发光元件、其制造方法和显示设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种发光元件、其制造方法和显示设备。发光元件包括由通过第一化合物半导体层、有源层和第二化合物半导体层构成的叠层结构体所形成的发光区域以及由所述叠层结构体形成、从所述发光区域延伸出并具有光射出端面的光传播区域。发光区域由波脊峰纹结构部和位于波脊峰纹结构部两侧的波脊峰纹邻接部构成，并且当波脊峰纹邻接部中的第二化合物半导体层的厚度被设置为d1，光传播区域中的第二化合物半导体层的厚度被设置为d2，波脊峰纹结构部中的第二化合物半导体层的厚度被设置为d3时，满足d3>d2>d1。
【专利说明】发光元件、其制造方法和显示设备
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求享有2013年8月8日提交的日本优先权专利申请JP2013-164884的 权益，该专利申请的全部内容并入本文以供参考。
【技术领域】
[0003]本发明涉及一种发光元件、其制造方法和包括所述发光元件的显示设备。
【背景技术】
[0004]例如，包括以半导体激光器元件制成的发光元件作为光源的所谓激光显示设备 (即被称为投影仪的显示设备）例如可从日本未审专利申请公开文本第2009-025462号中 获知。激光显示设备除了高亮度和高清晰度之外，还具有小型、轻重量和低功耗的特征，因 此广受关注。然而，在激光显示设备中，斑点噪声成为降低图像和视频的图像质量的因素。 斑点噪声是由于激光束的高相干性而在诸如屏幕、墙壁等等显示图像和视频的激光照射表 面上由散射光的干扰引起的现象，并且是由于激光照射表面上存在细微凹凸而导致的。
[0005]具有与半导体激光器元件类似的结构、通过抑制激光振荡而扩展光谱宽度、并降 低相干性的超发光二极管（SLD)正在受到关注。超发光二极管在与激光束相同的电平级别 具有高方向性，而且是能够具有与一般发光二极管（LED) -样宽的光谱的发光元件。
[0006]例如，在日本未审专利申请公开文本第2-310975号中，在图3中作为现有技术公 开了一种超发光二极管，其中通过使波导管延伸的方向垂直于光射出端面而在光射出端面 附近形成端面嵌入区域和非激励区域；在图4中公开了一种具有倾斜波导管的超发光二极 管；此外，还指出了具有这些结构的超发光二极管的问题。然后，为了解决这些问题，通过使 波导管弯曲，抑制了光对于波导管的耦合系数，并抑制了感应发光，由此扩展了光谱宽度。
[0007]然而，日本未审专利申请公开文本第2-310975号公开了具有以下问题的技术：因 为波导管是相对于光射出端面倾斜的，因此由于光射出端面上的光折射而改变了发射光的 方向。此外，存在这样的问题：从光射出端面发出的光的半径形状是弯曲的（参看图21B)。 此外，为了在显示应用中利用透镜聚集光，需要对透镜和光学系统进行研究。为了解决这些 问题，正如现有技术，波导管延伸的方向例如可以垂直于光射出端面。然而，当采用这种结 构的时候，光对于波导管的耦合系数增加，因此难以抑制感应发光。结果，光谱宽度变窄，而 且不再降低斑点噪声。此外，包括电流注入区域、电流非注入区域和电流注入端部的超发光 二极管可从日本未审专利申请公开文本第2000-068553号获知，其中在所述电流注入端部 中，注入的电流量在所述电流注入区域和所述电流非注入区域之间逐渐减少；然而，存在这 样的问题：所述超发光二极管具有复杂的结构。
【发明内容】
[0008]因此，期望的是提供一种能够以简单结构可靠地降低斑点噪声的发光元件、其制 造方法和包括这种发光元件的显示设备。
[0009] 根据本发明的第一实施例或者第二实施例，提供了一种发光元件，包括：由通过 第一化合物半导体层、有源层、第二化合物半导体层构成的叠层结构体所形成的发光区域； 以及由所述叠层结构体形成、从所述发光区域延伸出、并具有光射出端面的光传播区域，其 中，所述发光区域由波脊峰纹结构部、和位于所述波脊峰纹结构部两侧的波脊峰纹邻接部 构成。
