれば、既存の技術を超えた利点が達成される。詳細には、本発明により、プロジェクタ用のレーザーバーなどのレーザー用途の光学素子がコスト効率良く提供できる。特定の実施形態において、本光学素子は、比較的簡単かつコスト効率の良い様態で製造可能である。実施形態に応じて、本装置および方法は、当業者に知られた従来の材料および／または方法を用いて、製造が可能である。本レーザー素子は、特に紫色または青色または緑色発光を達成可能な無極性ガリウム材料または半極性窒化ガリウム材料を用いる。１つ以上の実施形態において、前記レーザー素子は、青色波長領域において長波長（例えば、約４３０ｎｍ〜４７０ｎｍの範囲の波長）または緑色波長領域において５００ｎｍ〜約５４０ｎｍを出射することが可能であるが、他の波長領域（紫色領域）もあり得る。もちろん、他にも改変、変更および代替が可能である。実施形態に応じて、これらの恩恵のうち１つ以上が達成され得る。上記および他の利点について、本明細書全体を通じて説明し、以下詳細に説明する。
【００１４】
本明細書の後半部および添付図面を参照すれば、本発明の本質および利点のさらなる理解が達成され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態による光学素子を示す簡略図である。
【００１６】
【図２】本発明の実施形態によるレーザー素子の断面図である。
【００１７】
【図３】本発明の実施形態による複数のエミッタを有するレーザー素子を示す簡略図である。
【００１８】
【図４】本発明の実施形態による、複数のキャビティ部材を備えたレーザー素子の簡略を示す正面図である。
【００１９】
【図５Ａ】本発明の実施形態による、「ｐ側」が上方を向いたレーザーパッケージを示す図である。
【図５Ｂ】本発明の実施形態による、「ｐ側」が上方を向いたレーザーパッケージを示す図である。
【００２０】
【図６Ａ】本発明の実施形態による、「ｐ側」が下方を向いたレーザーパッケージを示す簡略図である。
【図６Ｂ】本発明の実施形態による、「ｐ側」が下方を向いたレーザーパッケージを示す簡略図である。
【００２１】
【図７】本発明の実施形態による、個別にアドレス可能なレーザーパッケージの簡略図である。
【００２２】
【図８】本発明の実施形態によるパターンボンディング基板を有するレーザーバーを示す簡略図である。
【００２３】
【図９】本発明の実施形態による、光学結合器と共に構成されたレーザーバーを示す簡略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明は、高出力ＧａＮベースのレーザー素子、およびこれらレーザー素子の作製および利用のための関連方法を提供する。詳細には、レーザー素子は、青色波長レジームまたは緑色波長レジームにおいて０．５〜５Ｗまたは５〜２０Ｗの出力で動作するように、構成される。このレーザー素子は、バルク無極性または半極性のガリウムおよび窒素を含有する基板から製造される。上記したように、前記レーザー素子の出力波長は、４３０〜４７５ｎｍの青色波長領域および５００〜５４５ｎｍの緑色波長領域にあり得る。本発明の実施形態によるレーザー素子はまた、例えば、紫色（３９５〜４２５ｎｍ）の波長および青色−緑色（４７５〜５０５ｎｍ）の波長において動作し得る。前記レーザー素子は、多様な用途（例えば、高出力レーザーを用いて映像コンテンツを投射する際に用いられる投射系）において利用可能である。
【００２５】
図１は、光学素子を示す簡略図である。一例として、この光学素子は、窒化ガリウム基板部材（基材）１０１を含む。窒化ガリウム基板部材１０１は、半極性配向または無極性配向によって特徴付けられた結晶性表面領域を有する。例えば、窒化ガリウム基板部材は、無極性結晶性表面領域または半極性結晶性表面領域を有する点において特徴付けられるバルクＧａＮ基板であるが、他のものでもよい。バルクＧａＮ基板の表面転位密度は、１０５ｃｍ−２を下回る、あるいは１０Ｅ５〜１０Ｅ７ｃｍ−２でありうる。前記窒化物結晶またはウェーハは、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮを含み得る（０≦ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ≦１）。１つの特定の実施形態において、前記窒化物結晶はＧａＮを含む。１つ以上の実施形態において、前記ＧａＮ基板は、約１０５ｃｍ−２〜約１０８ｃｍ−２の濃度において、前記表面に対して実質的に直交または斜めの方向において、貫通転位を有する。多様な実施形態において、前記ＧａＮ基板は、無極性配向（例えば、ｍ面）によって特徴付けられ、ここで、導波路は、ｃ方向またはａ方向に対して実質的に直交方向に方向付けられる。
【００２６】
特定の実施形態において、ＧａＮ表面配向は、実質的に｛２０−２１｝配向であり、前記素子は、前記オフカット結晶性配向表面領域の一部上に載置されて形成されたレーザー縞領域を有する。例えば、前記レーザー縞領域は、ｃ方向において投射されるキャビティ配向により、実質的に特徴付けられる。前記ｃ方向は、ａ方向に対して実質的に垂直である。特定の実施形態において、前記レーザー縞領域は、第１の端部１０７および第２の端部１０９を有する。好適な実施形態において、前記素子は、｛２０−２１｝ガリウムおよび窒素含有基板上のｃ方向の投射上に形成される。前記｛２０−２１｝ガリウムおよび窒素含有基板は、一対の劈開ミラー構造を有する。この一対の劈開ミラー構造は、相互に対向する。
