CN100395927C - 发光器件及使用该发光器件的光学装置 - Google Patents

发光器件及使用该发光器件的光学装置 Download PDF

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Abstract

容易制造且可以精确控制发光位置的发光器件及光学装置。第一和第二发光元件形成于支撑基底的一个面上。第一发光元件在GaN构成的第一衬底的设置支撑基底的一侧上具有GaInN混晶构成的有源层。第二发光元件在GaAs构成的第二衬底的设置支撑基底的一侧上具有光激射部分。由于第一和第二发光元件不生长于同一衬底上，容易得到具有约400nm输出波长的多波长激光器。由于第一衬底在可见光区是透明的，所以可以通过光刻精确控制第一和第二发光元件的发光区位置。

Description

发光器件及使用该发光器件的光学装置
技术领域
本发明涉及一种具有多个发光元件的发光器件及使用该发光器件的光学装置。
背景技术
近年来，在发光器件领域，人们努力开发了在同一衬底(或电路板)上形成有不同输出波长的多个发光部分的半导体激光器(LD；激光二极管)(此后称为多波长激光器)。如图1所示，这种多波长激光器的一个例子，是通过在单个芯片上形成具有不同输出波长的多个发光部分得到的(所谓的单片型多波长激光器)。在多波长激光器中，例如，通过利用汽相外延生长AlGaAs系半导体材料层形成的光激射部分201，和通过生长AlGaInP系半导体材料层形成的光激射部分202，在由GaAs(砷化镓)构成的衬底212的一个面上，并排设置，两者间具有隔离沟槽211。这种情况下，光激射部分201的输出波长约为700nm的范围(例如，780nm)，光激射部分202的输出波长约为600nm的范围(例如650nm)。
除图1所示结构外，还已提出多个具有不同输出波长的半导体激光LD1和LD2并排安装于电路板221上的结构(所谓的混合型多波长激光器)。然而，上述单片型激光器在高精度控制发光点间隔方面更有效。
这些多波长激光器例如可用作光盘驱动的激光源。目前，在光盘驱动时，一般采用约700nm范围内的半导体激光用于CD(光盘)记录的光再现或用于利用例如CD-R(可记录CD)、CD-RW(可再写CD)或MD(小型光盘)等可记录光盘的光学记录/再现。约600nm范围的半导体激光用于利用DVD(数字通用盘)的光记录/再现。通过在光盘驱动器上安装如上所述的多波长激光器，便可以针对任何现有光盘，实现光记录/再现。另外，光激射部分201和202并排设置于同一衬底上(与同一电路上的混合型半导体激光器LD1和LD2相同)，仅需要为激光源提供一个封装。例如物镜和束分离器等用于利用各种光盘的光记录/再现的光学系统部件的数量减少，可以简化光学系统的结构。所以，可以实现光盘驱动器尺寸和成本的降低。
同时，近年来，利用短输出波长的半导体激光器进一步提高光记录面密度的要求进一步增强。到目前为止，满足该要求的已知半导体激光器材料有以GaN、AlGaN混晶和GaInN混晶为代表的氮化物系III-V族化合物半导体(以下也称为GaN系半导体)。利用GaN系半导体的半导体激光器能够发射约400nm波长的光，被认为是利用光盘和现有光学系统实施光记录/再现的极限波长，因此，它们作为未来一代光记录/再现装置的光源引起了广泛关注。还希望它能够作为利用RGB三原色全色显示器的光源。所以希望对带有GaN系光激射部分的多波长激光器进行开发。
如图3所示，关于现有技术带有GaN系光激射部分的多波长激光器的例子，提出了一种多波长激光器，其中AlGaAs系光激射部分201、AlGaInP系光激射部分202和GaN系光激射部分203并排形成于由SiC(碳化硅)构成的衬底231的一个面上，两者间具有隔离沟槽211a和211b(参见日本未审查专利申请平11-186651)。
然而，在制造这种单片型多波长激光器时，存在一个问题，即，例如由于GaN系材料和AlGaAs或AlGaInP系材料间的晶格常数极为不同，难以在同一衬底上作为一个芯片集成各光激射部分。
混合型多波长激光器，正如已介绍的那样，问题是对发光点间隔的可控性很差。三个以上半导体激光器并排设置，会引起对发光点间隔控制的进一步恶化的问题。
本发明正是考虑了上述问题做出的，其目的是提供一种容易制造、并可以精确控制发光位置的发光器件，以及利用该发光器件的光学装置。
根据本发明的另一发光器件具有：支撑基底；设置在上述支撑基底之上、由第一衬底和形成在该第一衬底上的第一光激射部分构成的第一发光元件；和设置在上述第一发光元件之上、由第二衬底和形成在该第二衬底上的第二光激射部分与第三光激射部分构成的第二发光元件，其特征在于：上述第一发光元件的第一光激射部分与上述支撑基底连接，上述第二发光元件的第二光激射部分与第三光激射部分与上述第一发光元件的第一衬底连接，上述第一衬底由热传导性率高的透明材料制成。
在根据本发明的另一光学装置中，安装了一个发光器件。该发光器件包括：支撑基底；设置在上述支撑基底之上、由第一衬底和形成在该第一衬底上的第一光激射部分构成的第一发光元件；和设置在上述第一发光元件之上、由第二衬底和形成在该第二衬底上的第二光激射部分与第三光激射部分构成的第二发光元件，其特征在于：上述第一发光元件的第一光激射部分与上述支撑基底连接，上述第二发光元件的第二光激射部分与第三光激射部分与上述第一发光元件的第一衬底连接，上述第一衬底由热传导性率高的透明材料制成。
在根据本发明的该发光器件和根据本发明的另一发光器件中，多个发光元件都叠置于支撑基底的一个面上。因此，容易制造这些器件，并可以高精度设置发光区。
在根据本发明的该光学装置和根据本发明的另一光学装置中，具有根据本发明的发光器件，其中有高精度设置的发光区。这有助于尺寸的减小。