[0010] 在根据本发明第一实施例的发光元件中，当所述波脊峰纹邻接部中的第二化合物 半导体层的厚度被设置为di，所述光传播区域中的第二化合物半导体层的厚度被设置为 d2，所述波脊峰纹结构部中的第二化合物半导体层的厚度被设置为d3时，满足。此 夕卜，所述第二化合物半导体层的所述厚度指的是从所述有源层和所述第二化合物半导体层 之间的界面、直至所述第二化合物半导体层的预定区域的顶面的平均厚度。
[0011] 此外，在根据本发明第二实施例的发光元件中，当发光区域的有效折射率被设置 为nn，光传播区域的有效折射率被设置为neff_2时，满足彡8X1CT4,优选满 足IrirfH-neH-J彡 2X1CT5。
[0012] 根据本发明的第一实施例或者第三实施例，提供了一种制造发光元件的方法，该 方法是制造根据本发明第一实施例的发光元件的方法。此外，根据本发明的第二实施例或 者第四实施例，提供了一种制造发光元件的方法，该方法是制造根据本发明第二实施例的 发光元件的方法。
[0013] 于是，根据本发明第一实施例或者第二实施例的制造发光元件的方法包括：
[0014] (a)依次形成第一化合物半导体层、有源层、第二化合物半导体层的第一层、第二 化合物半导体层的第二层和第二化合物半导体层的第三层；以及
[0015] (b)在用于形成光传播区域的区域中去除所述第二化合物半导体层的第三层，并 在用于形成波脊峰纹邻接部的区域中去除所述第二化合物半导体层的第三层和所述第二 化合物半导体层的第二层。
[0016] 此外，根据本发明第三实施例和第四实施例的制造发光元件的方法包括：
[0017] (a)依次形成第一化合物半导体层，有源层，第二化合物半导体层的第一层，以及 第二化合物半导体层的第二层；
[0018] (b)在用于形成光传播区域的区域中在所述第二化合物半导体层的第二层上形成 掩模层；
[0019] (C)在用于形成发光区域的区域中在所述第二化合物半导体层的第二层上形成所 述第二化合物半导体层的第三层；以及
[0020] (d)在用于形成波脊峰纹邻接部的区域中去除所述第二化合物半导体层的第三层 和所述第二化合物半导体层的第二层。
[0021] 根据本发明的另一实施例，提供了一种显示设备，包括根据本发明第一实施例或 者第二实施例的发光元件。
[0022] 根据本发明第一实施例或者第二实施例的发光元件包括发光区域和从所述发光 区域延伸出并具有光射出端面的光传播区域。因此，来自所述发光区域的有源层的光穿过 所述光传播区域，并且大部分的光从所述光射出端面发射到所述系统的外部。此外，到达光 射出端面的其余光返回到光传播区域；然而返回到发光区域的有源层的光量极小。也就是 说，光对于发光区域的有源层的耦合系数很低。顺便说来，即使在发光区域和光传播区域之 间的界面处，也会反射来自发光区域的有源层的光。于是，由于发光区域的有效折射率1^" 与光传播区域的有效折射率nrff_2之间的差Anrff变大，在发光区域和光传播区域之间的界 面处反射更多的光。在根据本发明第一实施例的发光元件中，定义了波脊峰纹邻接部中的 第二化合物半导体层的厚度屯、光传播区域中的第二化合物半导体层的厚度d2、波脊峰纹 结构部中的第二化合物半导体层的厚度d3之间的关系。此外，在根据本发明第二实施例的 发光元件中，定义了发光区域的有效折射率和光传播区域的有效折射率neff_2之间的 关系。因此，可以抑制发光区域和光传播区域之间的界面处的光的反射。从而，可以以简 单结构进一步降低光对于发光区域的有源层的耦合系数，并且可靠地抑制感应发光。结果， 可以扩展光谱宽度，并且减少斑点噪声。此外，本说明书中描述的效果仅仅是示例而不是限 制，还可能存在额外的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1A、1B和1C分别是构成示例1的发光元件的叠层结构体的示意平面图，沿图1A 中箭头IB-IB获得的叠层结构体及类似物的示意剖视图，和沿图1A中箭头IC-IC获得的叠 层结构体及类似物的示意剖视图；