【００２７】
好適な実施形態において、前記素子は、前記レーザー縞領域の第１の端部上に設けられた第１の劈開面および前記レーザー縞領域の第２の端部上に設けられた第２の劈開面を有する。１つ以上の実施形態において、前記第１の劈開は、前記第２の劈開面に対して実質的に平行である。前記劈開表面それぞれの上に、鏡表面が形成される。前記第１の劈開面は、第１の鏡表面を含む。好適な実施形態において、前記第１の鏡表面は、上側スキップスクライブスクライビングおよび破壊プロセスにより、提供される。前記スクライビングプロセスにおいて、任意の適切な技術（例えば、ダイヤモンドスクライブまたはレーザースクライブまたはこれらの組み合わせ）が利用可能である。特定の実施形態において、前記第１の鏡表面は、反射コーティングを含む。前記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（これらの組み合わせを含む）などから選択される。前記第１の鏡表面は、反射防止コーティングも持ち得る。
【００２８】
また、好適な実施形態において、前記第２の劈開面は、第２の鏡表面を含む。前記第２の鏡表面は、特定の実施形態によれば、上側スキップスクライブスクライビングおよび破壊プロセスにより得られる。好適なスクライビングは、ダイヤモンドスクライブまたはレーザースクライブなどである。特定の実施形態において、前記第２の鏡表面は、反射コーティング（例えば、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、これらの組み合わせ）などを含む。特定の実施形態において、前記第２の鏡表面は、反射防止コーティングを有する。
【００２９】
無極性Ｇａ含有基板の特定の実施形態において、前記素子は、自発出射光が、前記ｃ方向に対して実質的に垂直方向に偏光される点によって特徴付けられる。好適な実施形態において、前記自発出射光は、前記ｃ方向に対する垂直方向の偏光比が０．１〜約１よりも大きい点において、特徴付けられる。好適な実施形態において、前記自発出射光は、例えば、青色発光の際に約４３０ナノメートル〜約４７０ｎｍ、または緑色発光の際に約５００ナノメートル〜約５４０ナノメートルの波長により、特徴付けられる。例えば、前記自発出射光は、紫色（例えば、３９５〜４２０ナノメートル）、青色（例えば、４３０〜４７０ｎｍ）、緑色（例えば、５００〜５４０ｎｍ）などであり得る。好適な実施形態において、前記自発出射光は大きく偏光し、０．４よりも高い偏光比によって特徴付けられる。半極性｛２０−２１｝Ｇａ含有基板に関する別の特定の実施形態において、前記素子はまた、自発出射光により、特徴付けられる。この自発出射光は、前記ａ方向に対して実質的に平行にまたは前記キャビティ方向に対して垂直に偏光される。このキャビティ方向は、前記ｃ方向の投射に方向付けられる。
【００３０】
特定の実施形態において、本発明は、別の素子構造を提供する。この別の素子構造は、リッジレーザー実施形態において５０１ｎｍ以上の光を出射することが可能である。前記素子には、以下のエピタキシャル成長要素のうち１つ以上が設けられる：
・厚さが１００ｎｍ〜３０００ｎｍであり、Ｓｉドープレベルが５Ｅ１７〜３Ｅ１８ｃｍ−３であるｎ−ＧａＮクラッド層
・ＩｎＧａＮを含むｎ側ＳＣＨ層であって、インジウムのモル分率が２％〜１０％であり、厚さが２０〜２００ｎｍである、ｎ側ＳＣＨ層
・少なくとも２つの２．０〜８．５ｎｍＩｎＧａＮ量子井戸と、必要に応じて約１２ｎｍまでのＧａＮまたはＩｎＧａＮ障壁とを含む複数の量子井戸活性領域層であって、前記少なくとも２つの２．０〜８．５ｎｍＩｎＧａＮ量子井戸は、１．５ｎｍ以上の間隔を空けて設けられる、複数の量子井戸活性領域層
・ＩｎＧａＮまたは上側ＧａＮガイド層を含むｐ側ＳＣＨ層であって、インジウムのモル分率が１％〜１０％であり、厚さが１５ｎｍ〜１００ｎｍである、ｐ側ＳＣＨ層
・ＡｌＧａＮを含む電子ブロッキング層であって、アルミニウムのモル分率が６％〜２２％であり、厚さが５ｎｍ〜２０ｎｍであり、Ｍｇでドープされた電子ブロッキング層
・厚さが４００ｎｍ〜１０００ｎｍであり、Ｍｇドープレベルが２Ｅ１７ｃｍ−３〜２Ｅ１９ｃｍ−３である、ｐ−ＧａＮクラッド層
・厚さが２０ｎｍ〜４０ｎｍであり、Ｍｇドープレベルが１Ｅ１９ｃｍ−３〜１Ｅ２１ｃｍ−３である、ｐ＋＋−ＧａＮ接触層
【００３１】