以下说明书将更充分展示本发明的其它和进一步的目的、特征和优点。
附图说明
图1是展示现有技术发光器件的结构的一个例子的剖面图。
图2是展示现有技术发光器件的结构的另一例子的剖面图。
图3是展示现有技术发光器件的结构的再一例子的剖面图。
图4展示根据本发明第一实施例的发光器件结构的剖面图。
图5是展示密封图4所示发光器件的外壳结构的局部放大透视图。
图6A和6B是介绍制造图4所示发光器件的方法的剖面图。
图7A和7B是介绍图6B后的制造工艺的剖面图。
图8A和8B是介绍图7B后的制造工艺的剖面图。
图9A和9B是介绍图8B后的制造工艺的剖面图。
图10是展示利用图4所示发光器件的光盘记录/再现装置的结构的示图。
图11是展示根据本发明第二实施例的发光器件的结构的剖面图。
图12A和12B是介绍制造图11所示发光器件的方法的剖面图。
图13A和13B是介绍图12B后制造工艺的剖面图。
图14是介绍图13B后制造工艺的剖面图。
图15是展示利用图11所示发光器件的显示装置的示意结构的平面图。
图16是展示图15所示显示装置的驱动电路的主要部分结构的示图。
图17是展示根据本发明第三实施例的发光器件的结构的剖面图。
图18A和18B是介绍制造图17所示发光器件的方法的剖面图。
具体实施方式
下面将结合各附图详细介绍本发明的各实施例。
第一实施例
图4示出了根据本发明第一实施例的发光器件10A的剖面结构。发光器件10A具有支撑基底11、设置于支撑基底11一个面上的第一发光元件20和设置于第一发光元件20的与支撑基底11相反的一侧上的第二发光元件30。
支撑基底11由例如铜(Cu)等金属构成，并用作散发第一和第二发光元件20和30产生的热量的热沉。支撑基底11与外部电源(未示出)电连接，还起电连接第一发光元件20和外部电源的作用。
第一发光元件20例如是能发射约400nm波长的光的半导体激光器。第一发光元件20的结构如下，在设置支撑基底11的那一侧上，由氮化物系III-V族化合物半导体构成的n型包层22、有源层23、防退化层24、p型包层25和p侧接触层26，按所述顺序彼此叠置于由氮化物系III-V族化合物半导体构成的第一衬底21上。氮化物系III-V族化合物半导体是至少含有短周期型周期表中3B族元素中的一种和至少含有短周期型周期表中5B族元素中的氮(N)的材料。
具体说，第一衬底21例如由掺硅(Si)作n型杂质的n型GaN构成，其在淀积方向的厚度(以下简称为厚度)例如为80-100微米。GaN是在可见光区(约380-800nm)透明的材料。GaN是具有约1.3W/(cm·K)的优异热导率的材料。利用这种特性，第一衬底21可作为散除第二发光元件30所产生热量的热沉。
n型包层22例如厚1微米，由掺有硅作n型杂质的n型AlGaN(例如Al0.08Ga0.92N)混晶构成。有源层23例如厚30nm，具有多量子阱结构，包括由具有不同组分的GaxIn1-xN(其中x≥0)构成的阱层和势垒层。有源层23用作发光部分。
防退化层24例如20nm厚，由掺有镁(Mg)作p型杂质的p型AlGaN(例如Al0.2Ga0.8N)混晶构成。p型包层25例如0.7微米厚，由掺有镁(Mg)作p型杂质的p型AlGaN(例如Al0.08Ga0.92N)混晶构成。p侧接触层26例如厚0.1微米，由掺有镁(Mg)作p型杂质的p型GaN构成。
p型包层25的一部分和p侧接触层26形成为窄条形，在谐振腔方向(垂直于图4中图面的方向)延伸，以形成所谓的激光条，从而限制电流。p侧接触层26设置在垂直于谐振腔方向的方向(图4中箭头A所示方向)的中央部分。p侧接触层26的侧面和p型包层25的与防退化层24相对的一侧被二氧化硅(SiO2)等构成的绝缘层27覆盖。有源层23中对应于p侧接触层26的区是发光区。
在p侧接触层26的与p型包层25相反的一侧上，形成有p侧电极28。p侧电极28通过从p侧接触层26侧起依次淀积钯(Pd)、铂(Pt)和金(Au)形成，并与p侧接触层26电连接。p侧电极28还通过粘附层12与支撑基底11电连接。粘附层12例如由金(Au)和锡(Sn)的合金或锡构成。
在第一衬底21与支撑基底11相对的一侧上，对应于以后将介绍的光激射部分50，设置有n侧电极29。n侧电极29例如通过从第一衬底21侧起依次淀积钛(Ti)和铝，并通过热处理使所淀积的材料合金化得到，n侧电极29与第一衬底21电连接。n侧电极29还可作为连接光激射部分50与外部电源的布线。在第一衬底21的与支撑基底11相反的一侧上，形成有电连接第二发光元件30的光激射部分40的布线层13，两者间具有绝缘膜14。布线层13例如由金属构成。以后将详细介绍光激射部分40的情况。
另外，在第一发光元件20的谐振腔方向上的端部的一对侧面，用作谐振腔的两个端面。一对反射镜膜(未示出)形成于该谐振腔的该对端面上。该对反射镜膜中的一个设定为以高反射率反射有源层23中产生的光，另一个设定为以低于上述反射率的反射率反射光，所以光从另一个膜中出来。
第二发光元件30例如具有第二衬底31、光激射部分40和光激射部分50。光激射部分40能够发射约700nm范围内的光(例如780nm)，该部分形成于第二衬底31上设置支撑基底11的一侧上，其间具有缓冲层32。光激射部分50能够发射约600nm范围内的光(例如650nm)，该部分形成于第二衬底31上设置支撑基底11的一侧上，其间有缓冲层32。第二衬底31例如厚约100微米，由掺杂有硅作n型杂质的n型GaAs构成。缓冲层32例如厚约0.5微米，并由掺有硅作n型杂质的n型GaAs构成。光激射部分40和50间设有例如200微米或更小的间隔，以便它们的谐振腔方向与第一发光元件20的方向对准，第一发光元件20的p侧接触层26位于光激射部分40和50之间。具体说，光激射部分40的发光区和光激射部分50的发光区间的空间约为120微米，第一发光器件20的发光区定位成恰好位于光激射部分40和50的发光区中间。以后将介绍光激射部分40和50的发光区的具体情况。