[0024] 图2A和2B分别是示例1的发光元件的叠层结构体及类似物的透视图，和沿图1A 的箭头IIB-IIB获得的示意剖视图；
[0025] 图3是示例1的发光元件的发光区域的示意部分剖视图；
[0026] 图4是示例1的发光元件的光传播区域的示意部分剖视图；
[0027] 图5是用于描述制造示例1的发光元件的方法的叠层结构体及类似物的示意部分 剖视图；
[0028] 图6A、6B和6C是继图5之后，用于描述制造示例1的发光元件的方法的叠层结构 体及类似物的示意部分剖面图；
[0029] 图7A、7B和7C是继图6A、6B和6C之后，用于描述制造示例1的发光元件的方法 的叠层结构体及类似物的示意部分剖面图；
[0030] 图8A、8B和8C是用于描述制造示例2的发光元件的方法的叠层结构体及类似物 的示意部分剖面图；
[0031] 图9是示例3的发光元件的光传播区域的示意部分剖视图；
[0032] 图10是示例5的显示设备的示意图；
[0033] 图11是示例5中的另一显示设备的示意图；
[0034] 图12是示例1的发光元件的变型例的叠层结构体及类似物的示意剖视图，其与沿 图1A的箭头IIB-IIB获得的视图相同；
[0035] 图13A、13B、13C和13D是示出具有喇叭口结构的波脊峰纹结构部的轮廓线；
[0036] 图14是示例1的变型例的发光元件的发光区域的示意部分剖视图；
[0037] 图15是用于描述可以降低本发明的发光元件中的耦合系数的发光元件的叠层结 构体的示意平面图；
[0038] 图16是示出光传播区域中的第二化合物半导体层的厚度(12、发光区域和光传播区 域之间的有效折射率差、以及发光区域和光传播区域之间的界面处的反射率获得结果；
[0039] 图17是示出发光区域与光传播区域之间的有效折射率差、与耦合系数之间的关 系的图表；
[0040] 图18A和18B分别是示出示例1的发光元件的驱动电流与光输出和施加电压之间 关系的图表，和示出从示例1的发光元件发出的光的光谱的图表；
[0041] 图19是对比示例1的发光元件的示意剖视图，其与沿图1A中的箭头IIB-IIB获 得的视图相同。
[0042] 图20A和20B分别是示出对比示例1的发光元件的驱动电流与光输出和施加电压 之间关系的图表，和示出从对比示例1的发光元件发出的光的光谱的图表；和
[0043] 图21A和21B分别是捕获从示例1的发光元件发出的光的半径形状的照片，和捕 获从现有技术的其中波导管倾斜于光射出端面的发光元件发出的光的半径形状的照片。
【具体实施方式】
[0044] 下文中将说明的实施例是本发明的优选具体示例，对其施加了技术上优选的各种 限制。然而，在下文说明中，除非特别限制本发明的语句，否则本发明的范围并不局限于这 些实施例。下文将按以下顺序作出说明。
[0045] 1.根据本发明第一实施例和第二实施例的整个发光兀件、根据本发明第一实施例 至第四实施例的制造发光元件的方法、和本发明的显示设备的说明。
[0046] 2.示例1(根据本发明第一实施例和第二实施例的发光元件，和根据本发明第一 实施例和第三实施例的制造发光元件的方法）
[0047] 3.示例2(根据本发明第二实施例和第四实施例的制造发光元件的方法）等等。 [0048][根据本发明第一实施例和第二实施例的整个发光元件、根据本发明第一实施例 至第四实施例的制造发光元件的方法、本发明的显示设备的说明]
[0049] -种根据本发明的第一实施例或者第二实施例的制造发光元件的方法优选以以 下形式实现，其中，
[0050] 在工艺（a)中，依次形成第一化合物半导体层、有源层、第二化合物半导体层的第 一层、和所述第二化合物半导体层的第2A层、第一蚀刻停止层、所述第二化合物半导体层 的第2B层、第二蚀刻停止层、所述第二化合物半导体层的第2C层、和所述第二化合物半导 体层的第三层，和
