TWI382560B - Manufacturing method of light-emitting element and light-emitting element - Google Patents

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Description

發光元件之製造方法及發光元件
本發明係關於發光元件之製造方法與發光元件。
以(Alx Ga1 － x )y In1 － y P混晶(其中，0≦x≦1，0≦y≦1；以下，亦稱為AlGaInP混晶或僅稱為AlGaInP)形成發光層部之發光元件，係藉由採用將薄的AlGaInP活性層利用帶隙較其大之n型AlGaInP包覆層與p型AlGaInP包覆層以夾心狀挾持之雙異質結構，而可例如在綠色至紅色間之寬頻帶實現高亮度之元件。對發光層部之通電，係透過形成於元件表面之金屬電極來進行。金屬電極具備遮光體之作用，在發光層部之第一主表面上係以僅覆蓋主表面中央部之方式來形成，而使光由其周圍之電極非形成區域取出。
於此場合，若盡量將金屬電極之面積縮小可使得在電極周圍形成之光漏出區域面積變大，故在提昇光取出效率之觀點上係有利的。以往曾嘗試著改變電極形狀，以使電流擴散於元件內而增加光取出量，但此情形難免會增大電極面積，如此導致光取出面積減少，反而限制了光取出量。再者，為了使在活性層內之載體之發光再結合最佳化，多少會減低包覆層之摻雜物之載體濃度及導電率，使電流不易在面內方向擴散。如此會造成電流密度集中在電極覆蓋區域，而降低了在光漏出區域中實質之光取出量。所採用之對策，係在包覆層與電極間形成摻雜物濃度較包覆層高之低電阻率之GaP光取出層。只要該GaP光取出層成為一定厚度以上之光取出層，不僅可提昇元件面內之電流擴散效果，亦可增加來自層側面之光取出量，故可進一步提高光取出效率。
光取出層，為了有效地使發光光束透過而提昇光取出效率，必須以帶隙能量較發光光束之光量子能量大之化合物半導體來形成。尤其，由於GaP之帶隙能量大，發光光束之吸收小，故多用於AlGaInP系發光元件之光取出層。
在如上所述之發光元件中，在光取出層之第一主表面上，金屬電極之周圍區域係作為光取出區域，但在由元件內部朝向光取出區域之光中，以較臨界角度大之角度射入光取出區域之光(入射角係光束入射方向與區域面法線之夾角)會因全反射而回到元件內部，故並非全部取出。因此，在日本特開2003－218383號公報及特開2003－209283號公報中揭示了下述技術：利用適當之蝕刻液將光取出層之第一主表面進行面粗糙處理(亦稱為磨砂表面處理)而形成細微之凹凸，以減少大角度入射發光光束之機率，而提高了光取出效率。
然而，在日本特開2003－218383號公報中揭示了由於在使用蝕刻液進行面粗糙處理中，依照露出面方位不同而會發生無法進行面粗糙化之面，故在晶片表面未必可進行面粗糙化，而使得在提昇光取出效率上受到限制，不易達到高亮度化。具體而言，在日本特開2003－209283號公報中揭示了「一般而言，半導體基板之主表面為(100)面或(100)±數度之面，在其上成長之各半導體層表面亦為(100)面或(100)±數度之面，而將(100)面或(100)±數度之面進行面粗糙化是困難的」。在特開2003－209283號公報中提出了以GaAlAs作為光取出層者，而日本特開2003－218383號公報中則提出GaP光取出層，其第一主表面仍為(100)面。
亦即，綜合在日本特開2003－218383號公報以及特開2003－209283號公報中所揭示之內容可知：第一主表面為(100)面之GaP光取出層，除非使用一般GaP用之蝕刻液(根據特開2003－218383號公報之段落0026，其係鹽酸、硫酸、過氧化氫或其等的混合液)，否則無法僅單純地浸漬蝕刻液而在將第一主表面予以粗面化，而不易形成可充分改善光取出效率之凹凸。
在日本特開2003－218383號公報中揭示了其具體解決方法為：將GaP光取出層之(100)主表面以具有細微圖案之樹脂遮罩覆蓋而進行蝕刻之方法。雖然在該特開2003－218383號公報中，雖然做為該蝕刻方法在形式上亦暗示了使用濕蝕刻(化學蝕刻)，但包含實施例之具體揭示中均為利用RIE(Reactive Ion Etching：反應性離子蝕刻)之乾蝕刻者，而乾蝕刻價格高，且有一次可處理之基板面積小而效率非常差之缺點。再者，本發明人等之探討下，關於使用鹽酸、硫酸、過氧化氫或其等混合液之化學蝕刻，其在遮罩下側之側蝕刻變大，故無法在GaP光取出層上形成如特開2003－209283號公報中所揭示之顯著凹凸。
另一方面，由於日本特開2003－209283號公報之光取出層本身為GaAlAs，故無法得到任何關於藉由蝕刻GaP光取出層之(100)主表面而形成凹凸之具體資訊。再者，利用機械加工形成具有三角截面之微小槽狀之二次圖案，使容易蝕刻之(111)面露出，再對該二次圖案之表面上進行化學蝕刻之方法，由於必須進行機械之槽狀加工，而有製程數增加之缺點。
再者，在具有GaP光取出層之發光元件中，藉由將該GaP光取出層變厚，亦可增加來自側面之光取出量。因此，若亦在形成厚的GaP光取出層側面進行上述之面粗糙處理，則元件整體之光取出效率可更高。然而，在特開2003－218383號公報以及特開2003－209283號公報中之面粗糙方法，必須採用如遮罩形成或槽狀加工等之只能在晶圓主表面上進行之製程，其結果，無法在將晶圓切割所形成之晶片側面進行面粗糙處理，而為致命性之缺點。尤其，如特開2003－218383號公報中之RIE等乾蝕刻，由於蝕刻束之指向性強，不可能將朝向層主表面之蝕刻束向周圍進行側面蝕刻。
本發明之課題係提供一種具有以(100)作為主表面之GaP光取出層、且易於在該(100)主表面上進行面粗糙處理之發光元件之製造方法，以及藉由該方法得以實現之光取出效率佳之發光元件。
為了解決上述課題，本發明之發光元件製造方法，其特徵在於具有：發光元件晶圓製造製程，該發光元件晶圓係具有發光層部及GaP光取出層，並以GaP光取出層之第一主表面成為(100)面之方式製造；該發光層部，在以組成式(Alx Ga1 － x )y In1 － y P(其中，0≦x≦1，0≦y≦1)表示之化合物中，使用與GaAs晶格匹配之組成之化合物分別構成第一導電型包覆層、活性層以及第二導電型包覆層，並依此順序積層而形成雙異質結構；該GaP光取出層，係以本身之第一主表面成為晶圓第一主表面之形式設置在發光層部上；主光取出區域面粗糙製程，藉由面粗糙用之蝕刻液，將由(100)面所形成之GaP光取出層第一主表面進行蝕刻而形成面粗糙突起部；該蝕刻液，係含有醋酸、氫氟酸、硝酸、碘與水合計量在90%以上，且醋酸、氫氟酸、硝酸與碘之總質量含有率較水之質量含有率為高；以及切割製程，將發光元件晶圓進行切割，而製造於GaP光取出層第一主表面上形成有面粗糙突起部之發光元件晶片。