光激射部分40具有以下结构，即，n型包层41、有源层42、p型包层43和p型帽盖层44按所述顺序从第二衬底31侧起依次彼此叠置。每层例如都由至少含短周期型周期表中的3B族元素中的镓(Ga)和至少含短周期型周期表中的5B族元素中的砷(As)的III-V族化合物半导体构成。
具体说，n型包层41例如厚1.5微米，由掺硅作n型杂质的n型AlGaAs混晶构成。有源层42例如厚40nm，具有多量子阱结构，包括由具有不同组分的AlxGa1-xAs(其中x≥0)构成的阱层和势垒层。有源层42用作发光部分，例如，输出光波长在约700nm的范围内。p型包层43例如厚1.5微米，由掺有锌(Zn)作p型杂质的p型AlGaAs混晶构成。p型帽盖层44例如厚0.5微米，由掺有锌(Zn)作p型杂质的p型GaAs构成。
p型包层43的一部分和p型帽盖层44形成为在谐振腔方向延伸的窄条形，从而限制电流。条形部分的两侧上，设置有电流阻挡区45。有源层42的对应于p侧帽盖层44的区用作发光区。
p型帽盖层44的与p型包层43相对的一侧上，形成p侧电极46。p侧电极46例如通过从p型帽盖层44侧起依次淀积钛、铂和金，并通过热处理使所淀积材料合金化形成，并与p型帽盖层44电连接。p侧电极46还通过粘附层15与布线层13电连接。粘附层15例如由与粘附层12类似的材料构成。
光激射部分50具有以下结构，即，n型包层52、有源层53、p型包层54和p型帽盖层55按所述顺序从第二衬底31侧起依次波此叠置，中间具有缓冲层51。每层例如都由至少含短周期型周期表中的3B族元素中的铟(In)和至少含短周期型周期表中的5B族元素中的磷(P)的III-V族化合物半导体构成。
具体说，缓冲层51例如0.5微米厚，由掺杂有硅作n型杂质的n型InGaP混晶构成。n型包层52例如厚1.5微米，由掺硅作n型杂质的n型AlGaInP混晶构成。有源层53例如厚35nm，具有多量子阱结构，包括由具有不同组分的AlxGayIn1-x-yP(其中x≥0，y≥0)的阱层和势垒层。有源层53用作发光部分。p型包层54例如厚1.0微米厚，由掺有锌(Zn)作p型杂质的p型AlGaInP混晶构成。p型帽盖层55例如厚0.5微米，由掺有锌(Zn)作p型杂质的p型GaAs构成。
p型包层54的一部分和p型帽盖层55形成为窄条形，以便形成在谐振腔方向延伸的电流限制区。条形部分的两侧上，设置有电流阻挡区56。有源层53的对应于p侧帽盖层55的区用作发光区。
p型帽盖层55的与p型包层54相反的一侧上，设置有p侧电极57。p侧电极57与p型帽盖层55电连接，例如具有与p侧电极46类似的结构。p侧电极57还通过粘附层16与第一发光元件20的n侧电极29电连接，所说粘附层16由与粘附层15类似的材料构成。
在第二衬底31的与支撑基底11相对的一侧上，形成光激射部分40和50的n侧电极33。n侧电极例如可通过从第二衬底31一侧起依次淀积金(Au)和锗(Ge)的合金、镍和金，并通过热处理使所淀积的材料合金化得到。
另外，在第二发光元件30的谐振腔方向上的端部的一对侧面，用作谐振腔的两个端面。一对反射镜膜(未示出)形成于每个光激射部分40和50的谐振腔的该对端面上。该对反射镜膜之间的反射率关系，设定为对应于设置于第一发光元件20中的那对反射镜膜之间的反射率关系。光从第一发光元件20及第二发光元件30的光激射部分40和50的相同侧发射。
如图5所示，实际应用时，具有这种结构的发光器件10A例如被密封在外壳1内。外壳1例如具有盘形支撑体2和设置在支撑体2一面上的盖体3。盖体3内，支撑基底11由支撑体2支撑，发光器件10A被密封。发光器件10A发射的光从盖体3的窗口3a发出。
外壳1上具有多个导电管脚4a-4d，管脚4a与支撑基底11电连接。其它管脚4b-4d例如分别通过绝缘环5b-5d穿过支撑体2，从盖体3内延伸到外部。布线层13通过布线6b电连接管脚4b。n侧电极29通过布线6c电连接管脚4c。n侧电极33通过布线6d电连接管脚4d。尽管这里作为例子介绍了具有四个管脚4a-4d的外壳1，但可以根据需要设定管脚数。例如，在布线层13和支撑基底11通过布线连接时，不需要管脚4b，管脚数将变为3。
这种发光器件10A可如下制造。图6A-9B示出了制造发光器件10A的方法的各制造步骤。
首先，如图6A所示，例如，制备由n型GaN构成的第一衬底21，其厚约400微米。在第一衬底21的表面上，利用MOCVD依次生长由n型AlGaN混晶构成的n型包层22、由InGaN混晶构成的有源层23、由p型AlGaN混晶构成的防退化层24、由p型AlGaN混晶构成的p型包层25和由p型GaN构成的p侧接触层26。在生长每层时，第一衬底21的温度例如调到750℃-1100℃。
参见图6B，在p侧接触层26上形成掩模(未示出)。把p侧接触层26和p型包层25的上层部分，选择性蚀刻成窄条形，于是露出p型包层25。然后，利用p侧接触层26上的未示出的掩模，形成绝缘层27，覆盖p型包层25的表面和p侧接触层26的侧面。
形成绝缘层27后，在p侧接触层26表面上和周围，例如依次汽相淀积钯、铂和金，形成p侧电极28。另外，为容易在以后将介绍的工艺中解理第一衬底21，例如，研磨并抛光第一衬底21的背面侧，使第一衬底的厚度变为约100微米。
