JP2015056652A - 窒化物半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軸上光度が高められ、混合色の色むらが低減された窒化物半導体発光装置を提供する。
【解決手段】窒化物半導体発光装置は、積層体と、第１電極と、第２電極と、蛍光体層と、を有する。積層体は、第１導電形層を含む第１の層と、第２導電形層を含む第２の層と、第１の層と第２の層との間に設けられた発光層と、を有し、窒化物半導体を含む。積層体は、中央部および外周部の少なくともいずれかに発光層とは反対の側となる第１の層の表面から第２の層の一部に到達する段差部を有する。第１電極は、第１の層の表面に設けられ、発光層からの放出光の一部を反射する。第２電極は、段差部の底面に設けられる。蛍光体層は、発光層とは反対の側となる第２の層の面に設けられ、積層体とは反対の側となる面を光出射面とする。積層体および蛍光体層のいずれかは、出射面に向かうに従って拡幅する断面を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、窒化物半導体発光装置に関する。

窒化物半導体発光装置は、照明装置、表示装置、信号機などに広く用いられる。
これらの用途では、動作電圧が低減されかつ光出力の高い半導体発光装置が強く要求される。

窒化物半導体発光装置では、半導体積層体のうち段差部が設けられた一方の面の側に、ｐ側電極およびｎ側電極を設け、他方の面の側を光射面とすることが多い。
もし、ｐ側電極とｎ側電極とに近接した発光層の狭い領域にキャリアが集中して注入されると、オージェ非発光再結合やキャリアオーバーフローが増加する。このため、発光効率が低下し高い光出力は得られず、動作電圧も高くなる。
また、発光層からの放出光の指向特性と波長変換光の指向特性とは一般に異なる。このため、光出射面の外周部では、色度が異なり色むらを生じやすくなる。

特開２０１２−１２４３３０号公報

軸上光度が高められ、混合色の色むらが低減された窒化物半導体発光装置を提供する。

実施形態の窒化物半導体発光装置は、積層体と、第１電極と、第２電極と、蛍光体層と、を有する。前記積層体は、第１導電形層を含む第１の層と、第２導電形層を含む第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に設けられた発光層と、を有し、窒化物半導体を含む。前記積層体は、中央部および外周部の少なくともいずれかに前記発光層とは反対の側となる前記第１の層の表面から前記第２の層の一部に到達する段差部を有する。前記第１電極は、前記第１の層の前記表面に設けられ、前記発光層からの放出光の一部を反射する。前記第２電極は、前記段差部の底面に設けられる。前記蛍光体層は、前記発光層とは反対の側となる前記第２の層の面に設けられ、前記積層体とは反対の側となる面を光出射面とする。前記積層体および前記蛍光体層のいずれかは、前記出射面に向かうに従って拡幅する断面を有する。

図１（ａ）は第１の実施形態にかかる窒化物半導体発光装置の模式断面図、図３（ｂ）はＡ−Ａ線に沿って積層体の側をみた模式平面図、である。 図２（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施形態にかかる窒化物半導体発光装置の製造プロセスのうちウェーハ接着までを説明する模式図である。 図３（ａ）〜（ｆ）は、第１の実施形態にかかる窒化物半導体発光装置の製造プロセスのうち、ウェーハ接着以降を説明する模式図である 図４（ａ）は第１の実施形態の第１変形例にかかる窒化物半導体発光装置の模式断面図、図４（ｂ）は第１の実施形態の第２変形例にかかる窒化物半導体発光装置の模式断面図、である。 図５（ａ）は第１比較例にかかる窒化物半導体発光装置の模式断面図、図３（ｂ）はＡ−Ａ線に沿って積層体の側をみた模式平面図、である。 図６（ａ）はシミュレーションによる配光特性を表すグラフ図、図６（ｂ）はシミュレーションによる動作電流に対する光出力依存性を表すグラフ図である。 図７（ａ）は第２の実施形態にかかる窒化物半導体発光装置の模式断面図、図７（ｂ）はＡ−Ａ線に沿って積層体の側をみた模式平面図、である。 第２の実施形態の変形例にかかる窒化物半導体発光装置の模式断面図である。 第２比較例にかかる窒化物発光装置の模式断面図である。 図１０（ａ）はシミュレーションにより求めた配光特性を表すグラフ図、図１０（ｂ）はシミュレーションにより求めた動作電流に対する光出力依存性を表すグラフ図、である。 図１１（ａ）は第３の実施形態にかかる窒化物半導体発光装置の模式断面図、図１１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿って積層体の側をみた模式平面図、である。 図１２（ａ）はシミュレーションにより求めた配光特性を表すグラフ図、図１２（ｂ）はシミュレーションにより求めた動作電流に対する光出力依存性を表すグラフ図、である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる窒化物半導体発光装置の模式断面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿って積層体の側をみた模式平面図、である。
窒化物半導体発光装置は、積層体１６と、第１電極２４と、第２電極２０と、蛍光体層４０と、を有する。