[0051] 在工艺（b)中，去除在用于形成光传播区域的区域中的所述第二化合物半导体层 的第三层和所述第二化合物半导体层的第2C层，去除在用于形成波脊峰纹邻接部的区域 中的所述第二化合物半导体层的第三层、所述第二化合物半导体层的第2C层、所述第二蚀 刻停止层、和所述第二化合物半导体层的第2B层。
[0052] 此外，根据本发明第三实施例或者第四实施例的制造发光元件的方法优选的是以 以下形式实现，其中，
[0053] 在工艺（a)中，形成第一化合物半导体层、有源层、所述第二化合物半导体层的第 一层、蚀刻停止层和所述第二化合物半导体层的第二层。
[0054] 根据本发明的第一实施例的发光元件、或者通过根据本发明第一实施例或者第三 实施例的包括上述优选形式的制造发光元件的方法获得的发光元件，在下文中有时被统称 为"根据本发明第一实施例的发光元件及类似物"。此外，根据本发明第二实施例的发光元 件、或者通过根据本发明第二实施例或者第四实施例的包括上述优选形式的制造发光元件 的方法获得的发光元件，在下文中有时被统称为"根据本发明的第二实施例的发光元件及 类似物"。此外，根据本发明第一实施例的发光元件及类似物和根据本发明第二实施例的发 光元件及类似物有时被统称为"本发明的发光元件及类似物"。此外，波脊峰纹结构部延伸 的方向被设置为X方向，有源层的宽度方向被设置为Y方向，有源层的厚度方向被设置为Z 方向。
[0055] 根据本发明第一实施例的发光元件优选的是以以下形式实现，其中，当发光 区域的有效折射率被设置为，光传播区域的有效折射率被设置为nrff_2时，可满足
【权利要求】
1. 一种发光元件，包括： 发光区域，其由通过第一化合物半导体层、有源层和第二化合物半导体层构成的叠层 结构体形成；和 光传播区域，其由所述叠层结构体形成、从所述发光区域延伸出并具有光射出端面， 其中，所述发光区域由波脊峰纹结构部和位于所述波脊峰纹结构部两侧的波脊峰纹邻 接部构成，W及 当所述波脊峰纹邻接部中的第二化合物半导体层的厚度被设置为dl，所述光传播区域 中的第二化合物半导体层的厚度被设置为d,，所述波脊峰纹结构部中的第二化合物半导体 层的厚度被设置为ds时，满足d3〉d2〉di。
2. 根据权利要求1所述的发光元件，其中，当发光区域的有效折射率被设置为光 传播区域的有效折射率被设置为nwf_2时，满足In^H-n^wl《8X1(T4。
3. 根据权利要求2所述的发光元件，其中，满足《2XKT5。
4. 根据权利要求1所述的发光元件，其中，光传播区域的长度为40 y m或更大。
5. 根据权利要求4所述的发光元件，其中，光传播区域的长度为40 y m至200 y m。
6. 根据权利要求1所述的发光元件，其中，当发光区域和光传播区域之间的界面处的 有源层的宽度被设置为Wi，光传播区域的长度被设置为L,时，满足20《L,/Wi《60。
7. 根据权利要求1所述的发光元件， 其中，波脊峰纹结构部中被注入电流，W及 光传播区域中不被注入电流。
8. 根据权利要求7所述的发光元件， 其中，第一化合物半导体层电连接至第一电极，W及 在至少构成波脊峰纹结构部的叠层结构体的顶面上形成第二电极。
9. 根据权利要求1所述的发光元件， 其中，在构成波脊峰纹结构部的叠层结构体内形成第一蚀刻停止层和第二蚀刻停止 层， 第一蚀刻停止层形成在构成光传播区域的叠层结构体内，并且构成光传播区域的叠层 结构体的顶面由第二蚀刻停止层构成，W及 构成波脊峰纹邻接部的叠层结构体的顶面由第一蚀刻停止层构成。
10. 根据权利要求1所述的发光元件，其中，在波脊峰纹结构部的至少一个侧面W及波 脊峰纹邻接部的顶面上形成第一电介质膜，W及 在光传播区域的顶面上形成第二电介质膜，所述第二电介质膜由与构成第一电介质膜 的材料不同的材料制成。
11. 根据权利要求1所述的发光元件， 其中，波脊峰纹结构部W直线形状延伸。