図２は、レーザー素子２００の断面図である。図示のように、前記レーザー素子は、窒化ガリウム基板２０３を含む。窒化ガリウム基板２０３は、下側にｎ型金属バック接触領域２０１を有する。例えば、基板２０３は、半極性配向または無極性配向により、特徴付けられ得る。前記素子はまた、上側にｎ型窒化ガリウム層２０５と、活性領域２０７と、レーザー縞領域２０９としての構造を有するｐ型窒化ガリウム層とを有する。これらの領域はそれぞれ、少なくとも金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）のエピタキシャル蒸着技術、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、またはＧａＮ成長に適した他のエピタキシャル成長技術を用いて、形成される。前記エピタキシャル層は、ｎ型窒化ガリウム層上に積層された高品質のエピタキシャル層である。いくつかの実施形態において、前記高品質の層には、例えばＳｉまたは０によってドープされたｎ型材料が形成される。その際のドーパント濃度は、約１０１６ｃｍ−３および１０２０ｃｍ−３である。
【００３２】
ｎ型ＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ−ｖＮ層（０≦ｕ、ｖ、ｕ＋ｖ≦１）が、前記基板上に堆積される。キャリア濃度は、約１０１６ｃｍ−３および１０２０ｃｍ−３の範囲内であり得る。前記蒸着は、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）または分子線エピタキシー（ＭＢＥ）を用いて実行可能である。
【００３３】
例えば、前記バルクＧａＮ基板は、ＭＯＣＶＤリアクタ中のサセプタ上に配置される。前記リアクタに対して閉口、真空排気および埋め戻しを行って（またはロードロック構成を用い）大気圧にした後、前記サセプタを窒素含有ガスの存在下において約１０００〜約１２００℃の温度まで加熱する。前記サセプタを、アンモニア流動下においておよそ９００〜１２００℃まで加熱する。ガリウム含有金属有機前駆体（例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ））の流入が、キャリアガス中においておよそ１〜５０立方センチメートル毎分（ｓｃｃｍ）の総速度において開始される。前記キャリアガスは、水素、ヘリウム、窒素、またはアルゴンを含み得る。成長時におけるグループＶ前駆体（アンモニア）のグループＩＩＩ前駆体（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）に対する流量比は、約２０００〜約１２０００である。キャリアガス中のジシランの流動を、約０．１〜１０ｓｃｃｍの総流量で開始する。
【００３４】
一実施形態において、前記レーザー縞領域は、ｐ型窒化ガリウム層２０９である。前記レーザー縞は、ドライエッチングプロセスによって設けられるが、ウェットエッチングも利用可能である。前記ドライエッチングプロセスは、塩素保有化学種を用いた誘導結合プロセスまたは類似の化学的性質を用いた反応性イオンエッチングプロセスである。前記塩素保有化学種は、一般的に塩素ガスなどから得られる。前記素子は、被覆型の誘電領域も有する。前記領域は、２１３接点領域を露出させる。前記誘電領域は、酸化物（例えば、二酸化ケイ素）または窒化ケイ素である。接触領域が、被覆型の金属層２１５に結合される。前記被覆型の金属層は好適には、金および白金（Ｐｔ／Ａｕ）またはニッケル金（Ｎｉ／Ａｕ）を含む多層構造である。
【００３５】
活性領域２０７は好適には、発光のために１〜１０個の量子井戸領域またはダブルヘテロ構造領域を含む。所定厚さを達成するように所定時間前記ｎ型ＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ−ｖＮ層の堆積を行った後、活性層を堆積させる。前記量子井戸は好適には、ＩｎＧａＮと、ＩｎＧａＮを隔離させるＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、またはＩｎＧａＮ障壁層とを共に含む。他の実施形態において、前記井戸層および障壁層は、ＡｌｗＩｎｘＧａ１−ｗ−ｘＮおよびＡＩｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮをそれぞれ含み、ここで、０≦ｗ、ｘ、ｙ、ｚ、ｗ＋ｘ、ｙ＋ｚ≦１、ｗ＜ｕ、ｙおよび／またはｘ＞ｖ、ｚである。これにより、前記井戸層のバンドギャップは、前記障壁層および前記ｎ型層のバンドギャップよりも小さくなる。前記井戸層および障壁層の厚さはそれぞれ、約１ｎｍ〜約２０ｎｍの範囲であり得る。前記活性層の組成および構造は、事前選択された波長において光発光が得られるように、選択される。前記活性層は、非ドープのままであってもよいし（あるいは非意図的にドープしてもよく）、また、ｎ型またはｐ型ドープであってよい。
【００３６】
前記活性領域は、また、電子ブロッキング領域と、別個の閉じ込めヘテロ構造とを含み得る。前記電子ブロッキング層は、ＡｌｓＩｎｔＧａ１−ｓ−ｔＮ（０≦ｓ、ｔ、ｓ＋ｔ≦１）を含み得、バンドギャップが前記活性層よりも高く、ｐ型ドープであり得る。１つの特定の実施形態において、前記電子ブロッキング層は、ＡｌＧａＮを含む。別の実施形態において、前記電子ブロッキング層は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造を含む。このＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造では、ＡｌＧａＮ層およびＧａＮ層が交互に積層される。前記ＡｌＧａＮ層およびＧａＮ層の厚さはそれぞれ、約０．２ｎｍ〜約５ｎｍである。