根據上述本發明之方法，藉由使用含有醋酸、氫氟酸、硝酸與碘之本發明特有之面粗糙用蝕刻液，即使未在由(100)面所形成之GaP光取出層第一主表面上進行遮罩處理，僅使該第一主表面與蝕刻液接觸，即可藉由異向性蝕刻之原理而顯著地形成凹凸部分，且可以效率佳而低成本之方式在GaP光取出層第一主表面上形成面粗糙突起部。醋酸、氫氟酸、硝酸、碘與水之總質量含有率在90%以上，若不到90%，則無法效率佳地形成面粗糙突起部。再者，若醋酸、氫氟酸、硝酸與碘之總質量含有率較水之質量含有率低，亦無法效率佳地形成面粗糙突起部。再者，將由100質量%扣除醋酸、氫氟酸、硝酸、碘與水之總量之剩餘部份，在不影響對(100)面上之GaP之異向性蝕刻之效果範圍內，亦可添加其他成分(如醋酸以外之羧酸)。
在本發明中，所謂「與GaAs晶格匹配之化合物半導體」係指，假設於應力造成之晶格差排不存在之整體結晶狀態下，該化合物半導體之晶格常數為a1、GaAs之晶格常數為a0，以{|a1－a0|/a0}×100(%)表示之晶格失配率控制在1%以內之化合物半導體。再者，將「在以組成式(Alx ’ Ga1 － x ’ )y ’ In1 － y ’ P(其中，0≦x’≦1，0≦y’≦1)表示之化合物中，與GaAs晶格匹配之化合物」表示成「與GaAs晶格匹配之AlGaInP」。再者，活性層可為以AlGaInP之單一層所構成，亦可為由組成相異之AlGaInP所組成之障壁層與井層交互積層而成之量子井層所構成(將量子井層全體視為一層之活性層)。
再者，所謂GaP光取出層之第一主表面為(100)面，狹義而言係指該GaP光取出層之結晶主軸與GaP結晶之【100】方向呈一致，但在本發明中，即使該結晶主軸與【100】方向呈傾斜25°以下(以15°以下為佳；在欲使偏角(off－angle)效果顯著之觀點上，則以1°以上為佳)(亦即，具偏角效果)，亦屬於「GaP光取出層之第一主表面為(100)面」之概念。在此，精確地說，GaP光取出層之第一主表面為更高階之面指數，但由於說明繁雜，而視需要將因偏角而由(100)面傾斜之第一主表面表示成(100)O F F 等、而將與(100)面一致之第一主表面表示成(100)J 等。再者，在本發明中，所採用之適當表面以密勒指數{hk1}表示時，只要沒有特別說明，與相對該指數之面{hk1}J 呈傾斜1°~25°之範圍內之面亦以該指數表示，而需要區分時則以{hk1}O F F 表示。
在不存在結晶晶界之化合物半導體單結晶表面上，為了利用化學蝕刻形成面粗糙之突起部，所使用之蝕刻液其蝕刻速度必須在特定方向之結晶面上較其他方向之界晶面上快(以下，將該有利於蝕刻之表面稱為優先蝕刻面)，亦即必須為依存於面方位之異向性蝕刻。進行異向性蝕刻後之結晶表面會出現，面指數相異、但在結晶學上為等效之優先蝕刻面組合，而由結晶構造特有之幾何學產生凹凸形狀。在立方晶系之GaP中，最密堆積面之{111}集合之面為優先蝕刻面。若將面指數之符號相反者視為同一面，則在{111}集合中存在4個方位相異之面，在利用異向性蝕刻進行面粗糙處理時，將其組合起來而容易產生金字塔形之凹凸。
本發明所採用之GaP光取出層之第一主表面，係由優先蝕刻面(111)面傾斜大角度之(100)面(正確之(100)面約為55°)，只要利用在初期階段進行蝕刻使優先蝕刻面可選擇性地露出，即可顯著進行凹凸之形成。在上述本發明所採用之面粗糙用蝕刻液不僅在GaP之(100)結晶面上之蝕刻速度大，其與(111)面間之蝕刻速度亦有適當之差值，使(111)面選擇性地露出且形成凹凸之效果佳。在日本特開2003－218383號公報中所揭示之習知化學蝕刻液(鹽酸、硫酸、過氧化氫或其混合液)在(100)面上之蝕刻速度非常慢，在初期階段呈蝕刻幾乎無法進行之狀態，或相反的因為(100)面上之蝕刻速度與(111)面上之蝕刻速度太過接近，即使進行蝕刻{111}集合之面並未顯著地露出，故無法在(100)面上適當地形成面粗糙之突起部。
面粗糙用之蝕刻液，可採用含有：醋酸(以CH3 COOH換算)：37.4質量%~94.8質量%；氫氟酸(以HF換算)：0.4質量%~14.8質量%；硝酸(以HNO3 換算)：1.3質量%~14.7質量%；碘(以I2 換算)：0.12質量%~0.84質量%；且水之含量為2.4質量%~45質量%者。一但任一成分超過上述組成之範圍，對GaP單結晶之(100)面之異向性蝕刻效果不足夠，而無法在GaP光取出層之第一主表面上充分形成面粗糙突起部。面粗糙用蝕刻液又以採用包含：醋酸(以CH3 COOH換算)：45.8質量%~94.8質量%；氫氟酸(以HF換算)：0.5質量%~14.8質量%；硝酸(以HNO3 換算)：1.6質量%~14.7質量%；碘(以I2 換算)：0.15質量%~0.84質量%；且水之含量為2.4質量%~32.7質量%者較佳。亦即，對於提高對GaP單結晶之(100)面之異向性蝕刻效果，重要的是如上述般將水之含量維持在少量，且以醋酸(而非水)來擔任酸主溶劑之機能。
在上述本發明中，於GaP光取出層形成為厚度10μm以上之情形中，可實施形成側面光取出區域之面粗糙製程，係利用面粗糙用之蝕刻液，將由利用切割形成之晶片側面所組成之GaP光取出層之側面光取出區域進行蝕刻，而形成面粗糙突起部。
再者，本發明之發光元件係可利用上述方法而得以實現者，其特徵在於具有：發光層部，其在以組成式(Alx Ga1 － x )y In1 － y P(其中，0≦x≦1，0≦y≦1)表示之化合物中，使用與GaAs晶格匹配之組成之化合物分別構成第一導電型包覆層、活性層以及第二導電型包覆層，依此順序積層而形成雙異質結構；以及具有厚度為10μm以上之GaP光取出層，其係形成於該發光層部之第一主表面側，並且以光取出電極覆蓋本身之第一主表面一部分區域，且將該第一主表面之光取出側電極未覆蓋之區域作為主光取出區域，並以側面區域作為側面光取出區域；GaP光取出層係第一主表面為(100)面之GaP單結晶層，且主光取出區域與側面光取出區域雙方均藉由蝕刻形成面粗糙之突起部。
所謂僅浸漬在蝕刻液中即可利用異向性蝕刻之效果在GaP光取出層上形成面粗糙之突起部，係指可輕易達成原本在日本特開2003－218383號公報、特開2003－209283號公報中(遮罩形成或槽狀形成等)不可能之同時在GaP光取出層之側面部形成面粗糙之突起部。尤其，於GaP光取出層其厚度為10μm以上之情形中，藉由在其側面形成面粗糙之突起部，再加上大幅增加GaP光取出層之厚度使側面面積增大，而可大幅提高元件之光取出效率。此等可說是以在日本特開2003－218383號公報或特開2003－209283號公報中所揭示之技術絕對無法達到之效果。再者，為了提升由GaP光取出層側面之光取出效率，GaP光取出層之厚度以40μm以上(上限為例如200μm以下)較佳。
面粗糙突起部之外面，可藉由GaP單結晶之化學異向性蝕刻而形成以{111}面為主體者。尤其，當考慮上述之面粗糙用蝕刻液之異向性蝕刻效果良好之觀點，在GaP光取出層之主光取出區域之面粗糙突起部，係藉由將由GaP單結晶之(100)面所形成之平坦結晶主表面全面浸漬在面粗糙用蝕刻液中(亦即，由(100)面所形成之結晶主表面並未特別使用蝕刻用之遮罩或為了露出{111}面而形成槽)而形成，可使製程大幅簡略，而取出之效果亦可充分提高。再者，在側面光取出區域中，面粗糙突起部亦可藉由將層側面浸漬在面粗糙用蝕刻液而輕易地形成。