積層体１６は、第１導電形層を含む第１の層１４と、第２導電形層を含む第２の層１０と、第１の層１４と第２の層１０との間に設けられた発光層１２と、を有し、窒化物半導体を含む。積層体１６の外周部は、発光層１２とは反対の側となる第１の層１４の表面から第２の層１０の一部に到達する段差部１６ｍを有する。また、積層体１６は、段差部１６ｍの底面１０ｃと、第２の層１０の面１０ｅとの間に拡幅する断面を有する。

第１の電極２４は、第１の層１４の表面に設けられ、発光層１２からの放出光の一部を反射する。また、第２の電極２０は、段差部１６ｍの底面１０ｃとなる第２の層１０の上に設けられる。

蛍光体層４０は、発光層１２とは反対の側となる第２の層１０の面１０ｅに設けられる。また、発光層１２とは反対の側となる蛍光体層４０の面は、光出射面４０ａとなる。第１の実施形態において、蛍光体層４０は、たとえば、四角錐台のように拡幅する断面を有するものとする。蛍光体層４０の側面の傾斜角度と、積層体１６の第２の層１０の側面の傾斜角度と、は略等しいが、異なっていてもよい。

また、蛍光体層４０は、発光層１２からの放出光を吸収し、放出光の波長よりも長い波長である波長変換光を放出する。たとえば、放出光を青色の場合、蛍光体層４０が黄色蛍光体、緑色蛍光体、赤色蛍光体などを含むようにすると、混合光として、白色光や電球色を放出することができる。

なお、積層体１６の第２の層１０が所定の厚さとなるように、発光層１２とは反対の側の面１０ｅをエッチングなどにより薄層化することができる。エッチング後の面１０ｅに凹凸を設けると、光取り出し効率を高めることができるのでより好ましい。凹凸が設けられた面１０ｅの上に蛍光体層４０を塗布すると、蛍光体層４０の両面に凹凸を設けることができ、より光取り出し効率を高めることができる。

窒化物半導体発光装置は、支持体３０をさらに有することができる。支持体３０は、たとえば、第３電極３０ａと第４電極３０ｂとを有する。積層体１６の表面の第１電極２４と支持体３０の第３電極３０ａと、第２電極２０と支持体３０の第４電極３０ｂと、が接着される。支持体３０は、ＳｉやＳｉＣなどとすることができる。
図２（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施形態にかかる窒化物半導体発光装置の製造プロセスのうちウェーハ接着までを説明する模式図である。
図２（ａ）は、サファイヤやシリコンなどの結晶成長基板９０の上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などを用いて、積層体１６を形成したウェーハの模式断面図である。積層体１６は、結晶成長基板９０の側から、第２の層１０と、発光層１２と、第１の層１４と、を含む。なお、第１の層１４はｐ形層を含み、第２の層１０はｎ形層を含むものとするが、本発明はこの導電形に限定されない。