12. 根据权利要求11所述的发光元件， 其中，当波脊峰纹结构部延伸的方向被设置为X方向，有源层的宽度方向被设置为Y方 向，有源层的厚度方向被设置为Z方向的时候，在包含有源层的虚拟XY平面上切割光传播 区域时的光射出端面的切割面是沿Y方向延伸的直线。
13. 根据权利要求1所述的发光元件，其中，从光射出端面射出的光的发光光谱的半宽 度是Inm或更大。
14. 根据权利要求13所述的发光元件，其中，从光射出端面射出的光的发光光谱的半 宽度是4nm或更大。
15. 根据权利要求1所述的发光元件，其中，发光元件由超发光二极管形成。
16. -种发光兀件，包括： 发光区域，其由通过第一化合物半导体层、有源层和第二化合物半导体层构成的叠层 结构体形成；和 光传播区域，其由所述叠层结构体形成、从所述发光区域延伸出并具有光射出端面， 其中，所述发光区域由波脊峰纹结构部和位于所述波脊峰纹结构部两侧的波脊峰纹邻 接部构成，W及 当所述发光区域的有效折射率被设置为所述光传播区域的有效折射率被设置为 rieff-2 时，满足 I rieff-i-neff-21《8 X 10-4。
17. 根据权利要求16所述的发光元件，其中，满足kff_i-nwf_2|《2XKT5。
18. 根据权利要求16所述的发光元件，其中，发光区域包括光反射端面，光反射端面上 的光反射率为99%或更多，并且光射出端面上的光反射率为1%或者更小。
19. 一种发光元件的制造方法，所述发光元件包括由通过第一化合物半导体层、有源层 和第二化合物半导体层构成的叠层结构体所形成的发光区域W及由所述叠层结构体形成、 从所述发光区域延伸出并具有光射出端面的光传播区域，其中，所述发光区域由波脊峰纹 结构部和位于所述波脊峰纹结构部两侧的波脊峰纹邻接部构成，W及当所述波脊峰纹邻接 部中的所述第二化合物半导体层的厚度被设置为di，所述光传播区域中的所述第二化合物 半导体层的厚度被设置为d,，所述波脊峰纹结构部中的所述第二化合物半导体层的厚度被 设置为ds时，满足d3〉d2〉di，所述方法包括如下步骤： (a)依次形成所述第一化合物半导体层、所述有源层、所述第二化合物半导体层的第一 层、所述第二化合物半导体层的第二层和所述第二化合物半导体层的第H层；然后 化）去除用于形成所述光传播区域的区域中的所述第二化合物半导体层的所述第H 层，并去除用于形成所述波脊峰纹邻接部的区域中的所述第二化合物半导体层的所述第H 层和所述第二化合物半导体层的所述第二层。
20. 根据权利要求19所述的发光元件的制造方法， 其中，在所述步骤（a)中，依次形成第一化合物半导体层、有源层、第二化合物半导体 层的第一层、第二化合物半导体层的第2A层、第一蚀刻停止层、第二化合物半导体层的第 2B层、第二蚀刻停止层、第二化合物半导体层的第2C层和第二化合物半导体层的第H层， 在所述步骤化）中，去除用于形成光传播区域的区域中的第二化合物半导体层的第H 层和第二化合物半导体层的第2C层，并去除在用于形成波脊峰纹邻接部的区域中的第二 化合物半导体层的第H层、第二化合物半导体层的第2C层、第二蚀刻停止层、和第二化合 物半导体层的第2B层。
21. -种发光元件的制造方法，所述发光元件包括由通过第一化合物半导体层、有源 层和第二化合物半导体层构成的叠层结构体所形成的发光区域W及由所述叠层结构体形 成、从所述发光区域延伸出并具有光射出端面的光传播区域，其中，所述发光区域由波脊 峰纹结构部和位于所述波脊峰纹结构部两侧的波脊峰纹邻接部构成，W及当所述发光区 域的有效折射率被设置为且所述光传播区域的有效折射率被设置为n,ff_2时，满足 neff-i-neff-21《8 X 1〇-4,所述方法包括如下步骤： (a)依次形成所述第一化合物半导体层、所述有源层、所述第二化合物半导体层的第一 层、所述第二化合物半导体层的第二层和所述第二化合物半导体层的第H层；然后 化）去除用于形成所述光传播区域的区域中的所述第二化合物半导体层的所述第H 层，并去除用于形成所述波脊峰纹邻接部的区域中的所述第二化合物半导体层的所述第H 层和所述第二化合物半导体层的所述第二层。