圖10係說明由GaP光取出層得到之發光光束之取出概念示意圖。當GaP光取出層之折射率為n1(大約為3.45)，在其周圍之介質之折射率為n2時，若發光光束IB在GaP光取出層之光取出面之入射角(與面法線所夾之角度)大於臨界角度α時，則發光光束IB在光取出面會產生全反射，而變成反射光RB回到元件內部。該反射光在達到未滿臨界角度α時反覆地在內部進行反射，逐漸成為取出光EB而可射出至層外。然而，此期間在結晶內部因吸收或散射而損失相當多的發光光束之機率很高。當周圍之介質為空氣(n2≒1)時，該臨界角度α為相當小之約16.8°，即使使用環氧樹脂模封(n2≒1.6)，頂多為27.6°。在入射至光取出面上之某一點之發光光束中，未進行全反射而可發射至外部者，當以通過該點之面法線為軸時，侷限在繞與該法線成α角度之母線旋轉所得到之圓錐內部所存在之光束。亦將該圓錐稱為取出圓錐。
另一方面，如圖11所示，若將發光層部視為在層面內之多數個點光源所集合而成者，由個別之點光源所得到之發光光束將朝四面八方擴散且發射出去。在此，考慮由該點光源朝向光取出面所得到之法線，當光取出面為平面時，由於與該法線成α以上角度放射出之發光光束，由幾何學可得知其朝該面之入射角度亦為α以上，故光因為全反射而回到層內。因此，關於GaP光取出層之主光取出區域與側面光取出區域中，當各區域以平面狀形成時，由前述點光源朝各區域之法線周圍，可視為形成以該點光源為頂點之圓錐。在由該點光源朝向各區域之發光光束中，可發射至外部者僅為位於上述之圓錐內者(該圓錐稱為脫出圓錐)。另一方面，若在光取出區域上形成面粗糙之突起部，當考慮在凹凸表面上之實際入射角度時，以可以取出之低角度入射之光束其比例將大幅增加，又，由於藉由形成凹凸使區域之表面積增加，故可有效地使在平面狀區域中未在脫出圓錐中之光束取出。
決定取出圓錐(或脫出圓錐)之頂角者為全反射臨界角度α，如前述，該α很小，頂多為17~27°。因此，考慮GaP光取出層之尺寸散係面內方向遠大於層厚方向，則可知在主光取出區域上，位在點光源上之取出圓錐所佔區域之比例稀疏，多數之入射光在取出圓錐外部而無法取出。因此，主光取出區域其藉由形成面粗糙之突起部可使光取出效率提昇之效果十分顯著。
在側面光取出區域中，由於朝層厚方向之面積較主光取出區域小很多，故排列在層面內之各點光源上之取出圓錐互相重疊，其結果，在點光源上之取出圓錐所佔區域之比例密集，且方位相異之4個側面均可作為光取出區域使用。因此，在側面光取出區域中，即使面粗糙之突起部其形成程度低於主光取出區域，亦可充分達到提昇取出效率之較果。換言之，在GaP光取出層中，在側面光取出區域所形成之面粗糙突起部，至少滿足其平均高度較在主光取出區域所形成之面粗糙突起部之平均高度小、或其平均形成間隔較大中任一者即可。藉此，可進一步簡化在側面光取出區域之面粗糙突起部之形成製程，而可提升發光元件之製造效率並降低成本。
在將發光元件晶圓切割或劈開來形成側面光取出區域時，容易產生機械應力或結晶缺陷之殘留，相較於主光取出區域，不易進行利用化學蝕刻來形成凹凸。然而，若如上述，使在側面光取出區域之面粗糙突起部其形成程度緩和，對於欲簡化在側面光取出區域之凹凸形成製程則更有利。
若使GaP光取出層之側面區域與GaP單結晶之劈開面{110}面一致(惟，在具有前述偏角之情形中，亦可為與{110}方向偏離1°~25°之範圍)，若將晶圓之半切割與利用劈開之裂片加以組合，則更容易進行晶片化，不易產生在非必要之方向上之晶片破裂或破片等缺陷，故可提升發光元件之製造良率。再者，即使在採用將晶圓進行全切割使之成為晶片之製程時，由於切割面與劈開面一致，故切割之負荷小，不易產生碎屑，同樣地可提昇製造良率。閃鋅礦型結晶構造之III－V族化合物半導體元件，為了活用上述優點，故不限於本發明之發光元件，當將(100)主表面之晶圓(以下，亦僅稱為(100)晶圓)進行切割而製造時，如圖23所示，將其切割方向定為<110>方向係一固定概念。例如，雖然在日本特開平8－115893號公報中揭示了將(100)晶圓在與定向平面平行之方向進行切割而製造發光元件之製造方法，但由於(100)晶圓之定向平面通常係與{110}面平行而形成，故在該特開平8－115893號公報中切割方向為<110>方向。
然而，由於利用異向性蝕刻所形成之面粗糙突起部，係以{111}面所包圍之正八面體作為基本形狀，故如圖6所示，在{110}面上，面粗糙突起部係以包含軸線之平面將正八面體縱切而形成扁平形狀，在本質上難以利用異向性蝕刻形成深凹凸形狀。再者，隨著機械加工所形成之差排等結晶缺陷容易沿著劈開面進入，故在劈開後乃至切割後之面上容易殘留較高密度之差排等，使進行化學蝕刻更加困難。因此，由{110}面所組成之側面光取出區域上之面粗糙突起部其形成程度在實際上不得不緩和。又，在AlGaInP發光層部與GaP光取出層間，由於晶格常數相異而容易產生失配應力，如圖23下所示，在沿著劈開面{110}之切割中，在失配應力下，容易沿著劈開面(或晶片邊緣)產生層狀裂痕，亦會在晶片邊緣等產生缺口等不良情形。
因此，在本發明人等進行專心研究之結果發現，關於在AlGaInP發光層上形成GaP光取出層之發光元件，如圖4所示，若將側面作成{100}面而進行切割，即可將上述之缺陷全部解決。亦即，利用切割面與劈開面不一致，即使產生劈開性裂痕，如圖4下圖所示，裂痕出現在與晶片邊緣交叉之方向上，而可大幅抑制缺口等不良產生。此時所得到之發光元件，其GaP光取出層之側面區域係由GaP單結晶之{100}面所組成者。
又，在由該{100}面所組成之側面，進一步利用前述蝕刻液進行異向性蝕刻時，於側面光取出區域所形成之面粗糙突起部形狀與由(100)面所組成之主光取出面相同，為如圖5所示之金字塔形狀，相較於側面為{110}面時之如圖6之形態，由於可形成非常深之凹凸，故有可大幅提升側面之光取出效率之優點。
再者，在切割製程後，若形成於GaP光取出層之側面光取出區域上之加工損害層過度殘留，不僅之後不易利用化學蝕刻來形成面粗糙突起部，且即使在面粗糙突起部形成後亦局部殘留部分加工損害層，可能成為吸收或散射發光光束之原因。因此，在切割製程後，藉由利用由硫酸－過氧化氫水溶液所組成之損害除去用蝕刻液，將在GaP光取出層之側面光取出區域上所形成之加工損害層進行蝕刻去除後，再利用面粗糙用蝕刻液進行蝕刻，藉此可有效地形成面粗糙突起部。由於在GaP中，硫酸－過氧化氫水溶液對於含有加工損害層之結晶均勻地蝕刻之效果優異，故可在進行面粗糙蝕刻前事先將側面光取出區域之加工損害層充分去除，而可達到促進面粗糙突起部之形成以及抑制加工損害層之殘留。
使用前述面粗糙用蝕刻液所形成之面粗糙突起部，可藉由調整蝕刻液之組成與蝕刻條件(蝕刻溫度或時間)而形成各種形態。例如可將形成面粗糙突起部之突起部前端側變成曲面狀之圓弧形。該形狀係利用上述面粗糙用蝕刻液在GaP(100)面上進行異向性蝕刻時之較初期階段所得到者，由於在該圓弧曲面上，該入射角較小，故可提升取出效率。當上述突起部具有本體(構成突起部基端側，其越往前端側越細)、以及前端膨出部(在該本體前端側以球狀膨脹突出之形態呈一體化)時，效果更好。