【００３７】
上記したように、前記ｐ型窒化ガリウム構造は、前記電子ブロッキング層および活性層上に堆積される。前記ｐ型層は、Ｍｇによって約１０１６ｃｍ−３〜１０２２ｃｍ−３のレベルまでドープされ得、厚さ約５ｎｍ〜約１０００ｎｍになり得る。前記ｐ型層の最外部の１〜５０ｎｍは、この層のその他の部分よりもより強力にドープされ得、これにより、電気接触を向上させることができる。前記素子はまた、被覆型の誘電領域（例えば、二酸化ケイ素）を有する。前記被覆型の誘電領域は、２１３接触領域を露出させる。
【００３８】
前記金属接触は、適切な材料（例えば、銀、金、アルミニウム、ニッケル、白金、ロジウム、パラジウム、クロム）によって構成される。前記接点は、熱蒸着、電子ビーム蒸着、電気めっき、スパッタリングまたは別の適切な技術により、形成可能である。好適な実施形態において、前記電気接点は、前記光学素子のためのｐ型電極として機能する。別の実施形態において、前記電気接点は、前記光学素子のためのｎ型電極として機能する。図１および図２中に示す上述したレーザー素子は、典型的には比較的低出力の用途に適している。
【００３９】
多様な実施形態において、本発明は、前記レーザーキャビティ部材のうち１つ以上の部位を１．０〜３．０μｍの単一横モードレジームから５．０〜２０μｍの多横モード範囲へと拡大することにより、ダイオードレーザーからの高出力を実現する。場合によっては、幅が５０μｍ以上のキャビティを有するレーザーダイオードが用いられる。
【００４０】
前記レーザー縞の長さまたはキャビティの長さは３００〜３０００μｍであり、米国特許出願第１２／７５９，２７３号（出願日：２０１０年４月１３日）中に記載のような成長技術および製造技術を用いる。同文献を参考のため援用する。一例として、レーザーダイオードを無極性ガリウム含有基板または半極性ガリウム含有基板上に製造し、内部電場を極性ｃ面配向素子に対して実質的に除去または軽減する。内部電場の低減により、より効率的な放射再結合が可能となることが多いことが理解される。さらに、無極性基板および半極性基板上においては重たい正孔質量が軽くなることが予測され、これにより、レーザーからのより良好な利得特性が達成可能となる。
【００４１】
幅広キャビティ設計を用いた高出力ＧａＮベースのレーザーを製造する際の１つの問題として、局所的に明るい領域と局所的に暗い領域が有る場合、キャビティの横方向における光場プロファイルが非対称となる現象がある。このような挙動は、フィラメンティングと呼ばれることが多く、屈折率または熱プロファイルの横変動に起因して発生し得、その結果、モード誘導特性が変化する。このような挙動は、局所的利得／損失の非均一性によっても発生する。前記局所的利得／損失の非均一性は、活性領域内へ注入されるキャリアの非均一性または電流集中に起因して発生する。電流集中においては、レーザーキャビティの外側領域を通じて電流が優先的に伝導する。すなわち、ｐ側電極を通じて注入された電流が、横導波性に必要なエッチングされたｐ−クラッドリッジ／縞の縁部に向かって流れた後、主に前記縞の側部の近隣にある電子と正孔が結合する下方に向かって伝導する。原因に関係なく、このようなフィラメンティングまたは非対称光場プロファイルがあると、前記縞幅の増加と共に、レーザー性能の低下に繋がり得る。
【００４２】
図３は、本発明の実施形態による複数のエミッタを有するレーザー素子を示す簡略図である。図３に示すように、レーザー素子は、基板と、複数のエミッタとを含む。各キャビティ部材は、基板内の下側の活性領域および他の電気コンポーネントと関連して、レーザーダイオードの一部である。図３中のレーザー素子は、３つのレーザーダイオードを含む。前記３つのレーザーダイオードはそれぞれ、エミッタまたはキャビティ部材（例えば、キャビティ部材３０２は、レーザーダイオードの導波路として機能する）を有し、基板３０１を共有する。基板３０１は、１つ以上の活性領域を含む。多様な実施形態において、これらの活性領域は、発光のための量子井戸またはダブルヘテロ構造を含む。前記キャビティ部材は、導波路として機能する。複数のキャビティ部材と共に単一の基板上に統合された素子と、その製造方法とについて、米国仮特許出願第６１／３４５，５６１号（出願日：２０１０年５月１７日）中に記載がある。同文献を参考のため援用する。
【００４３】
図３に示す基板は、無極性バルクＧａＮ基板または半極性バルクＧａＮ基板から作製され、ガリウムおよび窒素材料を含む。図示のようなキャビティ部材は、相互に平行に配置される。例えば、キャビティ部材３０１は、図１に示すキャビティ部材１０１と同様の前方鏡および後方鏡を含む。これらのレーザーキャビティはそれぞれ、約１〜約６ｕｍのキャビティ幅ｗにより、特徴付けられる。このようにキャビティ部材を配置することで、前記キャビティ部材の均一なポンピングを確保しつつ、有効縞幅が増加する。一実施形態において、キャビティ部材は、実質的に等しい長さおよび幅により、特徴付けられる。
