CN105283970A - 发光元件及发光元件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种发光元件，其具有：四元发光层；第一窗层，其形成在该四元发光层的一侧的主表面侧；第二窗层，其形成在所述四元发光层的另一侧的主表面侧，其特征在于，所述四元发光层的侧面比所述第一窗层和所述第二窗层的侧面更向所述发光元件的内侧凹陷。由此，可减少被破坏而变成不亮的不良情况，并可抑制光辐射功率输出和Vf的变动的高亮度发光元件及其制造成为可能。

Description

发光元件及发光元件的制造方法
技术领域
本发明关于一种发光元件及该发光元件的制造方法，该发光元件具有四元发光层和位于其上下的窗层。
背景技术
在制造超高亮度型红色发光元件时，有以下类型的发光元件：在MOVPE(金属有机物气相外延)的反应器内，在作为生长用基板的GaAs基板上使四元发光层、光取出用的窗层生长，取出基板后，在HVPE(氢化物气相外延)的反应器内，在窗层上进一步地使厚的窗层生长后芯片化。在该类型的发光元件中，通过增厚窗层，提升了来自发光元件的侧面的光的取出效率。此处，窗层的材料选择对从四元发光层放出的光透明的材料。
但是，从四元发光层向基板侧放出的光会由GaAs基板吸收。因此，为了取出向基板侧放出的光而进一步提升光取出效率，也有在已通过湿式蚀刻除去GaAs基板的外延晶圆上，使对光透明的窗层生长的类型的发光元件。在这种类型的发光元件中，由于是从上下的窗层来取出从发光层放出的光，故可寻求进一步的高亮度化。
由于这些窗层所使用的材料的折射率通常与空气不同，若依照斯内尔定律，则来自发光层的光无法全部从窗层取出，而会以一定比例在发光元件内损失。该光损失会导致发光元件的亮度降低，成为发光效率降低的重要原因。对此，已知通过蚀刻使窗层的表面粗化可提升光的取出效率(例如，参照专利文献1)。
在专利文献1中，将窗层设为GaP，通过用含有碘、醋酸、氢氟酸、硝酸的蚀刻液来进行湿式蚀刻，使GaP窗层的表面粗化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开2005-317663号公报
发明内容
(一)要解决的技术问题
然而，在专利文献1公开的利用蚀刻液的蚀刻中，虽然GaP窗层如上所述地被蚀刻，但四元发光层并没有被蚀刻，故四元发光层的侧面会比窗层的侧面更向外侧突出，发光元件的侧面形成为凸起状。若在该状态下用树脂来密封发光元件而制作发光装置，则沿着引线框而浸入发光装置内的药液容易侵蚀向外侧突出的发光层。
一旦发生发光层的浸蚀，则因发光层的浸蚀而消失的部分成为空洞，药液变得更容易浸入，反应量加速地变大。因此，容易发生发光元件被破坏变成不亮的不良情况。即使在没有变成不亮的情况下，若发光层向外侧突出，则也会产生光辐射功率输出或Vf的变动这样的问题。
本发明是鉴于如上所述的问题而完成的，其目的在于提供可减少被破坏而变成不亮的不良情况，并可抑制光辐射功率输出和Vf的变动的高亮度发光元件及其制造方法。
(二)技术方案
为了达成上述目的，根据本发明，提供一种发光元件，其具有：四元发光层；第一窗层，其形成于该四元发光层的一侧的主表面侧；第二窗层，其形成于所述四元发光层的另一侧的主表面侧，其特征在于，所述四元发光层的侧面比所述第一窗层和所述第二窗层的侧面更向所述发光元件的内侧凹陷。
若是这样的发光元件，则可抑制光辐射功率输出和Vf的变动，并可抑制药液接触发光层，其结果，成为可减少被破坏而变成不亮的不良情况的高亮度的发光元件。
此时，优选地，所述第一窗层和所述第二窗层的侧面被粗化。
若是这样的发光元件，则在成为更高亮度的同时，本发明特别有效地发挥作用。
此外，优选地，所述四元发光层的侧面比所述第一窗层和所述第二窗层的侧面，以2μm以下的范围更向内侧凹陷。
若是这样的发光元件，则在发光装置制造时，在通过树脂进行密封之际，可减少因凹部所导致的密封不良。
此外，所述四元发光层可由AlGaInP构成，所述第一窗层和所述第二窗层可由GaP构成。