再者，面粗糙突起部，亦可將以異向性蝕刻所形成之基本形狀進一步利用等向性蝕刻液進行曲面蝕刻處理而形成。藉此面粗糙突起部之表面變成凸曲面狀、更接近球面形狀，而可進一步提升光取出效率。
再者，複數個在主光取出區域上分散形成之面粗糙突起部較佳為，至少突出基端部外面係呈複數個平面所圍繞之多面體形狀，且在主光取出區域上預定之方向上，在同一突起部內相對向之兩個面與GaP光取出層之第一主表面所形成之銳角分別為Φ1以及Φ2時，Φ1與Φ2均為30°以上，且Φ1>Φ2。當使用異向性蝕刻時，突起部外面(尤其在基端側之本體部分外面)，若採用面指數相異之優先蝕刻面(具體而言為{111})之組合易於形成多面體狀(如多角錐)。因此，藉由在上述預定之方向上，使同一突起部內相對向之兩個面與GaP光取出層之第一主表面所形成之銳角側角度Φ1以及Φ2均為30°以上，可提高使發光光束之入射角變小之效果，而可提昇取出效率。因此，如上所述，藉由刻意使一方之角度Φ1與另一方之角度Φ2相異，可進一步提昇光取出效率。
接著，GaP光取出層可為貼合在發光層部上之單結晶基板。於此場合，使GaP單結晶基板與該發光層部重疊在一起，利用100℃~700℃之較低溫進行貼合之熱處理，使該單結晶基板可直接貼合在發光層部，而可簡便地形成GaP光取出層。另一方面，GaP光取出層可利用在發光層部上以氣相成長法(例如：氫化物氣相成長法(Hydride Vapor Phase Epitaxial Growth Method：以下，稱為HVPE法))進行磊晶成長者所組成。
接著，利用MOVPE法(有機金屬氣相磊晶法)成長AlGaInP發光層部時，藉由賦予成長用GaAs基板一適當之偏角，可大幅減輕III族元素之有序化、偏置，而獲得發光光譜分布與中心波長一致之發光元件。再者，若在依MOVPE法成長之混晶發光層部上，以HVPE法形成由III－V族化合物半導體所組成之GaP光取出層，則最後所得到之GaP光取出層表面上，幾乎不會產生因GaAs基板之偏角所導致之刻面(facet)與面粗糙，且可得到平滑性佳之GaP光取出層。此效果在上述偏角為10°~20°間特別顯著。
當發光層部係在GaAs基板(其結晶主軸具有由<100>方向傾斜1°~25°之偏角)上進行磊晶成長所形成者之情形中，以使GaP光取出層之結晶方向與賦予偏角之發光層部一致較佳。若發光層部與GaP光取出層之結晶方向不一致，將損害兩者間之電阻耦合性，而導致增加發光元件之順向電壓。在利用氣相成長法形成GaP光取出層之情形中，該結晶方向一定與發光層部之結晶方向一致，但在利用單結晶基板貼合之情形中，所使用之單結晶基板亦以賦予與發光層部同方向之同角度偏角者較佳。
如上所述，當發光層部以及GaP光取出層係在GaAs基板(其結晶主軸具有由<100>方向傾斜1°~25°之偏角)上進行磊晶成長所形成者之情形，若藉由前述面粗糙蝕刻液在GaP光取出層之主光取出區域進行異向性蝕刻，構成該主光取出層區域之GaP光取出層其第一主表面，由於與(100)J 面僅傾斜偏角，故以{111}面之組合所形成之突起部亦形成為傾斜。亦即，非常容易形成滿足前述Φ1>Φ2之突起部。以【111】軸與傾斜之結晶主軸之連結方向為前述預定之方向，當與該方向相對向之2個{111}面所組成突起部外面、與傾斜之GaP光取出層之第一主表面所夾之角度為Φ1與Φ2時，由於(111)面與(100)面所夾之角度約為55°，即使最大偏角為25°，小角度側之Φ2不會低於30°。另一方面，大角度側之Φ1最大可為80°左右之切割面。
如上所述，關於滿足Φ1>Φ2之突起部40f，其光取出效率較Φ1＝Φ2之突起部高之理由為如下述所示。如圖9所示，在(100)J 面上之Φ1＝Φ2之突起部之情形，可在突起部上之任意點設定前述之取出圓錐EC1。射入至該取出圓錐EC1之光雖會成為取出光EB，若考慮該光在相反側之面上反射而入射至上述取出圓錐EC1內，射向該反射面之入射光IB橫越突起部40f形成用基面(100)J 而入射至突起部40f內。於是，為了使該入射光IB成為入射至取出圓錐EC1內之反射光，關於該反射面，在光學上，入射光IB必須進入與取出圓錐EC1面相對向之假想取出圓錐EC2內。因此，為了由上述突起部40f之表面將光取出，求出其條件之問題，依幾何學可將其置換成為了求得在基面(100)J 上之入射光IB之容許區域。
該條件係使入射光IB進入取出圓錐EC2，該取出圓錐EC2在基面(100)J 上所佔之區域S0係發光光束之取出容許區域。然而，若該基面傾斜一偏角θ，變成(100)O F F 時，根據異向性蝕刻之原理，對(100)J 而言，由於突起部40f與取出圓錐EC2之方位不變，故對於(100)O F F 僅傾斜θ。於是，取出圓錐EC2所佔之區域由(100)J 上之S0變為(100)O F F 上之S1。在幾何學上可知，該區域在(100)J (突起部40f對基面而言為正立者)上幾乎為最小值(S0)，而因傾角而傾斜的基面上之區域面積(S1)較上述之S0大。亦即，可由突起部40f之表面上某一點脫出之發光光束在基面上之容許範圍以後者較大，故可提升光取出效率。再者，雖然在圖9中將偏角設定為在(100)J 下方，但在將之設成上方之情形中，其結果亦相同。
以下，參照附加之圖式說明本發明之實施形態。
圖1係表示本發明一實施形態之發光元件100之概念圖。發光元件100，具有由III－V族化合物半導體所構成之發光層部24、與在該發光層部24之第一主表面側形成之GaP光取出層(在此為p型)20。再者，在發光層部24之第二主表面側配置有GaP透明基板90。在本實施形態中，發光元件100之晶片係具有一邊為300μm之正方形平面之形態。
發光層部24具有以p型包覆層(第一導電型包覆層，由P型(Alz Ga1 － z )y In1 － y P(其中，x<z≦1)所組成)6、與n型包覆層(第二導電型包覆層，由n型(Alz Ga1 － z )y In1 － y P(其中，x<z≦1)所組成)4夾持活性層5(由未摻雜之(Alx Ga1 － x )y In1 － y P(其中，0≦x≦0.55，0.45≦y≦0.55)之混晶所組成)之結構。在圖1之發光元件100中，在第一主表面側(圖面上側)上設置有p型AlGaInP包覆層6，而在第二主表面側(圖面下側)設置有n型AlGaInP包覆層4。再者，在此，所謂「未摻雜」係指「不積極添加摻雜物」之意，並非指排除在一般之製程上所包含之不可避免而混入之摻雜物成分(例如，以1×101 3 ~1×101 6 /cm3 為上限)。該發光層部24係利用MOVPE法進行成長者。n型包覆層4與p型包覆層6之厚度分別為0.8μm~4μm(以0.8μm~2μm較佳)；活性層5之厚度為0.4μm~2μm(以0.4μm~1μm較佳)。而發光層部24之整體厚度為2μm~10μm(以2μm~5μm較佳)。
接著，GaP光取出層20係形成為10μm~200μm(以40μm~200μm較佳，在本實施形態中為100μm)之膜厚，如圖2所示，以覆蓋第一主表面之一部分(在此為中心部份)之形式形成光取出區域側金屬電極9。在光取出區域側金屬電極9上連接電極線17之一端。光取出區域側金屬電極9之周圍區域係構成主光取出區域20p。再者，在GaP光取出層20之側面形成側面光取出區域20S。GaP光取出層20，由於形成為如上述之厚度，故透過光取出區域側金屬電極9之導電使發光驅動電流在元件面內擴散，而發揮電流擴散層(使發光層部24在面內均一發光)之機能，同時產生：增加由層側面部取出之光束、提升發光元件整體之亮度(積分球亮度)之作用。GaP之帶隙能量較作為活性層5之AlGaInP大，而可抑制發光光束之吸收。