【００４４】
用途に応じて、高出力レーザー素子は、複数のキャビティ部材を持ち得る。キャビティ部材数ｎは、２〜５、１０またはさらには２０の範囲であり得る。キャビティ部材相互間の横間隔または距離は、レーザーダイオードの要件に応じて、２ｕｍ〜２５ｕｍの範囲であり得る。多様な実施形態において、前記キャビティ部材の長さは、３００ｕｍ〜２０００ｕｍの範囲であり得、場合によっては３０００ｕｍであり得る。
【００４５】
好適な実施形態において、レーザーエミッタ（例えば、図示のようなキャビティ部材）は、青色レーザー光または緑色レーザー光を出射する単一のチップ上に線形アレイとして配置される。これらのエミッタは実質的に相互に平行であり、これらのエミッタ相互の間隔は、３ｕｍ〜１５ｕｍ、１５ｕｍ〜７５ｕｍ、７５ｕｍ〜１５０ｕｍ、または１５０ｕｍ〜３００ｕｍであり得る。前記アレイ内のエミッタ数は、３〜１５または１５〜３０または３０〜５０または５０〜１００あるいは１００を超える範囲であり得る。各エミッタが生成し得る平均出力は、２５〜５０ｍＷ、５０〜１００ｍＷ、１００〜２５０ｍＷ、２５０〜５００ｍＷ、５００〜１０００ｍＷ、または１Ｗを超える範囲であり得る。よって、複数のエミッタを有するレーザー素子の総出力は、２００〜５００ｍＷ、５００〜１０００ｍＷ、１〜２Ｗ、２〜５Ｗ、５〜１０Ｗ、１０〜２０Ｗ、および２０Ｗを超える範囲であり得る。
【００４６】
現在の技術によれば、個々のエミッタの寸法については、幅が１．０〜３．０ｕｍ、３．０〜６．０ｕｍ、６．０〜１０．０ｕｍ、１０〜２０．０ｕｍ、および２０ｕｍを超える範囲であり得る。長さについては、４００ｕｍ〜８００ｕｍ、８００ｕｍ〜１２００ｕｍ、１２００ｕｍ〜１６００ｕｍ、または１６００ｕｍを超える範囲であり得る。
【００４７】
前記キャビティ部材は、前端部および後端部を有する。前記レーザー素子は、レーザービームを前記前端部にある前方鏡を通じて出射するように構成される。前記前端部は、反射防止コーティングを施してもよいしあるいはコーティングを全く施してなくてもよく、その場合、放射が過度の反射無く前記鏡を通過する。前記キャビティ部材の後端部から出射されるレーザービームは無いため、前記後方鏡は、放射を前記キャビティ内へと反射するように構成される。例えば、前記後方鏡は、反射率が８５％または９５％を超える高反射コーティングを含む。
【００４８】
図４は、複数のキャビティ部材を備えたレーザー素子の正面を示す簡略図である。図４に示すように、活性領域３０７が基板３０１内に配置されている様子が図示されている。図示のようなキャビティ部材３０２は、ビア３０６を含む。ビアは、キャビティ部材上に設けられ、誘電層３０３（例えば、二酸化ケイ素）内に開口される。ビアを備えたキャビティ部材の上部は、レーザーリッジとしてみなすことができる。このレーザーリッジは、電気接点のための電極３０４を露出させる。電極３０４は、ｐ型電極を含む。特定の実施形態において、図４に示すように、共通ｐ型電極が、キャビティ部材および誘電層３０３上に堆積される。
【００４９】
これらのキャビティ部材は、電極３０４によって相互に電気的に接続される。各レーザーダイオードは、キャビティ部材を通じて電気接点を有し、共通ｎ側電極を共有する。用途に応じて、前記ｎ側電極は、異なる構成において、前記キャビティ部材に電気的に接続することが可能である。好適な実施形態において、前記共通ｎ側電極は、前記基板の下側に電気的に接続される。特定の実施形態において、ｎ接触は前記基板の上側であり、前記基板を上側から深くエッチングした後金属接点を蒸着することにより、接続を形成する。例えば、レーザーダイオードは、平行構成において相互に電気的に接続される。この構成において、電流が前記電極に付加されると、全てのレーザーキャビティを相対的に等しくポンピングすることができる。さらに、リッジ幅が１．０〜５．０ｕｍの範囲と比較的狭いため、キャビティ部材の中央がリッジの縁部（例えば、ビア）のすぐ近隣となり、これにより、電流集中または不均一注入が軽減される。最も重要なことに、フィラメンティングを回避することができ、図２Ａに示すような狭いキャビティにおいて横光場プロファイルを対称にすることができる。
【００５０】
複数のキャビティ部材を有するレーザー素子は有効リッジ幅ｎｘｗを有しており、これは、幅が１０〜５０ｕｍの範囲である従来の高出力レーザーの幅に容易に近づくことが可能であることが理解される。この多縞レーザーの典型的な長さは４００ｕｍ〜２０００ｕｍの範囲でよいが、３０００ｕｍにすることも可能である。５〜５００ｍＷの低出力用途用の従来の単一縞の狭リッジエミッタの模式図を図１に示す。その結果得られた横方向に対称な場プロファイルを図２Ａに示す。０．５〜１０Ｗの出力用途用の、本実施形態の一例としての多縞エミッタの模式図を図２に示す。
【００５１】