若是这样的发光元件，则成为高品质。
此外，根据本发明，提供一种发光元件的制造方法，其具有下述工序：在四元发光层的一侧的主表面侧形成第一窗层的工序；在所述四元发光层的另一侧的主表面侧形成第二窗层的工序，其特征在于，具有以比所述第一窗层和所述第二窗层的侧面更向所述发光元件的内侧凹陷的方式来形成所述四元发光层的侧面的工序。
若是这样的制造方法，则可抑制光辐射功率输出和Vf的变动，并可抑制药液接触发光层，其结果，可制造能够减少被破坏而变成不亮的不良情况的高亮度的发光元件。
此时，优选地，具有将所述第一窗层和所述第二窗层的侧面粗化的工序。
如此，在可制造更高亮度的发光元件的同时，本发明特别有效地发挥作用。
此外，可以以比所述第一窗层和所述第二窗层的侧面以2μm以下的范围更向内侧凹陷的方式来形成所述四元发光层的侧面。
如此，可制造一种发光元件，在发光装置制造时，在通过树脂进行密封之际，可减少因凹部所导致的密封不良。
此外，所述四元发光层可使用AlGaInP，所述第一窗层及所述第二窗层可使用GaP。
如此，可制造高品质的发光元件。
此外，可通过使用含有碘、醋酸、氢氟酸、硝酸及盐酸的蚀刻液来进行蚀刻，从而以比所述第一窗层和所述第二窗层的侧面更向内侧凹陷的方式来形成所述四元发光层的侧面。
如此，能以低成本且简单地形成四元发光层的侧面的凹部。
(三)有益效果
在本发明中，由于以比第一窗层和第二窗层的侧面更向发光元件的内侧凹陷的方式来形成四元发光层的侧面，故可抑制光辐射功率输出和Vf的变动，并可抑制药液接触发光层，其结果，可得到能够减少被破坏而变成不亮的不良情况的高亮度的发光元件。
附图说明
图1是表示本发明的发光元件的一例的示意图。
图2是表示本发明的发光元件的制造方法的一例的工序流程图。
图3是表示在本发明的发光元件的制造方法的制造过程中，在GaAs基板上形成有外延层的示意图。
图4是表示在本发明的发光元件的制造方法的制造过程中，已除去GaAs基板和GaAs缓冲层的发光元件基板的示意图。
图5是表示在本发明的发光元件的制造方法的制造过程中，形成有GaP透明基板层的发光元件基板的示意图。
具体实施方式
下面，针对本发明说明实施方式，但本发明并不限定于该实施方式。
首先，参照图1对本发明的发光元件进行说明。
如图1所示，本发明的发光元件10具有第二窗层21、n型连接层13、四元发光层17、p型连接层18、第一窗层19。
第一窗层19隔着p型连接层18形成在四元发光层17上方的主表面侧，第二窗层21隔着n型连接层13形成在四元发光层17下方的主表面侧。
四元发光层17由n型包覆层14、活性层15、p型包覆层16构成。这些四元发光层17的各层可以由例如AlGaInP构成，第一窗层19、第二窗层21、n型连接层13、p型连接层18可以由例如GaP构成。
在第一窗层19上方的主表面上，以覆盖接合合金化层24a的方式形成有电极24，在电极24上连接有接合线28。在第二窗层21下方的主表面上，以覆盖接合合金化层25a的方式形成有电极25。
如下所述，本发明的发光元件10由于从位于上下的窗层19、21取出四元发光层17所放出的光，因此是非常高亮度的发光元件。
为了进一步提升亮度，也可以如图1所示，将第一窗层19及第二窗层21的侧面和露出的主表面粗化。该粗化例如可以如后述地通过蚀刻来进行。
进一步地，本发明的发光元件10的四元发光层17的侧面，比第一窗层19和第二窗层21的两个侧面更向发光元件的内侧凹陷。即，将第一窗层19和第二窗层21的两个侧面定义为基准面时，四元发光层17的两个侧面比分别对应的基准面更向内侧凹陷。
若是如此地向内侧凹陷的四元发光层17，则可抑制其光辐射功率输出和Vf的变动，并且，若使用本发明的发光元件来制作发光装置，则可有效地抑制沿着引线框而浸入发光装置内的药液接触四元发光层17。其结果，可减少四元发光层17因药液导致的浸蚀而被破坏，变成不亮的不良情况。