在本實施形態中，GaP光取出層20係利用HVPE法成長者(亦可用MOVPE法)。再者，在GaP光取出層20與發光層部24間，利用MOVPE法以接續於發光層部24之方式形成由GaP層所組成之接合層20J。又，接合層20J，亦可在AlGaInP所組成之發光層部24與GaP光取出層20間，採用晶格常數差(或混晶比)逐漸變化之AlGaInP層。再者，GaP光取出層20亦可利用貼合GaP單結晶基板而成者來取代利用HVPE法形成之磊晶成長層。
再者，GaP透明基板90係利用GaP單結晶基板之貼合而形成者(亦可利用HVPE法成為磊晶成長層：符號91係由AlGaInP所組成之接合層)，第二主表面全面以由Au電極等構成之背面電極15覆蓋。再者，GaP透明基板90之結晶方向係與發光層部24一致(亦即，使偏角角度一致)。GaP透明基板90之厚度為10μm~200μm。背面電極15亦兼作為由發光層部24透過GaP透明基板90之發光光束的反射層，其有助於提升光取出效率。再者，用以降低背面電極15與GaP透明基板90間之接觸電阻之由AuBe合金等形成之接合合金化層15c係點狀分散形成於兩者間。由於接合合金化層15c隨著其與形成GaP透明基板90之化合物半導體層之合金化，反射率會些許降低，故將其以點狀方式分散形成，而其背景區域利用高反射率之背面電極15作為直接反射面。再者，在光取出區域側金屬電極9與GaP光取出層20間，形成有由AuGeNi合金等所組成之接合合金化層9a。再者，GaP光取出層20與GaP透明基板90均將摻雜物濃度調整至5×101 6 /cm3 ~2×101 8 /cm3 (又，為了提高在接合合金化層9a之正下方之接觸電阻而形成高濃度摻雜物區域之情形，其意指不包含此區域之摻雜物濃度)。
如圖3所示，GaP光取出層20之主光取出區域20p與側面光取出區域20S兩者均以化學蝕刻形成面粗糙突起部40f、50f。GaP光取出層20之主光取出區域(第一主表面)20p，其除去凹凸之基準平面係與GaP單結晶之(100)面大致一致(其中，偏角係如後述介於1°~25°，但在本實施形態中定為15°)，面粗糙突起部40f，係使後述面粗糙用之蝕刻液與平坦之(100)結晶主表面接觸進行異向性蝕刻而形成者。再者，側面光取出區域20S亦與{100}面幾乎一致，面粗糙突起部50f係同樣利用異向性蝕刻而形成者。藉由形成面粗糙突起部40f、50f、以及藉由增加GaP光取出層20之厚度來使側面面積增大，而大幅提高了發光元件100之光取出效率。
形成面粗糙突起部40f、50f之突起部外面，係利用GaP單結晶之化學異向性蝕刻而在主體上(突起部表面之50%以上)形成{111}面。面粗糙突起部40f、50f其突起部之平均高為0.1μm~5μm。突起部之平均間隔為0.1μm~10μm。再者，關於側面光取出區域20S，其面粗糙之突起部50f形成程度較主光取出區域20p緩和。具體而言，在側面光取出區域20S上所形成之面粗糙突起部50f之平均高度係較在主光取出區域20p上所形成之面粗糙突起部40f小(在圖3中，h2<h1)、或者平均形成間隔較大(在圖3中，δ2>δ1)。藉此，側面光取出區域20S上之面粗糙突起部50f形成製程可更簡略，而可提昇發光元件之製造效率與降低成本。
以下，說明圖1之發光元件100之製造方法。
首先，如圖15之製程1所示，準備偏角θ在1°~25°(在本實施形態中為15°)之n型GaAs單結晶基板1作為成長用基板。接著，如製程2所示，在該基板1之主表面上磊晶成長厚0.5μm之n型GaAs緩衝層2，接著，依序分別磊晶成長由(Alx Ga1 － x )y In1 － y P所組成之厚0.1μm之n型包覆層4(n型摻雜物為Si)、厚0.6μm之活性層5(未摻雜)以及厚1μm之p型包覆層6(p型摻雜物為Mg，來自有機金屬分子之C亦作為p型摻雜物)作為發光層部24。P型包覆層6與n型包覆層4之各摻雜物濃度在1×101 7 ~2×101 8 /cm3 。又，如圖16之製程3所示，在p型包覆層6上磊晶成長接合層20J。
上述各層之磊晶成長係利用一般之MOVPE法進行。作為Al、Ga、In(銦)、P(磷)之各成分源之原料氣體可使用下述者；．Al源氣體：三甲基鋁(TMAl)、三乙基鋁(TEAl)等。
．Ga源氣體：三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)等。
．In源氣體：三甲基銦(TMIn)、三乙基銦(TEIn)等。
．P源氣體：三甲基磷(TMP)、三乙基磷(TEP)、膦(PH3 )等。
接著進行圖16之製程4，將由p型GaP所組成之GaP光取出層20以HVPE法進行成長。具體而言，HVPE法係利用在容器內將III族元素Ga加溫並維持於既定溫度，同時在該Ga上導入氯化氫，藉由下列式(1)之反應生成GaCl，與作為載體氣體之H2 氣體一起供給至基板上。
Ga(液體)＋HCl(氣體) → GaCl(氣體)＋1/2H2 ………(1)成長溫度係設定在640℃~860℃。再者，V族元素P係將PH3 與載體氣體H2 同時提供至基板上。再者，p型摻雜物Zn係以DMZn(二甲基鋅)之形式供給。GaCl與PH3 之反應性優異，藉由下列式(2)之反應可有效率地使GaP光取出層進行成長：GaCl(氣體)＋PH3 (氣體) → GaP(固體)＋HCl(氣體)＋H2 (氣體)………(2)在GaP光取出層20之成長結束後，進行圖17之製程5，利用氨/過氧化氫混合液等蝕刻液將GaAs基板1進行化學蝕刻而去除。接著，在將GaAs基板1去除後之發光層部24之第二主表面側(係接合層91之第二主表面)貼合另外準備之n型GaP單結晶基板以形成GaP透明基板90(製程6)。
當上述製程結束後，如圖18之製程7所示，利用濺鍍或真空蒸鍍法在GaP光取出層20之第一主表面以及GaP透明基板90之第二主表面上分別形成接合合金化層形成用之金屬層，接著利用合金化之熱處理(即燒結處理)形成接合合金化層9a、15c(參照圖1；在圖18中省略)。接著，光取出區域側電極9與背面電極15以覆蓋該等接合合金化層9a、15c之方式形成，而成為發光元件晶圓W。
接著，如製程8所示，在GaP光取出層20之主光取出區域((100)主表面)上使用面粗糙用之蝕刻液FEA進行異向性蝕刻，形成面粗糙突起部40f。面粗糙用之蝕刻液係含有醋酸、氫氟酸、硝酸以及碘之水溶液，具體而言，其含有下述之範圍：醋酸(以CH3 COOH換算)：37.4質量%~94.8質量%；氫氟酸(以HF換算)：0.4質量%~14.8質量%；硝酸(以HNO3 換算)：1.3質量%~14.7質量%；碘(以I2 換算)：0.12質量%~0.84質量%；且水之含量為2.4質量%~45質量%，又以具有：醋酸(以CH3 COOH換算)：45.8質量%~94.8質量%；氫氟酸(以HF換算)：0.5質量%~14.8質量%；硝酸(以HNO3 換算)：1.6質量%~14.7質量%；碘(以I2 換算)：0.15質量%~0.84質量%；且水之含量為2.4質量%~32.7質量%較佳。而適當之液溫為40℃~60℃。