然后，在第一衬底21的背面侧上，在对应于光激射部分40的位置，形成绝缘膜14，并在绝缘膜14上形成布线层13。与光激射部分50的位置对应，例如，依次汽相淀积钛和铝，形成n侧电极29。具体说，布线层13和n侧电极29中的每一个都形成在离p侧接触层26约60微米的位置。在本实施例中，第一衬底21由GaN构成，在可见光区是透明的，由III-V族化合物半导体构成、并且在可见光区也是透明的各层，叠置于第一衬底21上。因此，从第一衬底21侧可以观察p侧电极28的位置，可以在光刻工艺中以高精度实施定位。即，可以精确控制布线层13和n侧电极29形成的位置。由于第一衬底21的GaN硬，所以甚至在第一衬底21的厚度约为100微米时，在光刻工艺中第一衬底21也不会龟裂。
形成布线层13和n侧电极29后，进行热处理，使n侧电极29合金化。然后，尽管未示出，例如，以预定的宽度，垂直于p侧电极28的纵向，解理第一衬底21，在解理面上形成一对反射镜膜。以此方式，制造第一发光元件20。
如图7A所示，例如，制备由n型GaAs构成的第二衬底31，其厚度为约350微米。在第二衬底31的表面上，通过MOCVD依次生长n型GaAs层构成缓冲层32、n型AlGaAs构成的n型包层41、由AlxGa1-xAs(其中x≥0)混晶构成的有源层42、由p型AlGaAs混晶构成的p型包层43和由p型GaAs构成的p型帽盖层44。在生长每层时，第二衬底31的温度例如调到约750℃-800℃。
如图7B所示，在p型帽盖层44上，对应于将要形成光激射部分40的区域，形成抗蚀膜R1。然后，利用抗蚀膜R1作掩模，例如利用硫酸基腐蚀剂，选择性去除p型帽盖层44，并利用氢氟酸基腐蚀剂，选择性去除p型帽盖层44、p型包层43、有源层42和n型包层41的未覆盖抗蚀膜R1的部分。然后，去除抗蚀膜R1。
然后，如图8A所示，例如，利用MOCVD，依次生长n型InGaP混晶构成的缓冲层51、n型AlGaInP混晶构成的n型包层52、由AlxGayIn1-x-yP(其中x≥0，y≥0)混晶构成的有源层53、由p型AlGaInP混晶构成的p型包层54和由p型GaAs构成的p型帽盖层55。在生长每层时，第二衬底31的温度例如调到约680℃。
然后，如图8B所示，在p型帽盖层55上，对应于将要形成光激射部分50的区域，形成抗蚀膜R2。然后，利用抗蚀膜R2作掩模，例如利用硫酸基腐蚀剂，选择性去除p型帽盖层55，并利用磷酸基腐蚀剂和盐酸基腐蚀剂，选择性去除p型包层54、有源层53和n型包层52。利用盐酸基腐蚀剂，选择性去除缓冲层51。然后，去除抗蚀膜R2。
去除了抗蚀膜R2后，如图9A所示，例如，在p型帽盖层44和55上，形成窄条形掩模(未示出)，通过离子注入，在p型帽盖层44和55和p型包层43和54的上层部分中，引入例如硅等n型杂质。引入了杂质的区是绝缘的，变成电流阻挡区45和56。这种情况下，由于p型帽盖层44和55的位置利用光刻限定，所以可以精确地控制这些位置。
形成了电流阻挡区45和56后，如图9B所示，例如，在p型帽盖层44和55上和周围，依次汽相淀积镍、铂和金，形成p侧电极46和57。另外，通过研磨和抛光第二衬底31的背面，将第二衬底31的厚度例如设为约100微米。然后，例如，在第二衬底31的背面上，依次汽相淀积金和锗的合金、镍和金，从而形成光激射部分40和50的公用n侧电极33。然后，进行热处理，使p侧电极46和57及n侧电极33合金化。另外，尽管未示出，例如，以预定宽度，垂直于p侧电极46和57的纵向，解理第二衬底31，在解理面上形成一对反射镜膜。以此方式，形成第二发光元件30。
如上所述形成了第一和第二发光元件20和30后，制备支撑基底11。例如，利用粘附层12，将第一发光元件20的绝缘层27和p侧电极28及支撑基底11粘附在一起。例如，利用粘附层15，将第二发光元件30的p侧电极46和布线层13粘附在一起。例如，利用粘附层16，将第二发光元件30的p侧电极57与第一发光元件20中的p侧电极29粘附在一起。以此方式，完成图4所示发光器件10A。
由于第二发光元件30设置于第一发光元件20上。以便布线层13和利用高精度光刻技术形成的n侧电极29，对应于利用高精度光刻技术类似形成的p型帽盖层44和55，所以可以精确控制发光区的位置。
在同时粘附支撑基底11与第一发光元件20、粘附第一和第二发光元件20和30的情况下，较好是利用相同材料形成粘附层12、15和16。在分别进行粘附时，较好是利用熔点高于以后粘附的粘附层材料的熔点的材料形成首先粘附的粘附层。具体说，首先粘附的粘附层由金和锡合金构成，以后粘附的粘附层由锡构成。这样，每次都可以在不过度加热各层的情况下进行非常好的粘附。
发光器件10A密封在外壳1中，如图5所示，其工作情况如下。
在发光器件10A中，在电压通过外壳1的管脚4c和4a，加于第一发光元件20的n侧电极29和p侧电极28之间时，电流通过有源层23，电子和空穴复合发光。第一发光元件20发射波长约400nm的光。在预定电压加于第二发光元件30的n侧电极33和p侧电极46时，电流通过有源层42，电子和空穴复合发光，光激射部分40发射波长在700nm范围的光。另外，在预定电压通过管脚4d和4b，加于第二发光元件30的n侧电极33和p侧电极57之间时，电流通过有源层53，电子和空穴复合发光，光激射部分50发射波长在约600nm范围的光。光通过外壳1的光输出窗3a从外壳1中射出。
尽管发光时也产生热，但由于第一衬底21由具有较高热传导率的材料构成，光激射部分40或50产生的热可通过第一衬底21和支撑基底11很快地散出去。第一发光元件20产生的热通过支撑基底11很快地散发出去。
在根据上述实施例的发光器件10A中，第一和第二发光元件20和30是叠置的。因此，不必在同一衬底上生长氮化物系III-V族化合物半导体层和AlGaAs和AlGaInP系III-V族化合物半导体层。所以，可以容易得到波长约为400nm的多波长激光器。采用发光器件10A，例如可以容易制造能够利用多种光源使用任何光盘实现光记录/再现的光盘驱动器。