四元发光层17向内侧凹陷的量并无特别限定，但例如可以设在比第一窗层和第二窗层的侧面更向内侧凹陷2μm以下的范围内。通过设在该范围内，在通过树脂来密封本发明的发光元件而制造发光装置时，可减少凹部中产生树脂未充填部等的密封不良情况。凹陷量的下限例如可以设为1μm。只要凹陷量至少是1μm，就可确实地减少上述四元发光层17的破坏。
接下来，参照图2～图5对本发明的发光元件的制造方法进行说明。
首先，作为生长用基板，准备n型GaAs单晶基板11(图2的工序1)。
之后，如图3所示，在该n型GaAs单晶基板11的主表面上，使n型GaAs缓冲层12以例如厚度0.5μm外延生长(图2的工序2)，并在该n型GaAs缓冲层12上使n型连接层13外延生长。
之后，通过分别由(AlxGa1-x)yIn1-yP(其中，0≦x≦1，0≦y≦1)构成的n型包覆层14、活性层15、p型包覆层16来形成四元发光层17(图2的工序2)。具体而言，首先，使例如厚度1μm的n型包覆层14(n型掺杂剂是Si)作为第一导电型包覆层外延生长。其次，使例如厚度0.6μm的活性层15(未掺杂)外延生长，之后，将例如厚度1μm的p型包覆层16(p型掺杂剂是Mg：来自有机金属分子的C也可作为掺杂剂贡献)作为第二导电型包覆层，以该顺序来外延生长。
此处，p型包覆层16与n型包覆层14的各掺杂剂浓度可以设为例如1×1017/cm3以上且2×1018/cm3以下。
如此，通过四元发光层17具有双异质结构，该双异质结构由能带隙大于AlGaInP活性层的n型AlGaInP包覆层与p型AlGaInP包覆层夹着AlGaInP活性层呈三明治状，能够实现在例如从绿色到红色的广泛的波长范围中高亮度的元件。
之后，在p型包覆层16上使p型连接层18外延生长(图2的工序3)。
可通过公知的MOVPE法来进行上述各层的外延生长。
可使用如以下原料气体作为成为Al、Ga、In、P的各成分源的原料气体。可列举：
Al源气体：三甲基铝(TMAl)、三乙基铝(TEAl)等；
Ga源气体：三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)等；
In源气体：三甲基铟(TMIn)、三乙基铟(TEIn)等；
P源气体：三甲基磷(TMP)、三乙基磷(TEP)、磷化氢(PH3)等。
之后，作为光取出层，通过HVPE法使由p型GaP构成的第一窗层19气相生长(图2的工序4)。此时，为了提高光取出效率，使气相生长的第一窗层19的厚度成为10μm以上。通过如此地增加第一窗层19的厚度，以增加其侧面的面积，并进一步将侧面粗化，可大幅提高发光元件的光取出效率。
上述HVPE法，具体而言，通过一边在容器内将作为Ⅲ族元素的Ga加热到规定的温度并保持，一边在该Ga上导入氯化氢，通过下述式(1)的反应生成GaCl，与作为运载气体的H2气体一起向基板上供给。
Ga(液体)+HCl(气体)→GaCl(气体)+1/2H2…(1)
此时，将容器内的温度设为例如640℃以上且860℃以下。
作为Ⅴ族元素的P将PH3与作为运载气体的H2一起向基板上供给。
进一步地，作为p型掺杂剂的Zn以DMZn(二甲基锌)的形式供给。GaCl与PH3的反应性优异，通过下述式(2)的反应，可使窗层高效地生长。
GaCl(气体)+PH3(气体)
→GaP(固体)+HCl(气体)+H2(气体)…(2)
经过以上工序可得到图3所示的发光元件基板20。
若第一窗层19的生长结束，则如图4所示，使用例如氨与过氧化氢的混合液等的蚀刻液，通过化学蚀刻来除去n型GaAs单晶基板11和n型GaAs缓冲层12(图2的工序5)。
之后，如图5所示，在已除去n型GaAs单晶基板11和n型GaAs缓冲层12的四元发光层17下方的主表面侧(n型连接层13下方的主表面)上，贴合另外准备的n型GaP单晶基板来形成第二窗层21，作为发光元件基板20’(图2的工序6)。此处，该第二窗层21的形成也可以通过利用HVPE法的外延生长来形成。