藉由進行異向性蝕刻，使得在GaP之平坦(100)主表面上形成之面粗糙之突起部如圖12與圖13所示般，使突起部間之平坦區域40p縮小，同時漸漸使由{111}所組成之金字塔狀側面部之形成深度增加。如圖12所示，在初期階段，突起部之前端側形成曲面40r之圓弧形。圖24與圖25係表示具體之形成例之掃描型電子顯微鏡觀察影像(倍率5000倍)，圖24為立體影像，圖25為平面影像。所使用之蝕刻液為含醋酸81.7質量%、氫氟酸5質量%、硝酸5質量%以及碘0.3質量%、而水之含量保持在8質量%者。液溫為50℃，蝕刻時間為60秒。若將曲面40r與平面夾角視為其與發光光束之入射角時，在該曲面40r上該入射角度不論在哪個位置均變得比較大，故該形狀可提高光取出效率。再者，藉由在突起部間適度地留有平坦區域40p，使取出至突起部外之發光光束不易再入射至相鄰之突起部。
另一方面，如圖13所示，當進一步進行蝕刻時，突起部之高度增加，同時其形狀亦產生變化，而變成具有：本體40w(構成突起部基端側，其越往前端側越細)、以及前端膨出部40s(在該本體40w前端側以球狀膨脹突出之形態呈一體化)。構成本體40w外面之傾斜{111}面之比例增加，且藉由將前端膨出部40s作成球狀使其在光取出趨近理想球面形狀，而提高光取出效率。圖26與27係表示具體之形成例之掃描型電子顯微鏡觀察影像，圖26係立體影像(倍率為5000倍)，圖27為側視截面影像(倍率為20000倍)。所使用之蝕刻液含醋酸81.7質量%、氫氟酸5質量%、硝酸5質量%、碘0.3質量%、且水之含量保持在8質量%。液溫為50℃，蝕刻時間為90秒。
之後，更進一步進行蝕刻時，如圖8所示，前端膨出部消失，突起部之側面幾乎全部成為{111}面，接近前端尖銳之金字塔形狀(參照圖5)。由於此狀態之突起部之形成密度最大，且突起部高度亦大，故可達到良好之光取出效率。圖28與29係表示具體之形成例之掃描型電子顯微鏡觀察影像，圖28係立體影像(倍率為20000倍)，圖29為側視截面影像(倍率為20000倍)。所使用之蝕刻液為醋酸81.7質量%、氫氟酸5質量%、硝酸5質量%、碘0.3質量%，水之含量保持在8質量%。液溫為50℃，蝕刻時間為120秒。
在GaP光取出層20之第一主表面為(100)J 之情形中(亦即，在圖15之製程中，偏角角度θ為0度時)，如圖7所示，形成之突起部接近直立之半正八面體形狀，2相對向之側面與(100)J 所夾之角度Φ1與Φ2相等(Φ1＝Φ2＝Φ0；約為55°)。然而，當賦予偏角角度θ時，如圖8所示，相對於GaP光取出層20之第一主表面((100)o f f )，(100)J 亦傾斜角度θ。其結果，[100]J 軸與GaP光取出層20之第一主表面法線連結之方向上，2相對向之側面與(100)o f f 所夾之角度Φ1’與Φ2’，位於(100)J 之法線傾斜方向之角度Φ1’較相反側之角度Φ2’大。藉此可進一步提高光取出效率。再者，若以偏角角度θ為0時之角度Φ0作為基準，則在賦予偏角角度θ時，Φ1’＝Φ0＋θ，Φ2’＝Φ0－θ。例如在偏角角度θ為15°時，Φ1’約＝70°、Φ2’約＝40°，兩者均變大30°。
回到圖18，當完成主光取出區域之面粗糙突起部40f之形成時，如圖4所示，沿著2個<100>方向(其中，對<100>J 為25。以下，又以傾斜15°以下之範圍較佳)，以利用切割刀由晶圓W之第一主表面側形成槽DG之形式，切成各個晶片區域。由於將切割方向定為<100>方向，故不易形成沿著各晶片區域邊緣之破裂或缺口。在切割時，如圖18之製程9所示，形成結晶缺陷密度較高之加工損害層20D。由於在該加工損害層20D中之多數結晶缺陷會導致發光導電時之漏電流或散射，故如製程10所示，將該加工損害層20D以去除損害層用之蝕刻液DEA之化學蝕刻將之去除。去除損害層用之蝕刻液DEA，係使用硫酸－過氧化氫水溶液。該水溶液可使用硫酸：過氧化氫：水之質量配合比例為20：1：1者，並將液溫調整至30℃~70℃。
再者，如圖23所示，亦可將切割方向設定在晶圓W之第一主表面((100)面)上正交之2個<100>方向。此時，利用切割，使所產生之各個晶片之側面與{100}面(亦即閃鋅礦型III－V族化合物半導體結晶之劈開面)一致。藉此，不易產生各晶片100C之碎屑，而可提升良率。然而，如圖6所示，本質上，在{110}面上使以{111}面作為主體之突起部之高度急劇增大並不容易，亦不易利用前述之蝕刻液形成面粗糙之突起部。
其後，如製程11所示，使前述之面粗糙用蝕刻液FEA接觸以去除加工損害層20D之晶片側面，並於GaP光取出層20之側面進行異向性蝕刻以形成面粗糙之突起部50f。再者，在本實施形態中，透過黏著片61將晶圓W貼在基材60上，以此狀態將晶圓W進行全面切割，在GaP透明基板90之側面上亦形成面粗糙突起部50f。
再者，切割後之晶片側面上，即使將加工損害層去除，殘留應力層20δ亦有可能殘留，而不易進行藉由面粗糙用蝕刻液FEA之異向性蝕刻。然而，如圖4所示，以側面為{100}面來進行切割，雖比不受切割影響之主表面不易蝕刻，如圖30與圖31所示，仍可形成顯著之突起部(圖35為倍率5000倍之平面影像，圖36為倍率10000倍之立體影像)。
再者，當形成側面光取出區域20S之面粗糙突起部50f時，若不想使該蝕刻液影響到已經形成面粗糙突起部40f之主光取出區域20p時，亦可如圖18之製程9~11中之虛線所示，利用蝕刻光阻20M覆蓋主光取出區域20p。再者，亦可在形成主光取出區域20p之面粗糙突起部40f前先進行切割，而將主光取出區域20p與側面光取出區域20S一併形成面粗糙突起部40f與50f。
再者，不論在主光取出區域20p或側面光取出區域20S中，面粗糙突起部40f與50f，係將如圖14所示之以異向性蝕刻所形成之基本形狀40f’(50f’)，進一步以等向性蝕刻液進行圓弧蝕刻，而可得到最後之面粗糙突起部40f(50f)。作為等向性蝕刻液者，可使用與前述去除損害層用之蝕刻液相同之硫酸－過氧化氫水溶液。圖32係表示其具體之形成例之影像，圖32為倍率5000倍之平面影像，圖33為倍率10000倍之立體影像，圖34為倍率2000倍之立體影像。蝕刻條件如下：先進行異向性蝕刻，蝕刻液係使用含醋酸81.7質量%、氫氟酸5質量%、硝酸5質量%、碘0.3質量%且水之含量保持在8質量%者，液溫為50℃，蝕刻時間為120秒。又，其後之等向性蝕刻之蝕刻液係使用硫酸：過氧化氫：水之質量配合比例為20：1：1者，液溫為50℃，蝕刻時間為150秒。
分離後之發光元件晶片，只要將第二主表面側透過Ag糊層接合於金屬台上，再如圖1所示，在光取出側電極9上連接接合線9w，而形成未圖示之由環氧樹脂所組成之模封部，即完成最後之發光元件。