図３および図４中に示すレーザー素子は、広範な用途を有する。例えば、前記レーザー素子は、電源に接続可能であり、０．５〜１０Ｗの出力レベルにおいて動作可能である。特定の用途において、前記電源は、１０Ｗを超える出力レベルにおいて動作するように、特に構成される。前記レーザー素子の動作電圧は、５Ｖ、５．５Ｖ、６Ｖ、６．５Ｖ、７Ｖおよび他の電圧未満であり得る。多様な実施形態において、壁コンセント効率（例えば、総合電気効率／光学出力効率）は、１５％以上、２０％以上、２５％以上、３０％以上、３５％以上であり得る。
【００５２】
レーザー素子の典型的な用途は、単一のレーザー光を出射することである。前記レーザー素子は複数のエミッタを含むため、光学部材は、前記エミッタからの出力を組み合わせるかまたはコリメートする必要がある。図５Ａおよび図５Ｂは、「ｐ側」が上方を向いたレーザーパッケージを示す。図５Ａに示すように、レーザーバーは、サブマウント上に取り付けられる。前記レーザーバーは、エミッタのアレイ（例えば、図３および図４に示すようなもの）を含む。前記レーザーバーには前記サブマウントが取り付けられ、前記サブマウントは、前記レーザーバーとヒートシンクとの間に配置される。前記サブマウントにより、前記レーザーバー（例えば、窒化ガリウム材料）をヒートシンク（例えば、熱放射率の高い銅材料）に確実に取り付けることが可能になることが理解される。多様な実施形態において、サブマウントは、高熱伝導率によって特徴付けられる窒化アルミニウム材料を含む。例えば、前記サブマウントにおいて用いられる窒化アルミニウム材料の熱伝導率は、２００Ｗ／（ｍｋ）を超え得る。他の種類の材料（例えば、ダイヤモンド、銅タングステン合金、酸化ベリリウム）も、サブマウントにおいて利用可能である。好適な実施形態において、前記サブマウント材料は、前記レーザーバーと前記ヒートシンクとの間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の不整合を補償するために用いられる。
【００５３】
図５Ａにおいて、前記レーザーバーの「ｐ側」（すなわち、エミッタのある側）は、上方を向いているため、前記サブマウントに接続されていない。前記レーザーバーのｐ側は、複数のボンディングワイヤを通じて、電源の陽極に電気的に接続される。前記サブマウントおよび前記ヒートシンクはどちらとも導電性であるため、前記電源の陰極電極は、前記サブマウントおよび前記ヒートシンクを通じて、前記レーザーバーの他方側に電気的に接続される。
【００５４】
好適な実施形態において、前記レーザーバーのエミッタのアレイは、窒化ガリウム基板から製造される。前記基板は、半極性配向または無極性配向によって特徴付けられた表面を持ち得る。前記窒化ガリウム材料により、気密シーリング無しで前記レーザー素子をパッケージすることが可能になる。より詳細には、窒化ガリウム材料を用いることにより、前記レーザーバーは、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮクラッドを実質的に含まない。前記エミッタがｐ型材料の実質的に近隣にある場合、前記レーザー素子は、ｐ型ＡｌＧａＮまたはｐ型ＩｎＡｌＧａＮ材料を実質的に含まない。典型的には、ＡｌＧａＮクラッドまたはＩｎＡｌＧａＮクラッドが通常大気内で動作する際は、酸素との相互作用に起因して不安定になる。この問題に対処するため、ＡｌＧａＮ材料またはＩｎＡｌＧａＮ材料を含む従来のレーザー素子は気密シールされて、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮと空気との相互作用を回避する。これとは対照的に、本発明の実施形態によるレーザー素子内にはＡｌＧａＮクラッドまたはＩｎＡｌＧａＮクラッドは存在しないため、レーザー素子を気密パッケージする必要が無い。気密パッケージする必要が無いため、本発明の実施形態によるレーザー素子およびパッケージの製造コストは、従来のレーザー素子の製造コストよりも低くすることが可能である。
【００５５】
図５Ｂは、図５Ａに示すレーザー素子の側面図である。前記レーザーバーは前記サブマウント上に取り付けられ、前記サブマウントは熱側に取り付けられる。上述したように、前記レーザーバーは複数のエミッタを含むため、コリメートレンズを用いて出射レーザーを組み合わせて、所望のレーザービームを形成する。好適な実施形態において、前記コリメートレンズは、円筒形状によって特徴付けられる速軸コリメート（ＦＡＣ）レンズである。
【００５６】
図６Ａおよび図６Ｂは、本発明の実施形態による「ｐ側」が下方を向いたレーザーパッケージを示す簡略図である。図６Ａでは、レーザーバーがサブマウント上に取り付けられている。前記レーザーバーは、エミッタのアレイ（例えば、図３および図４に示すようなもの）を含む。好適な実施形態において、前記レーザーバーは、半極性配向または無極性配向によって特徴付けられた基板を含む。前記レーザーバーは、前記サブマウントに取り付けられる。前記サブマウントは、前記レーザーバーと、ヒートシンクとの間に配置される。前記レーザーバーの「ｐ側」（すなわち、エミッタのある側）は下方を向いているため、前記サブマウントに直接接続される。前記レーザーバーのｐ側は、前記サブマウントおよび／または前記ヒートシンクを通じて、電源の陽極に電気的に接続される。前記レーザーバーの他方側は、複数のボンディングワイヤを通じて、前記電源の陰極に電気的に接続される。