若以上工序结束，则如图1所示，通过阴极溅镀或真空蒸镀法，在第一窗层19上方的主表面(与p型连接层18相反侧的表面)和第二窗层21下方的主表面(与n型连接层13相反侧的表面)，分别形成接合合金化层形成用的金属层，并进一步进行合金化的热处理(所谓的烧结处理)，从而做成接合合金化层24a、25a。并且，以分别覆盖这些接合合金化层的方式形成电极24、25(图2的工序7)。
继而，对第一窗层19上方的主表面，使用粗化用蚀刻液来实施各向异性蚀刻，将该主表面粗化(图2的工序8)。该粗化用蚀刻液的组成可以是由醋酸、氢氟酸、硝酸、碘及水组成的公知组成。例如，可以将它们的组成比设为，以醋酸(CH3COOH换算)：37.4质量％以上且94.8质量％以下、氢氟酸(HF换算)：0.4质量％以上且14.8质量％以下、硝酸(HNO3换算)：1.3质量％以上且14.7质量％以下、碘(I2换算)：0.12质量％以上且0.84质量％以下的范围来含有，并且，水的含量为2.4质量％以上且45质量％以下。
其次，沿着2个<100>方向，从发光元件用基板20’上方的主表面侧，通过切割刀以形成沟槽的方式切割为各个芯片区域，做成发光元件芯片(图2的工序9)。此处，将切割方向设为<100>方向是为了使沿着芯片区域边缘的破裂和缺口变得难以产生。
在该切割时，晶体缺陷密度比较高的加工损伤层形成在因切割而露出的侧面部。由于该加工损伤层所包含的多数的晶体缺陷在发光通电时会造成漏电或亮度劣化，故期望通过使用损伤层除去用蚀刻液的化学蚀刻来除去加工损伤层(图2的工序10)。
作为损伤层除去用蚀刻液，可使用例如硫酸-过氧化氢水溶液，例如可使硫酸：过氧化氢：水的质量混合比例为3：1：1。此时，可以将液温调整为40℃以上且60℃以下，并设为需要进行6分钟左右的蚀刻。
之后，通过使蚀刻液接触已除去加工损伤层的发光元件芯片的侧面，该蚀刻液可使第一窗层和第二窗层表面粗化，并可使四元发光层17比第一窗层和第二窗层的侧面更向内侧凹陷，从而对第一窗层19的侧面(此时，也可以将主表面粗化)和第二窗层21的侧面进行各向异性蚀刻使其粗化，同时，对四元发光层17的侧面进行蚀刻使其凹陷(图2的工序11)。作为此时所使用的蚀刻液的组成，可以向上述由醋酸、氢氟酸、硝酸、碘及水的混合液组成的粗化用蚀刻液中加入10质量％左右的盐酸。此时，碘、醋酸、氢氟酸及硝酸有助于GaP窗层19、21的侧面和主表面的粗化，盐酸有助于由AlGaInP构成的四元发光层17的蚀刻。
此时，关于四元发光层17向内侧凹陷的量，如上所述并无特别限定，但可以例如设在比第一窗层和第二窗层的侧面更向内侧凹陷2μm以下的范围内。由于该凹陷量与蚀刻时间呈线性关系，故可通过蚀刻时间来调整凹陷量。
在工序11中，如上所述，可同时进行窗层的表面粗化和四元发光层的蚀刻，但也可以例如分别进行窗层的表面粗化和四元发光层的蚀刻。此时，例如可以在用由醋酸34.8质量％、硫酸58.8质量％、盐酸0.7质量％、过氧化氢0.6质量％及水5.2质量％组成的蚀刻液来蚀刻四元发光层之后，用由碘、醋酸、氢氟酸、硝酸及水组成的公知的粗化用蚀刻液来蚀刻。
若将如上所述地结束了粗化处理的各发光元件芯片下方的主表面侧隔着Ag胶层粘结于金属台，将接合线28连接于光取出侧电极24，并进一步形成由环氧树脂构成的未图示的铸型部，则最终的发光元件完成。
实施例
下面，揭示本发明的实施例及比较例，进一步具体说明本发明，但本发明并不限于这些例子。
(实施例)
按照本发明的发光元件的制造方法，准备四元发光层向内侧凹陷的发光元件。在上述工序11中，使用由醋酸71.7质量％、氢氟酸5质量％、硝酸5质量％、碘0.3质量％、水8质量％、盐酸10质量％组成的蚀刻液，进行窗层的表面粗化和四元发光层的蚀刻。
此时，改变蚀刻时间来进行蚀刻，并评价凹陷量后，可知通过调整蚀刻时间可得到期望的凹陷量。因此，调整蚀刻时间来制造发光元件，并准备凹陷量是1.0μm的发光元件和凹陷量是1.5μm的发光元件各50个。
(比较例1)
按照不具有本发明的将四元发光层的侧面形成于内侧的工序的现有制造方法，通过未加入盐酸的蚀刻来进行窗层的表面粗化处理，来准备四元发光层的侧面比窗层的侧面更向外侧突出1.0μm的发光元件和更向外侧突出1.5μm的发光元件各50个。