以下說明關於本發明之發光元件之各種變形例(與圖1之發光元件100相同之組成部分賦予同一符號，省略詳細說明，僅說明相異處)。圖19之發光元件200，係以設置由Au或Ag(或以該等為主成分之合金)所組成之金屬反射層10之結構，取代在圖1之發光元件100中之發光層部24之第二主表面側貼合GaP透明基板90。發光層部24之發光光束利用金屬反射層10反射至主光取出區域側，而實現主光取出區域側指向性高之發光元件。在本實施形態中，透過金屬反射層10在發光層部24之第二主表面上貼合導電性之Si基板7。在Si基板7之第二主表面上形成背面電極15，由於該背面電極15未形成反射面，故在Si基板7之第二主表面上全面形成接合金屬層15d。再者，點狀之接合合金化層32(例如由AuGeNi合金所形成)分散形成在金屬反射層10與發光層部24間。
圖20之發光元件300，係表示不去除GaAs基板1(不透明基板)，而直接當作元件基板之例。圖21之發光元件400係表示將GaAs基板1之外圍部份切掉而露出發光層部24之第二主表面側周圍部，由此處亦可取出光之例。
再者，在圖22之發光元件500，GaP光取出層20之層厚度若設定為未滿40μm，進一步設定為5~30μm等之較小值，由於晶片全體之薄型化而可提高散熱效果。由於GaP光取出層20之層厚度小，故側面之光取出效果亦不如圖1之發光元件100顯著，且其僅在主光取出區域20p上形成面粗糙之突起部40f，在側面上未形成面粗糙之突起部。該結構之晶片之製程中，於圖18之製程，可省略製程11之於側面形成之面粗糙突起部。
1．．．基板
2．．．緩衝層
4．．．n型包覆層
5．．．活性層
6．．．p型包覆層
7．．．Si基板
9．．．光取出區域側金屬電極
9a．．．接合合金化層
9w．．．接合線
10．．．金屬反射層
15．．．背面電極
15c．．．接合合金化層
15d．．．接合金屬層
17．．．電極線
20．．．GaP光取出層
20D．．．加工損害層
20J．．．接合層
20M．．．蝕刻光阻
20p．．．主光取出區域
20S．．．側面光取出區域
24．．．發光層部
40f．．．突起部
40p．．．平坦區域
40r．．．曲面
40s．．．前端膨出部
40w．．．本體
50f．．．突起部
60．．．基材
61．．．黏著片
90．．．GaP透明基板
91．．．接合層
100．．．發光元件
100C．．．晶片
200．．．發光元件
300．．．發光元件
400．．．發光元件
500．．．發光元件
DG．．．槽槽
W．．．晶圓
DEA．．．蝕刻液
圖1係表示本發明之發光元件之一例之側視截面示意圖。
圖2係同一俯視圖之示意圖。
圖3係在圖1之GaP光取出層上形成之面粗糙之突起部之概念圖。
圖4係表示用以製造圖1之發光元件之切割方向之設定例及其效果。
圖5係利用異向性蝕刻在{100}基面上所形成之面粗糙突起部其基本形狀概念圖。
圖6係利用異向性蝕刻在{110}基面上所形成之面粗糙突起部其基本形狀概念圖。
圖7係面粗糙突起部之第一示意圖。
圖8係面粗糙突起部之第二示意圖。
圖9係說明在{100}O F F 基面上形成之面粗糙突起部其利用傾斜而提升光取出效率之推測原理之圖。
圖10係全反射臨界角度之說明圖。
圖11係說明主光取出區域與側面光取出區域之光取出效果差異之圖。
圖12係面粗糙突起部之第三示意圖。
圖13係面粗糙突起部之第四示意圖。
圖14係面粗糙突起部之第五示意圖。
圖15係表示圖1之發光元件製造方法之製程說明圖。
圖16係接續圖15之製程說明圖。
圖17係接續圖16之製程說明圖。
圖18係接續圖17之製程說明圖。
圖19係表示圖1之發光元件其第一變形例之側視截面示意圖。
圖20係表示圖1之發光元件其第二變形例之側視截面示意圖。
圖21係表示圖1之發光元件其第三變形例之側視截面示意圖。
圖22係表示利用本發明之方法製造之發光元件之其他例之側視截面示意圖。
圖23係表示用以製造圖1之發光元件之切割方向之其他設定例及注意點。
圖24係表示面粗糙突起部之第一觀察例之掃描型電子顯微鏡觀察影像。
圖25係表示面粗糙突起部之第二觀察例之掃描型電子顯微鏡觀察影像。
圖26係表示面粗糙突起部之第三觀察例之掃描型電子顯微鏡觀察影像。
圖27係表示面粗糙突起部之第四觀察例之掃描型電子顯微鏡觀察影像。
圖28係表示面粗糙突起部之第五觀察例之掃描型電子顯微鏡觀察影像。
圖29係表示面粗糙突起部之第六觀察例之掃描型電子顯微鏡觀察影像。
圖30係表示面粗糙突起部之第七觀察例之掃描型電子顯微鏡觀察影像。
圖31係表示面粗糙突起部之第八觀察例之掃描型電子顯微鏡觀察影像。
圖32係表示面粗糙突起部之第九觀察例之掃描型電子顯微鏡觀察影像。
圖33係表示面粗糙突起部之第十觀察例之掃描型電子顯微鏡觀察影像。
圖34係表示面粗糙突起部之第十一觀察例之掃描型電子顯微鏡觀察影像。
4．．．n型包覆層
5．．．活性層
6．．．p型包覆層
9．．．光取出區域側金屬電極
9a．．．接合合金化層
15．．．背面電極
15c．．．接合合金化層
17．．．電極線
20．．．GaP光取出層
20J．．．接合層
20p．．．主光取出區域
20S．．．側面光取出區域
24．．．發光層部
40f．．．突起部
50f．．．突起部
90．．．GaP透明基板
90S．．．側面光取出區域
91．．．接合層
100．．．發光元件

Claims (36)

  1. 一種發光元件之製造方法，其特徵在於具有：發光元件晶圓製造製程，該發光元件晶圓係具有發光層部及GaP光取出層，並以GaP光取出層之第一主表面成為(100)面之方式製造；該發光層部，在以組成式(Alx Ga1 － x )y In1 － y P(其中，0≦x≦1，0≦y≦1)表示之化合物中，使用與GaAs晶格匹配之組成之化合物分別構成第一導電型包覆層、活性層以及第二導電型包覆層，並依此順序積層而形成雙異質結構；該GaP光取出層，係以本身之第一主表面成為晶圓第一主表面之形式設置在發光層部上；主光取出區域面粗糙製程，藉由面粗糙用之蝕刻液，將由(100)面所形成之GaP光取出層第一主表面進行蝕刻而形成面粗糙突起部；該蝕刻液，係含有醋酸、氫氟酸、硝酸、碘與水合計量在90%以上，且醋酸、氫氟酸、硝酸與碘之總質量含有率較水之質量含有率為高；以及切割製程，將發光元件晶圓進行切割，而製造於GaP光取出層第一主表面上形成有面粗糙突起部之發光元件晶片。
  2. 如申請專利範圍第1項之發光元件之製造方法，其中，該面粗糙用之蝕刻液係含有：醋酸(以CH3 COOH換算)：37.4質量%~94.8質量%；氫氟酸(以HF換算)：0.4質量%~14.8質量%；硝酸(以HNO3 換算)：1.3質量%~14.7質量%；碘(以I2 換算)：0.12質量%~0.84質量%；且水之含量為2.4質量%~45質量%。
  3. 如申請專利範圍第1項之發光元件之製造方法，其中，該面粗糙用蝕刻液係含有：醋酸(以CH3 COOH換算)：45.8質量%~94.8質量%；氫氟酸(以HF換算)：0.5質量%~14.8質量%；硝酸(以HNO3 換算)：1.6質量%~14.7質量%；碘(以I2 換算)：0.15質量%~0.84質量%；且水之含量為2.4質量%~32.7質量%。