22. 根据权利要求21所述的发光元件的制造方法， 其中，在所述步骤（a)中，依次形成第一化合物半导体层、有源层、第二化合物半导体 层的第一层、第二化合物半导体层的第2A层、第一蚀刻停止层、第二化合物半导体层的第 2B层、第二蚀刻停止层、第二化合物半导体层的第2C层和第二化合物半导体层的第H层， 在所述步骤化）中，去除用于形成光传播区域的区域中的第二化合物半导体层的第H 层和第二化合物半导体层的第2C层，并去除在用于形成波脊峰纹邻接部的区域中的第二 化合物半导体层的第H层、第二化合物半导体层的第2C层、第二蚀刻停止层、和第二化合 物半导体层的第2B层。
23. -种发光元件的制造方法，所述发光元件包括由通过第一化合物半导体层、有源层 和第二化合物半导体层构成的叠层结构体所形成的发光区域W及由所述叠层结构体形成、 从所述发光区域延伸出并具有光射出端面的光传播区域，其中，所述发光区域由波脊峰纹 结构部和位于所述波脊峰纹结构部两侧的波脊峰纹邻接部构成，W及当所述波脊峰纹邻接 部中的第二化合物半导体层的厚度被设置为di，所述光传播区域中的第二化合物半导体层 的厚度被设置为d,，所述波脊峰纹结构部中的第二化合物半导体层的厚度被设置为ds时， 满足d3〉d2〉di，所述方法包括如下步骤： (a)依次形成所述第一化合物半导体层、所述有源层、所述第二化合物半导体层的第一 层和所述第二化合物半导体层的第二层； 化）在用于形成所述光传播区域的区域中在所述第二化合物半导体层的所述第二层上 形成掩模层； (C)在用于形成所述发光区域的区域中在所述第二化合物半导体层的所述第二层上形 成所述第二化合物半导体层的第H层；W及 (d)去除用于形成所述波脊峰纹邻接部的区域中的所述第二化合物半导体层的所述第 H层和所述第二化合物半导体层的所述第二层。
24. 根据权利要求23所述的发光元件的制造方法，其中，在所述步骤（a)中，形成第一 化合物半导体层、有源层、第二化合物半导体层的第一层、第二化合物半导体层的第2A层、 蚀刻停止层和和第二化合物半导体层的第2B层。
25. -种发光元件的制造方法，所述发光元件包括由通过第一化合物半导体层、有源 层和第二化合物半导体层构成的叠层结构体所形成的发光区域W及由所述叠层结构体形 成、从所述发光区域延伸出并具有光射出端面的光传播区域，其中，所述发光区域由波脊 峰纹结构部和位于所述波脊峰纹结构部两侧的波脊峰纹邻接部构成，W及当所述发光区 域的有效折射率被设置为rwf_i，且所述光传播区域的有效折射率被设置为时，满足 neff-i-neff-21《8 X 1〇-4,所述方法包括如下步骤； (a)依次形成所述第一化合物半导体层、所述有源层、所述第二化合物半导体层的第一 层W及所述第二化合物半导体层的第二层； 化）在用于形成所述光传播区域的区域中在所述第二化合物半导体层的所述第二层上 形成掩模层； (C)在用于形成所述发光区域的区域中在所述第二化合物半导体层的所述第二层上形 成所述第二化合物半导体层的第H层；W及 (d)去除用于形成所述波脊峰纹邻接部的区域中的所述第二化合物半导体层的所述第 H层和所述第二化合物半导体层的所述第二层。
26. 根据权利要求25所述的发光元件的制造方法，其中，在所述步骤（a)中，形成第一 化合物半导体层、有源层、第二化合物半导体层的第一层、第二化合物半导体层的第2A层、 蚀刻停止层和和第二化合物半导体层的第2B层。
27. -种显示设备，包括根据权利要求1至18中任一条所述的发光元件。
【文档编号】H01S5/028GK104348085SQ201410379685
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年8月4日 优先权日:2013年8月8日
【发明者】藤井贤太郎, 大野智辉 申请人:索尼公司