(比较例2)
除了以使四元发光层的侧面与第一窗层和第二窗层的侧面在同一线上的方式来进行蚀刻以外，与实施例同样地准备发光元件50个。
将上述实施例、比较例1、比较例2中准备的各50个发光元件搭载于直径5mm的炮弹型灯具，进行初期测定后，进行环境暴露试验。为了使焊剂与水分充分渗透，在焊剂中浸渍1小时，之后进行回流焊试验。在回流焊试验后，进行-50度～80度的温度循环试验48小时，评价亮度与Vf变动10％以上的灯具的比例。之后，以20mA进行100小时的通电试验。
表1是将通电试验后变成不亮的灯具的数量，以及未变成不亮但亮度与Vf特性变动10％以上的灯具的数量汇总的结果。此处，关于表1的凹陷量或凸起量，“+”代表突出，“-”代表凹陷。
如表1所示，变成不亮的比例以比较例1的发光元件最高，突出量1.0μm和1.5μm的发光元件共4个变成不亮。另一方面，在比较例2的发光元件中有2个变成不亮。
变成不亮的原因被认为是，在四元发光层未向内侧凹陷的情况下，由于浸入灯具内部的药液会接触四元发光层，使该接触部分成为空洞，故药液会变得更容易蓄积，反应加速地进行。
相对于此，在实施例的发光元件中，并没有变成不亮的。这被认为是因为树脂进入四元发光层的侧面的凹状部分而被包装，故药液变得难以接触四元发光层。
由以上结果可确认，实施例的发光元件能够避免灯具不亮这样致命的不良情况。
其次，若参照表1的温度循环试验所导致的特性变化的结果，在比较例1的发光元件中，在任一突出量的情况下，特性变化的灯具的比例均超过40％。这被认为是因为若发光层向外侧突出，则与树脂的接触会变好，故促进加以温度循环时发生的树脂热收缩所导致的应力向发光层传递。
相对于此，可知在实施例的发光元件中，在任一凹陷量情况下，特性变化的灯具的比例被抑制在2％以下。如此，本发明的发光元件也可抑制温度变化所导致的亮度与Vf变化。
表1
并且，本发明并不限于上述实施方式。上述实施方式为例示，任何具有与本发明的权利要求书所记载的技术思想实质性相同的结构，并起到同样的作用效果的方式，均包含在本发明的技术范围内。

Claims (9)

1.一种发光元件，其具有：四元发光层；第一窗层，其形成在该四元发光层的一侧的主表面侧；第二窗层，其形成在所述四元发光层的另一侧的主表面侧，其特征在于，
所述四元发光层的侧面比所述第一窗层和所述第二窗层的侧面更向所述发光元件的内侧凹陷。
2.如权利要求1所述的发光元件，其特征在于，所述第一窗层和所述第二窗层的侧面被粗化。
3.如权利要求1或权利要求2所述的发光元件，其特征在于，所述四元发光层的侧面比所述第一窗层和所述第二窗层的侧面，以2μm以下的范围更向内侧凹陷。
4.如权利要求1至权利要求3中任一项所述的发光元件，其特征在于，所述四元发光层由AlGaInP构成，所述第一窗层和所述第二窗层由GaP构成。
5.一种发光元件的制造方法，其具有下述工序：在四元发光层的一侧的主表面侧形成第一窗层的工序；在所述四元发光层的另一侧的主表面侧形成第二窗层的工序，其特征在于，
具有以比所述第一窗层和所述第二窗层的侧面更向所述发光元件的内侧凹陷的方式来形成所述四元发光层的侧面的工序。
6.如权利要求5所述的发光元件的制造方法，其特征在于，具有将所述第一窗层和所述第二窗层的侧面粗化的工序。
7.如权利要求5或权利要求6所述的发光元件的制造方法，其特征在于，以比所述第一窗层和所述第二窗层的侧面以2μm以下的范围更向内侧凹陷的方式来形成所述四元发光层的侧面。
8.如权利要求5至权利要求7中任一项所述的发光元件的制造方法，其特征在于，所述四元发光层使用AlGaInP，所述第一窗层和所述第二窗层使用GaP。
9.如权利要求5至权利要求8中任一项所述的发光元件的制造方法，其特征在于，通过使用含有碘、醋酸、氢氟酸、硝酸及盐酸的蚀刻液来进行蚀刻，从而以比所述第一窗层和所述第二窗层的侧面更向内侧凹陷的方式来形成所述四元发光层的侧面。
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