  4. 如申請專利範圍第1項之發光元件之製造方法，係於該發光元件晶圓中，形成厚度為10μm以上之該GaP光取出層；且包含側面光取出區域面粗糙製程，係利用面粗糙用之蝕刻液，對由以切割形成之晶片側面所組成之GaP光取出層之側面光取出區域進行蝕刻，以形成面粗糙突起部。
  5. 如申請專利範圍第4項之發光元件之製造方法，其中該切割係以該晶片側面成為{100}的方式來進行。
  6. 如申請專利範圍第4項之發光元件之製造方法，其中在該切割製程後，藉由硫酸－過氧化氫水溶液所組成之損害除去用蝕刻液，將在GaP光取出層之側面光取出區域上所形成之加工損害層進行蝕刻去除後，再利用面粗糙用蝕刻液進行蝕刻，以形成面粗糙突起部。
  7. 如申請專利範圍第5項之發光元件之製造方法，其中在該切割製程後，藉由硫酸－過氧化氫水溶液所組成之損害除去用蝕刻液，將在GaP光取出層之側面光取出區域上所形成之加工損害層進行蝕刻去除後，再利用面粗糙用蝕刻液進行蝕刻，以形成面粗糙突起部。
  8. 如申請專利範圍第6項之發光元件之製造方法，其中該GaP光取出層之厚度為40μm以上。
  9. 如申請專利範圍第7項之發光元件之製造方法，其中該GaP光取出層之厚度為40μm以上。
  10. 如申請專利範圍第1項之發光元件之製造方法，其中，該GaP光取出層係形成為厚度未滿40μm，且在該光取出層之側面上未形成該面粗糙突起部。
  11. 如申請專利範圍第2項之發光元件之製造方法，其中，該GaP光取出層係形成為厚度未滿40μm，且在該光取出層之側面上未形成該面粗糙突起部。
  12. 如申請專利範圍第3項之發光元件之製造方法，其中，該GaP光取出層係形成為厚度未滿40μm，且在該光取出層之側面上未形成該面粗糙突起部。
  13. 如申請專利範圍第1至12項中任一項之發光元件之製造方法，其中，對使用該面粗糙用蝕刻液之異向性蝕刻所形成之該面粗糙突起部，進一步利用等向性蝕刻液進行圓弧蝕刻處理。
  14. 一種發光元件，其特徵在於具有：發光層部，其在以組成式(Alx Ga1 － x )y In1 － y P(其中，0≦x≦1，0≦y≦1)表示之化合物中，使用與GaAs晶格匹配之組成之化合物分別構成第一導電型包覆層、活性層以及第二導電型包覆層，依此順序積層而形成雙異質結構；以及具有厚度為10μm以上之GaP光取出層，其係形成於該發光層部之第一主表面側，並且以光取出電極覆蓋本身之第一主表面一部分區域，且將該第一主表面之光取出側電極未覆蓋之區域作為主光取出區域，並以側面區域作為側面光取出區域；GaP光取出層係第一主表面為(100)面之GaP單結晶層，且主光取出區域與側面光取出區域雙方均藉由蝕刻形成面粗糙之突起部。
  15. 如申請專利範圍第14項之發光元件，其中該面粗糙突起部之外面，可藉由GaP單結晶之化學異向性蝕刻而形術主要為{111}面者。
  16. 如申請專利範圍第14項之發光元件，其中，在該GaP光取出層之主光取出區域之該面粗糙突起部，係藉由將由GaP單結晶之(100)面所構成之平坦結晶主表面全面浸漬在面粗糙用蝕刻液中而形成。
  17. 如申請專利範圍第15項之發光元件，其中，在該GaP光取出層之主光取出區域之該面粗糙突起部，係藉由將由GaP單結晶之(100)面所構成之平坦結晶主表面全面浸漬在面粗糙用蝕刻液中而形成。
  18. 如申請專利範圍第15項之發光元件，其中，在該GaP光取出層之側面光取出區域之該面粗糙突起部，係藉由將層側面浸漬在面粗糙用蝕刻液而形成。
  19. 如申請專利範圍第16項之發光元件，其中，在該GaP光取出層之側面光取出區域之該面粗糙突起部，係藉由將層側面浸漬在面粗糙用蝕刻液而形成。
  20. 如申請專利範圍第17項之發光元件，其中，在該GaP光取出層之側面光取出區域之該面粗糙突起部，係藉由將層側面浸漬在面粗糙用蝕刻液而形成。
  21. 如申請專利範圍第14項之發光元件，其中，在該GaP光取出層之該側面光取出區域所形成之面粗糙突起部，至少滿足其平均高度較在主光取出區域所形成之面粗糙突起部之平均高度小、或其平均形成間隔較大之任一者。
  22. 如申請專利範圍第15項之發光元件，其中，在該GaP光取出層之該側面光取出區域所形成之面粗糙突起部，至少滿足其平均高度較在主光取出區域所形成之面粗糙突起部之平均高度小、或其平均形成間隔較大之任一者。
  23. 如申請專利範圍第18項之發光元件，其中，該GaP光取出層之該側面區域係由GaP單結晶之{100}面所組成。
  24. 如申請專利範圍第19項之發光元件，其中，該GaP光取出層之該側面區域係由GaP單結晶之{100}面所組成。
  25. 如申請專利範圍第20項之發光元件，其中，該GaP光取出層之該側面區域係由GaP單結晶之{100}面所組成。
  26. 如申請專利範圍第21項之發光元件，其中，該GaP光取出層之該側面區域係由GaP單結晶之{100}面所組成。
  27. 如申請專利範圍第22項之發光元件，其中，該GaP光取出層之該側面區域係由GaP單結晶之{100}面所組成。
  28. 如申請專利範圍第14項之發光元件，其中，使該面粗糙突起部之前端側形成為曲面狀。
  29. 如申請專利範圍第15項之發光元件，其中，使該面粗糙突起部之前端側形成為曲面狀。
  30. 如申請專利範圍第28項之發光元件，其中該面粗糙突起部具有：本體(構成突起部基端側，其越往前端側越細)、以及前端膨出部(在該本體前端側以球狀膨脹突出之形態呈一體化)。
  31. 如申請專利範圍第29項之發光元件，其中該面粗糙突起部，具有：本體(構成突起部基端側，其越往前端側越細)、以及前端膨出部(在該本體前端側以球狀膨脹突出之形態呈一體化)。
  32. 如申請專利範圍第14項之發光元件，其中，複數個在主光取出區域上分散形成之面粗糙突起部，至少突出基端部外面係呈複數個平面所圍繞之多面體形狀，且在主光取出區域上預定之方向上，在同一突起部內相對向之兩個面與GaP光取出層之第一主表面所形成之銳角分別為Φ1以及Φ2時，Φ1與Φ2均為30°以上，且Φ1>Φ2。
  33. 如申請專利範圍第15項之發光元件，其中，複數個在主光取出區域上分散形成之面粗糙突起部較佳為，至少突出基端部外面係呈複數個平面所圍繞之多面體形狀，且在主光取出區域上預定之方向上，在同一突起部內相對向之兩個面與GaP光取出層之第一主表面所形成之銳角分別為Φ1以及Φ2時，Φ1與Φ2均為30°以上，且Φ1>Φ2。
  34. 如申請專利範圍第32項之發光元件，其中該發光層部，係在結晶主軸具有由<100>方向傾斜1°~25°之偏角的GaAs基板上進行磊晶成長所形成者，並使GaP光取出層之結晶方向與具有偏角之發光層部一致。
  35. 如申請專利範圍第33項之發光元件，其中該發光層部，係在結晶主軸具有由<100>方向傾斜1°~25°之偏角的GaAs基板上進行磊晶成長所形成者，並使GaP光取出層之結晶方向與具有偏角之發光層部一致。
  36. 如申請專利範圍第14至35項中任一項之發光元件，其中該面粗糙突起部，係將利用異向性蝕刻所形成之基本形狀，進一步利用等向性蝕刻液進行圓弧蝕刻處理者。
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