【００５７】
図６Ｂは、図６Ａに示すレーザー素子の側面図である。図示のように、前記レーザーバーは前記サブマウント上に取り付けられ、前記サブマウントは熱側に取り付けられる。上述したように、前記レーザーバーは複数のエミッタを含むため、コリメートレンズを用いて出射されたレーザーを組み合わせて、所望のレーザービームを形成する。好適な実施形態において、前記コリメートレンズは、円筒形状によって特徴付けられた速軸コリメート（ＦＡＣ）レンズである。
【００５８】
図７は、本発明の実施形態による個別にアドレス可能なレーザーパッケージを示す簡略図である。前記レーザーバーは、複数のエミッタを含む。これら複数のエミッタは、リッジ構造によって離隔される。前記エミッタはそれぞれ約９０〜２００ｕｍの幅によって特徴付けられるが、他の寸法も可能であることが理解されるべきである。前記レーザーエミッタはそれぞれ、ｐ接触ワイヤボンド用のパッドを含む。例えば、電極を前記エミッタに個別に接続することで、エミッタを選択的にオンおよびオフすることが可能になる。図７に示す個別にアドレス可能な構成の場合、種々の恩恵が得られる。例えば、もし複数のエミッタを有するレーザーバーが個別にアドレス不可能であるならば、製造時におけるレーザーバーの歩留まりが問題となり得る。なぜならば、レーザーバーの歩留まりは、個々のエミッタの歩留まりよりも低くなるので、前記バーが合格するためには多くの個々のレーザー素子を良好な状態にする必要があるからである。加えて、単一のエミッタをアドレスできるようにレーザーバーを設定した場合、各エミッタをスクリーニングすることが可能になる。特定の実施形態において、前記レーザーバーの素子を個別に制御するように、制御モジュールが前記レーザー素子に電気的に接続される。
【００５９】
図８は、本発明の実施形態によるパターンボンディング基板を有するレーザーバーを示す簡略図である。図示のように、レーザー素子は、約３０ｕｍの幅によって特徴付けられる。用途に応じて、他の幅も可能である。ピッチが約９０ミクロンより小さいレーザーエミッタの場合、ワイヤボンドを形成するのが困難である。多様な実施形態において、パターンボンディング基板を用いて、接点を形成する。例えば、パターンボンディング基板により、前記幅を１０〜３０ｕｍまで狭くすることができる。
【００６０】
図９は、本発明の実施形態による光学結合器と共に構成されたレーザーバーを示す簡略図である。図示のように、図９は、複数のエミッタのためのパッケージまたは筺体を含む。前記素子はそれぞれ、単一のセラミックまたはセラミック上の共通ヒートシンク上に配置された複数のチップ上に構成される。図示のように、前記パッケージは、全てフリーの光学結合、コリメータ、鏡を含む。前記全てフリーの光学結合、コリメータ、鏡は、自由空間出力のために空間的にまたは偏光多重化されるか、または、ファイバまたは他の導波媒体中に再集束される。一例として、前記パッケージは、低プロファイルを有し、フラットパックセラミック多層または単一の層を含み得る。前記層は、銅、銅タングステンベース（例えば、バタフライパッケージまたは被覆ＣＴマウント、Ｑマウントなど）を含み得る。特定の実施形態において、前記レーザー素子は、ＣＴＥ整合材料上に低熱抵抗（例えば、ＡｌＮ、ダイヤモンド、ダイヤモンド化合物）とともに半田付けされ、セラミック上のサブアセンブリチップを形成する。前記サブアセンブリチップをその後第２の材料上に低熱抵抗（例えば、能動冷却（すなわち、単純な水路または微細通路）を含む銅）と共に組み立てるか、または、全接続（例えば、ピン）を備えたパッケージのベースを直接形成する。前記フラットパックは、光学インターフェース（例えば、生成光を誘導するための窓部、自由空間光学部品、コネクタまたはファイバ、および環境保護型カバー）を備える。
【００６１】
特定の実施形態において、前記パッケージは、多様な用途に利用可能である。用途を挙げると、出力スケーリング（モジュールの可能性）、スペクトル広がり（より広範なスペクトル特性が得られる光波長シフトのレーザーを選択する）がある。他に用途を挙げると、多色モノリシック集積化（例えば、青色−青色、青色−緑色、ＲＧＢ（赤色−青色−緑色））がある。
【００６２】
特定の実施形態において、本レーザー素子は、多様なパッケージ上に構成可能である。パッケージを一例として挙げると、ＴＯ９Ｃａｎ、ＴＯ５６Ｃａｎ、フラットパッケージ、ＣＳマウント、Ｇマウント、Ｃマウント、微細チャンネル冷却パッケージなどがある。他の例において、前記複数のレーザーの構成の動作電力は、１．５ワット、３ワット、６ワット、１０ワット以上であり得る。一例において、複数のエミッタを含む本光学素子は、非効率的な光学結合器を含まない。他の例において、光学結合器を複数のエミッタ素子と共に配置および構成することができる。さらに、前記複数のレーザー素子（すなわち、エミッタ）は、無極性配向ＧａＮまたは半極性配向ＧａＮまたはその任意の組み合わせなどの上に構成されたレーザー素子のアレイであり得る。
【００６３】