尤其是，第一发光元件20具有氮化物系III-V族化合物半导体层，所以可以发射波长为约400nm的光。所以，通过在例如光盘驱动器等光学装置上安装发光器件10A，可以利用其上以较高记录面密度记录有信息的光盘，实现光记录/再现。
由于第一衬底21由在可见光区透明的材料构成，所以可以利用光刻技术，以高定位精度形成n侧电极29和布线层13。通过在利用光刻技术以高定位精度形成的第二发光元件30上固定p侧电极46和57，可以精确控制第一和第二发光元件20和30的发光区的位置。另外，通过设定每个间隔为预定的较小值，每个发光元件发射的光都可以通过小直径区域射出。
另外，第一衬底21由具有高热传导率的材料构成，所以光激射部分40和50发光时产生的热可以通过第一衬底21很快地散发到支撑基底11。所以，甚至在第二发光元件30设置于第一发光元件20之上时，也可以防止发光元件30的温度升高，所以器件可以长时间稳定工作。
发光器件10A例如可用于作为光学器件的光盘记录/再现装置。图10示意性示出了光盘记录/再现装置的结构。光盘记录/再现装置可以利用不同波长的光再现记录于光盘上的信息，并可以在光盘上记录信息。光盘记录/再现装置具有用于将发光器件10A发射的预定波长的光Lout引导到光盘D，并在发光器件10A和控制单元111的控制下，从光盘D读取信息光(反射光Lref)的光学系统。该光学系统具有束分离器112、准直透镜113、反射镜114、方波板115、物镜116、信号光探测透镜117、信号光探测光接收装置118和信号光再现电路119。
在该光盘记录/再现装置中，例如来自发光器件10具有很强强度的输出光Lout被束分离器112反射，被准直透镜113加工成平行光，并被反射镜114反射。反射镜114反射的输出光Lout穿过方波板115。然后，被物镜116会聚，并射到光盘D上，从而在光盘D上写入信息。来自发光器件10具有弱强度的输出光Lout穿过如上所述的光学部件，射到光盘D上，并被光盘D反射。反射光Lref穿过透镜116、方波板115、反射镜114、准直透镜113、束分离器112和信号光探测透镜117，射到信号光探测光接收装置118上，在此光被转换成电信号。然后，写到光盘D上的信息由信号光再现电路119再现。
如上所述，根据本实施例的发光器件10A可以密封在一个外壳中，并从多个精确隔开的发光区中发射输出光Lout。通过利用发光器件10A，利用普通的光学系统便可以将不同波长的多个输出光Lout引导到预定位置。所以，可以实现具有简化结构的小型、低成本光盘记录/再现装置。由于发光点间隔的误差极小，所以可以防止在光接收部分(信号光探测光接收装置118)形成图像的反射光Lref的位置随光盘记录/再现装置而改变。即，容易设计该光学系统，并可以提高该光盘记录/再现装置的产率。
本实施例发光器件10A可实现三种波长即约400nm、600nm范围内和700nm范围内的光发射。不仅可以利用现有各种光盘例如CD-ROM(只读存储器)、CD-R、CD-RW、MD和DVD-ROM，而且可以利用所谓的DVD-RAM(随机存取存储器)、DVD+RW、DVD+R/RW等目前已提供出作为可再写块存储盘的光盘实现光记录/再现。另外，光记录/再现还变得可以利用具有较高记录面密度(例如20G字节以上)的未来一代可记录光盘(例如用于DVR(数字视频记录器)或VDR(视频盘记录器)的光盘，已提出用这种盘作为未来一代的光盘装置)。采用这种未来一代的可记录块存储盘，可以以高图像质量和优异的可操作性实现视频数据记录和所记录数据的再现。
以上给出的介绍涉及发光器件10A应用于光盘记录/再现装置的一个例子。然而，显然，发光器件10A可广泛应用于例如光盘再现装置、光盘记录装置、用于利用磁光盘(MO)实现光记录/再现的磁光盘装置和光通信系统等各种光学装置中。还可应用于具有不得不在高温下工作的车载半导体激光装置的设备等中。
第二实施例
图11示出了根据本发明第二实施例的发光器件10B的剖面结构。除第二发光元件60代替第一实施例中的发光器件10A的第二发光元件30外，发光器件10B具有与发光器件10A相同的结构、作用和效果。相同的参考数字，表示与第一实施例相同的部件，所以不再重复对它们的详细介绍。
除能够发射波长范围为500nm(例如520nm)的光的光激射部分70，代替第一实施例中，第二发光元件30的光激射部分40，并且不提供缓冲层32外，第二实施例的第二发光元件60具有与第二发光元件30相同的结构。
光激射部分70具有以下结构，例如n型包层72、波导层73、有源层74、波导层75、p型包层76、第一p型半导体层77、第二p型半导体层78、p型超晶格层79和p侧接触层80，按所述顺序，依次叠置于第二衬底31的设置支撑基底11的一侧上，并且中间有缓冲层71。例如，每层都由含选自短周期型元素周期表中2A或2B族的至少一种元素，和选自短周期型元素周期表中6B族中的至少一种元素的II-VI族化合物构成，所说2A或2B族元素包括锌(Zn)、镉(Cd)、汞(Hg)、铍(Be)和镁(Mg)，所说6B族元素包括硫(S)、硒(Se)和碲(Te)。
具体说，缓冲层71通过从第二衬底31侧起，依次淀积掺杂硅作为n型杂质的n型GaAs膜、掺杂氯(Cl)作n型杂质的ZnSe膜、掺杂氯作n型杂质的ZnSSe混晶层形成。缓冲层71的厚度例如为100nm。n型包层72的厚度例如为1微米，由掺氯作n型杂质的n型ZnMgSSe混晶构成。波导层73例如厚0.1微米，由掺氯作n型杂质的ZnSSe混晶构成。有源层74例如厚20nm，具有由阱层和势垒层构成的多量子阱结构，所说阱层和势垒层由具有不同组分ZnxCd1-xSe(其中x≥0)混晶构成。有源层74用作发光部分。