本明細書で用いられる「ＧａＮ基板」という用語は、グループＩＩＩの窒化物材料（例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ）または出発材料として用いられる他のグループＩＩＩを含有する合金または組成物と関連付けられる。このような出発材料を挙げると、極性ＧａＮ基板（すなわち、最大面積の表面がノミナルに（ｈｋｌ）面である基板であり、ｈ＝ｋ＝０であり、ｌはゼロではない基板）、無極性ＧａＮ基板（すなわち、最大面積の表面が上記した極性配向から（ｈｋｌ）面に向かって約８０〜１００度の角度で配向された基板材料であり、ｌ＝０であり、ｈおよびｋのうち少なくとも１つがゼロではない基板材料）または半極性ＧａＮ基板（すなわち、最大面積の表面が上記した極性配向から（ｈｋｌ）面に向かって約＋０．１〜８０度または１１０〜１７９．９度の角度で配向された基板材料であり、ｌ＝０であり、ｈおよびｋのうち少なくとも１つがゼロではない基板材料）がある。もちろん、他の改変および代替が可能である。
【００６４】
他の例において、本素子は、少なくとも１５０，０００ｐｐｍｖの酸素ガスを含む環境中において動作可能である。前記レーザー素子は、ＡｌＧａＮクラッドまたはＩｎＡｌＧａＮクラッドを実質的に含まない。前記レーザー素子は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッドまたはｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッドを実質的に含まない。前記エミッタはそれぞれ、前ファセットおよび後ファセットを含み、前記前ファセットは、コーティングを実質的に含まない。前記エミッタはそれぞれ、前ファセットおよび後ファセットを含み、前記後ファセットは、反射コーティングを含む。他の例において、前記素子はまた、前記基板に熱的に結合した微細通路クーラーを有する。前記素子はまた、前記基板およびヒートシンクと関連付けられた熱膨張係数（ＣＴＥ）によって特徴付けられたサブマウントを含む。前記サブマウントは前記基板に接続され、前記サブマウントは、窒化アルミニウム材料、ＢｅＯ、ダイヤモンド、複合ダイヤモンドまたはこれらの組み合わせを含む。特定の実施形態において、前記基板はサブマウント上に接着され、前記サブマウントは、熱伝導性が少なくとも２００Ｗ／（ｍｋ）である点によって、特徴付けられる。前記基板は、１つ以上のクラッド領域を含む。前記１つ以上の光学部材は、速軸コリメートレンズを含む。前記レーザー素子は、スペクトル幅が少なくとも４ｎｍである点により、特徴付けられる。特定の例において、エミッタ数Ｎは、３〜１５、１５〜３０、３０〜５０であり得、５０個よりも多くてもよい。他の例において、前記Ｎ個のエミッタそれぞれの平均出力は２５〜５０ｍＷ、５０〜１００ｍＷ、１００〜２５０ｍＷ、２５０〜５００ｍＷ、または５００〜１０００ｍＷである。特定の例において、前記Ｎ個のエミッタそれぞれの平均出力は、１Ｗを超える。一例において、前記Ｎ個のエミッタは互いに離間し、それぞれの離間距離は、３ｕｍ〜１５ｕｍ、１５ｕｍ〜７５ｕｍ、または７５ｕｍ〜１５０ｕｍ、または１５０ｕｍ〜３００ｕｍである。
【００６５】
さらに別の特定の実施形態において、本発明は、光学素子（例えば、レーザー）を提供する。前記素子は、表面領域を有するガリウムおよび窒素を含有する材料を含む。前記表面領域は、（１０−１１）、（１０−１−１）、（２０−２１）、（２０−２−１）、（３０−３１）、（３０−３−１）、（４０−４１）または（４０−４−１）のうちの１つが５度内の半極性表面配向により、特徴付けられる。前記素子はまた、第１の方向において構成された第１の導波路領域も有する。前記第１の方向は、特定の実施形態において、前記ガリウムおよび窒素含有材料の表面領域の上側のｃ方向に対応する。前記素子はまた、第２の導波路領域を有する。前記第２の導波路領域は、前記第１の導波路領域に接続され、前記ガリウムおよび窒素含有材料の表面領域の上側の第２の方向において構成される。好適な実施形態において、前記第２の方向は、前記第１の方向と異なり、前記ａ方向に対して実質的に平行である。好適な実施形態において、前記第１の導波路領域および第２の導波路領域は連続しており、単一の連続導波路構造として形成され、前記導波路の製造時において共に形成される。もちろん、他の改変、変更および代替が可能である。
【００６６】
以上、特定の実施形態を詳述したが、多様な変更、代替的構造および均等物が利用可能である。よって、上記の記載および図示は、本発明の範囲を限定するものとしてとられるべきではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲により、規定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
2012164981.tif 000010
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年3月26日(2012.3.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
2012164981000001.pdf