波导层75例如厚0.1微米，由掺氮作p型杂质的p型ZnSSe混晶或未掺杂ZnSSe混晶构成。p型包层76例如厚1.0微米，由掺氮作p型杂质的p型ZnMgSSe混晶构成。第一p型半导体层77例如厚0.2微米，由掺氮作p型杂质的p型ZnSSe混晶构成。第二p型半导体层78例如厚0.2微米，由掺氮作p型杂质的p型ZnSe混晶构成。p型超晶格层79例如厚35nm，通过交替淀积掺氮作p型杂质的p型ZnSe膜和掺氮作p型杂质的ZnTe膜形成。p侧接触层80例如厚0.1微米，由掺氮作p型杂质的p型ZnTe构成。
第一p型半导体层77、第二p型半导体层78、p型超晶格层79和p侧接触层80的一部分形成为在谐振腔方向延伸的窄条形，以便限制电流。在条形部件的两侧上，提供电流阻挡区81。有源层74中对应于p侧接触层80的区域用作发光区。
在p型接触层80的与p型超晶格层79相反的一侧上，形成p侧电极82。p侧电极82例如通过从p侧接触层80起依次淀积钯(Pd)、铂(Pt)和金，并通过热处理使所淀积材料合金化形成，该电极与p侧接触层80电连接。p侧电极82还通过粘附层15与布线层13电连接。
除形成第二发光元件60代替发光器件10A中的第二发光元件30外，具有这种结构的发光器件10B可按与第一实施例类似的方式制造。
具体说，如下制造第二发光元件60。首先，如图12A所示，按类似于第一实施例的方式，例如在n型GaAs构成的第二衬底31的表面上，依次生长由n型InGaP混晶构成的缓冲层51、由n型AlGaInP混晶构成的n型包层52、由AlxGayIn1-x-yP(其中x≥0，y≥0)混晶构成的有源层53、由AlGaInP混晶构成的p型包层54及由p型GaAs构成的帽盖层55。
然后，如图12B所示，对应于将要形成光激射部分50的区域，例如通过CVD(化学汽相淀积)，在p型帽盖层55上形成由二氧化硅或氮化硅(Si3N4)构成的掩模M。利用掩模M，进行例如RIE(反应离子刻蚀)等蚀刻，从而选择性去除p型帽盖层55、p型包层54、有源层53、n型包层52和缓冲层51。
然后，如图13A所示，在第二衬底31的表面上，例如利用MBE(分子束外延)，依次生长缓冲层71、由n型ZnMgSSe混晶构成的n型包层72、由n型ZnSSe混晶构成的波导层73、由ZnxSe1-xCd(其中x≥0)混晶构成的有源层74、由p型ZnSSe混晶构成的波导层75、由p型ZnMgSSe混晶构成的p型包层76、由p型ZnSSe混晶构成的第一p型半导体层77、由p型ZnSe构成的第二p型半导体层78、交替淀积p型ZnSe膜和p型ZnTe膜形成的p型超晶格层79和由p型ZnTe构成的p侧接触层80，其中缓冲层是通过依次淀积n型GaAs膜、n型ZnSe膜和n型ZnSSe混晶形成。在生长每层时，第二衬底31的温度例如调到约280℃。然后，去除掩模M。
去除了掩模M后，如图13B所示，例如形成具有与将要形成电流阻挡区56的区对应的开口的掩模(未示出)，并通过离子注入引入例如氯等n型杂质，形成电流阻挡区56。在整个表面上，形成具有与将要形成电流阻挡区81的区对应的开口的掩模(未示出)，并通过在p侧接触层80、p型超晶格层79、第二半导体层78及第一p型半导体层77的上层部分进行离子注入，引入例如氯等n型杂质，从而形成电流阻挡区81。由于这里按类似于第一实施例的方式，采用光刻技术，所以可以精确限定光激射部分50和70的发光区的位置。
形成电流阻挡区56和81后，如图14所示，在p型帽盖层55的表面上和周围，例如依次汽相淀积钛、铂和金，从而形成p侧电极57。在p侧接触层80的表面上和周围，例如，依次汽相淀积钯、铂和金，形成p侧电极82。然后，对应于将要形成光激射部分50的区，形成掩模(未示出)，选择性去除p侧接触层80到缓冲层71的部分。
选择性去除p侧接触层80至缓冲层71的部分后，例如研磨并抛光第二衬底31的背面侧，按与第一实施例的方式，在第二衬底31的背面侧上形成n侧电极33。然后，进行热处理，使p侧电极57和82及n侧电极33合金化。最后，以预定宽度，垂直于p侧电极57和82的纵向，解理衬底31，并在解理面上形成一对未示出的反射镜膜。以此方式，制造第二发光元件60。
由于根据本实施例的发光器件10B具有能够在约400nm范围发光的第一发光元件20，以及包括能够在约500nm范围发光的光激射部分70和能够在约700nm范围发光的光激射部分50的第二发光元件60，所以可以实现能够发射红(R)、绿(G)和蓝(B)三原色光的发光器件。发光器件10B不仅可用作光盘驱动的光源，而且可用于全色显示。
在用发光器件10B作全色显示的光源时，通过适当调节有源层23、53和74的材料组分，可以使每个发光部分发射的光具有所希望的色调。
图15示出了采用根据本实施例的发光器件10B的显示器120的示意结构。显示器120具有电路板121和设于电路板121的一个面上的本实施例的多个发光器件10B。例如，每个发光器件10B被密封在图5所示的外壳1中，这些发光器件10B按M行和N列的矩阵方式排列(其中M和N是自然数)。尽管图15中未示出，但在电路板121上，形成有列方向共用线122和123和行方向共用线124和125。
图16示出了显示器120的驱动电路的示意结构。每个发光器件10B的支撑基底11通过布线与列方向共用线122连接，第二发光元件60的n侧电极33通过布线与列方向共用线123连接。布线层13与行方向上的共用线124连接，第一发光元件20的n侧电极29通过布线与行方向的共用线125连接。共用线122-125与控制单元(未示出)相连，并根据来自控制单元的信号，可以显示希望的颜色。
当电压通过外壳1(图5)的管脚4d和4b加于n侧电极33和p侧电极82之间时，电流通过有源层74，电子和空穴复合发光，可以从光激射部分70发射500nm范围波长的光，除此之外，第二实施例的发光器件10B按与第一实施例的发光器件10A类似的方式工作。
第三实施例
图17示出了本发明第三实施例的发光器件10C的剖面结构。除提供第一发光元件90代替第一实施例中发光器件10A的第一发光元件20，并且支撑基底17代替支撑基底11外，发光器件10C具有与第一实施例的发光器件10A相同的结构、作用和效果。相同参考数字表示与第一实施例相同的部件，因此这里不再重复对它们的详细介绍。
关于第一衬底91所用不同材料方面，第一发光元件90与第一发光元件20极为不同。例如，第一衬底91由厚约80微米的蓝宝石构成。蓝宝石是绝缘材料，并象GaN一样在可光区是透明的。第一发光元件90具有以下结构，例如在第一衬底91的c切面上，从第一衬底91一侧起，按所述顺序，依次叠置n侧接触层93、n型包层22、有源层23、防退化层24、p型包层25和p型接触层26，其间具有缓冲层92。p型包层25的表面上和p侧接触层26的侧面上，形成有绝缘层27，p侧电极28形成于p侧接触层26的与p侧包层25相反的一侧上。
缓冲层92例如厚30nm，由未掺杂GaN或掺硅作n型杂质的n型GaN构成。n侧接触层93例如厚5微米，由掺硅作n型杂质的n型GaN构成。
n侧接触层93具有暴露部分，该部分上未形成n型包层22、有源层23、防退化层24、p型包层25和p侧接触层26。在暴露部分，例如，形成有n侧电极94，n侧电极94是通过从n侧接触层93起，依次淀积钛和铝，并通过热处理合金化形成的。在本实施例中，提供绝缘膜27，也覆盖p型包层25、防退化层24、有源层23和包层22的侧面。
支撑基底17由具有高热传导率的绝缘材料例如氮化铝(AlN)构成。支撑基底17的一个面上，对应于第一发光元件90的p侧电极28，提供有由金属构成的布线层17a，对应n侧电极94，提供有由金属构成的布线层17b。p侧电极28和布线层17a通过其间的粘附层12彼此粘附在一起，n侧电极94和布线层17b通过其间的粘附层18彼此粘附在一起。
在第一衬底91的与支撑基底17相反的一侧上，按类似于第一实施例的方式，提供布线层13，并为连接光激射部分50与外部电源，提供由金属构成的布线层19，代替第一实施例中的n侧电极29。
例如，通过按与第一实施例类似的方式密封在外壳中，使用发光器件10C。在外壳中，在支撑体的一个面上提供固定台，支撑基底17设置于固定台上。外壳例如具有5个通过布线与布线层13、17a、17b和19及n侧电极33电连接的管脚。这种情况下，与第一实施例的方式类似，也可以适当地设定管脚数。
可以如下制造发光器件10C。
首先，如图18A所示，例如，制备厚约400微米由蓝宝石构成的第一衬底91。在第一衬底91的c切面上，生长由未掺杂的GaN或n型GaN构成的缓冲层92。此时，第一衬底91的温度例如设定为500℃。然后，在缓冲层92上，依次生长由n型GaN构成的n型接触层93、由n型AlGaN混晶构成的n型包层22、由InGaN混晶构成的有源层23、由p型AlGaN混晶构成的防退化层24、由p型AlGaN混晶构成的p型包层25和由p型GaN构成的p侧接触层26。在生长每层时，第一衬底91的温度调到合适的温度，例如750-1100℃。
如图18B所示，依次蚀刻p侧接触层26、p型包层25、防退化层24、有源层23和n型包层22，以暴露n侧接触层93的一部分。然后，形成未示出的掩模，并利用该掩模，例如通过RIE，在p型包层25和p侧接触层26的上层部分形成窄条形。
例如通过汽相淀积，在被选择性腐蚀了一部分的各层的侧面上，及在p型包层25的表面上，形成二氧化硅构成的绝缘层27。然后，研磨并抛光第一衬底91的背面侧，使第一衬底91的厚度变为例如约100微米。
减薄了第一衬底91后，在第一衬底91的与缓冲层92相反的一侧上，在预定位置，形成布线层13和19。按与第一实施例类似的方式，第一衬底91由在可见光区透明的材料构成，以便可以精确控制形成布线层13和19的位置。
然后，例如在p侧接触层26及其周围上，依次汽相淀积镍、铂和金，形成p侧电极28。例如，在n侧接触层93的表面上，汽相淀积钛和铝，形成n侧电极94。另外，通过热处理使p侧电极28和n侧电极94合金化。然后，尽管这里未示出，但例如，以预定宽度，垂直于p侧电极28的纵向，解理第一衬底91，并在解理面上形成一对反射镜膜。以此方式，制造第一发光元件90。
然后，按与第一实施例类似的方式，制造第二发光元件30。
制备其上形成有布线层17a和17b的支撑基底17，利用其间的粘附层12将第一发光元件90的p侧电极28与布线层17a粘附在一起。利用其间的粘附层18将n侧电极94与布线层17b粘附在一起，利用其间的粘附层15，将第二发光元件30的p侧电极46与布线层13粘附在一起，利用其间的粘附层16，将p侧电极57和布线层19粘附在一起。以此方式，完成发光器件10C。
在根据本实施例的发光器件10C中，第一衬底91由在可见光区透明的蓝宝石构成，所以可按与第一实施例类似的方式，精确地控制第一和第二发光元件90和30的发光区。
尽管以上利用实施例介绍了本发明，但本发明不限于这些实施例，可以有各种改进。在上述实施例中，介绍了第一发光元件20和90及第二发光元件30和60的特定叠置结构作为例子。本发明可类似地应用于第一发光元件20和90或第二发光元件30和60具有其它结构的情况。例如，第一发光元件可具有按与第二发光元件30和60类似的方式利用电流阻挡区限制电流的结构。第二发光元件可以具有按与第一发光元件20和90类似的方式利用二氧化硅等构成的绝缘膜使电流变窄的结构。尽管上述实施例中，作为例子介绍了增益波导型和折射率波导型结合的脊形波导型半导体激光器，但本发明可类似地应用于增益波导型半导体激光器和折射率波导型半导体激光器。
另外，在上述实施例中，介绍了由GaN、AlGaAs和AlGaInP构成的各层利用MOCVD形成的情况。各层可以利用例如MBE或混合汽相外延等其它汽相外延形成。混合汽相外延是卤素用于传输或反应的汽相外延。尽管第二实施例中介绍了由ZnSe化合物构成的各层利用MBE形成的情况，但这些层可以利用例如MOCVD等其它汽相外延形成。
此外，尽管介绍了关于第一发光元件20和90中的第一衬底21和91的材料的特定例子，但也可以采用其它材料。较好是采用在可见光区透明的材料，因为可以得到上述实施例的上述效果。更好是采用具有高热传导率的材料，这种材料的例子有氮化铝和碳化硅(SiC)。
另外，在第三实施例中，介绍了提供具有AlGaAs系光激射部分40和AlGaInP系光激射部分50的第二发光元件30的情况。此外，也可以提供第二实施例中的第二发光元件60。
另外，上述实施例中，介绍了第一发光元件20(90)和第二发光元件30(60)发射不同波长的光的情况。可以在支撑基底11(17)的一个面上，叠置多个第一发光元件20(90)。另外，可以叠置多个不同特性或结构的发光元件。这种情况下，波长可以相同或不同。在叠置多个不同特性的发光元件时，例如，可以混合使用低输出器件和高输出器件。
尽管上述实施例介绍了第一发光元件20(90)具有一个发光部分的情况，但第一发光元件20(90)可以具有多个发光部分，具体说，具有与第二发光元件30类似的多个光激射部分。这种情况下，各光激射部分的波长可以相同或不同。特性或结构也可以相同或不同。
另外，在各实施例中，介绍了第二发光元件30(60)具有两个光激射部分的情况，但第二发光元件的光激射部分的数量可以是一个或三个或更多。光激射部分的波长、特性或结构可以相同或不同。
此外，尽管上述实施例中介绍了作为所谓的单片型多波长激光器的每个第二发光元件30和60，但本发明还可应用于如图2所示的第二发光元件为所谓的混合型多波长激光器的情况。
另外，尽管上述实施例中就支撑基底11和17的特定材料进行了介绍，但也可以采用其它材料。然而，较好是采用具有高热传导率的材料。尽管第一和第二实施例中，支撑基底11由金属构成，但按与第三实施例类似的方式，支撑基底可由绝缘材料构成，并可以在支撑基底上设置布线。
此外，尽管上述实施例中，在外壳1中封装发光器件时，支撑基底11(17)由支撑体2直接支撑，但也可以提供用于支撑体2的固定台，将支撑基底11(17)设置于固定台上。
尽管各实施例中介绍了半导体激光器作为发光元件的特定例子，但本发明也可以应用于例如发光二极管(LED)等具有其它发光元件的发光器件。
根据本发明的发光器件，由于多个发光元件叠于支撑基底的一个面上，不必在同一衬底上设置多个发光元件，所以容易制造器件。
尤其是，根据本发明一个方面的发光器件，第一衬底在可见光区是透明的，所以可以精确控制第一和第二发光元件的发光区的位置。
另外，根据本发明一个方面的发光器件，第一发光元件具有含3B族元素中的至少一种和5B族元素中的氮的半导体层，所以第一发光元件可以发射约400nm波长的光。因而，在发光器件安装于光学装置上时，可以实现具有较高性能的光学装置。
另外，根据本发明一个方面的发光器件，第一衬底由含3B族元素中的至少一种和5B族元素中的氮的氮化物系III-V族化合物半导体或蓝宝石构成。因此，可以通过第一衬底很快地散发第二发光元件发光时产生的热。所以可以防止第二发光元件温度升高，器件可以长时间稳定工作。
此外，根据本发明的光学装置利用本发明的发光器件构成。因而，可以实现较高性能，并可以减小尺寸，降低成本。
在上述教导下显然可以对本发明做出各种改进和变化。因此，应理解，在所附权利要求书的范围内，本发明可以用与上述介绍不同的方式实施。

Claims (10)

1.一种发光器件，包括：
支撑基底；
设置在上述支撑基底之上、由第一衬底和形成在该第一衬底上的第一光激射部分构成的第一发光元件；和
设置在上述第一发光元件之上、由第二衬底和形成在该第二衬底上的第二光激射部分与第三光激射部分构成的第二发光元件，其特征在于：
上述第一发光元件的第一光激射部分与上述支撑基底连接，上述第二发光元件的第二光激射部分与第三光激射部分与上述第一发光元件的第一衬底连接，
上述第一衬底由热传导性率高的透明材料制成。
2.根据权利要求1的发光器件，其中第一和第二发光元件可以发射不同波长的光。
3.根据权利要求1的发光器件，其中第一发光元件具有含3B族元素中的至少一种和5B族元素中的至少氮的半导体层。
4.根据权利要求3的发光器件，其中第一衬底由含3B族元素中的至少一种和5B族元素中的至少氮的氮化物系III-V族化合物半导体或蓝宝石构成。
5.根据权利要求1的发光器件，其中第二发光元件具有输出波长不同的多个发光部分。
6.根据权利要求1的发光器件，其中第二衬底由砷化镓构成。
7.根据权利要求1的发光器件，其中第二发光元件具有含3B族元素中的至少镓和5B族元素中的至少砷的半导体层。
8.根据权利要求1的发光器件，其中第二发光元件具有含3B族元素中的至少铟和5B族元素中的至少磷的半导体层。
9.根据权利要求1的发光器件，其中第二发光元件具有含2A族或2B族元素中的至少一种元素和选自6B族元素中的至少一种元素的半导体层，上述2A族或2B族元素包括锌、镉、汞、铍和镁，上述6B族元素包括硫、硒和碲。
10.一种光学装置，其特征在于安装有权利要求1所述的发光器件。
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