第２の層１０は、たとえば、ｎ形ＧａＮクラッド層（ドナー濃度５×１０^１８ｃｍ−３、厚さ４μｍ）１０ａ、およびＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮからなる超格子層（井戸層厚１ｎｍと障壁層厚３ｎｍとの３０ペア）１０ｂを含む。超格子層１０ｂは、アンドープ層であってもよい。また、超格子層１０ｂを設けることにより、格子不整合となりやすい窒化物半導体の結晶性を高めることができる。

発光層１２は、たとえば、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮアンドープＭＱＷ（Multi Quantum Well）層（井戸層厚さ３μｍと障壁層厚さ５ｎｍとの３．５ペア）とすることができる。このようにすると、発光層１２からの放出光は、青紫〜青色波長とすることができる。

第１の層１４は、たとえば、ｐ形ＡｌＧａＮオーバーフロー防止層（アクセプタ濃度１×１０２０ｃｍ−３、厚さ５ｎｍ）１４ａ、ｐ形クラッド層（アクセプタ濃度１×１０２０ｃｍ−３、厚さ１００ｎｍ）１４ｂ、ｐ形コンタクト層（アクセプタ濃度１×１０２１ｃｍ−３、厚さ５ｎｍ）１４ｃなどを含む。

続いて、図２（ｂ）に表すように、第１の層１４の上に、第１電極２４を設ける。第１電極２４は、Ａｕ、Ａｕを含む金属多層膜、Ａｇを表面に含む多層膜などとすることができる。表面にＡｇを含むと、青紫〜青色などの短い波長に対しても、高い反射率とすることができるのでより好ましい。

続いて、図２（ｃ）に表すように、積層体１６に、第１の層１４の表面から第２の層１０の一部に到達する凹状の段差部１６ｍをエッチングなどにより形成する。段差部１６ｍの底面１０ｃは、ｎ形ＧａＮクラッド層１０ａの側に食い込んでもよい。

続いて、図２（ｄ）に表すように、段差部１６ｍの底面１０ｃに、第２電極２０を設ける。第２電極２０は、たとえば、ＡｕやＡｕを含む金属多層膜とすることができる。

他方、支持体３０の上に、Ａｕなどを表面に含む電極３０ａ、３０ｂをそれぞれ形成する。電極３０ａと第１電極２４、電極３０ｂと第２電極２０、が、それぞれ接合されるように、支持体３０と、結晶成長基板９０上の積層体１６とを、加熱・加圧などによりウェーハ接着する。

図３（ａ）〜（ｆ）は、第１の実施形態にかかる窒化物半導体発光装置の製造プロセスのうち、ウェーハ接着以降を説明する模式図である。
ウェーハ接着により、図３（ａ）に表す構造を得ることができる。続いて、図３（ｂ）に表すように、結晶成長基板９０を除去する。続いて、図３（ｃ）に表すように、所定の厚さに薄層化された第２の層１０の上に、蛍光体層４０を設ける。蛍光体層４０は、たとえば、透明樹脂液にＹＡＧ（Yttrium−Aluminum−Garnet)蛍光体粒子などを混合し塗布したのち、熱硬化などにより形成できる。

続いて、図３（ｄ）に表すように、支持体３０が所定のサイズとなるように、不要部分を除去する。
続いて、図３（ｅ）に表すように、第２の層１０のうち、クラッド層１０ａを所定のサイズでありかつ外側面が所定の傾斜角度となるように、エッチングなどで除去する。続いて、図３（ｆ）に表すように、蛍光体層４０の外側面が所定の傾斜角度となるように、エッチングやダイシングにより分割する。なお、分割プロセスは、これらに限定されない。なお、窒化物半導体発光装置の平面形状の一方の辺Ｌ１は０．５ｍｍ、他方の辺Ｌ２は０．５ｍｍ、などとすることができる。もちろん、平面形状は、矩形であってもよい。

または、第２の層１０を途中までエッチングしたのち、端部側面をエッチングして傾斜させ、そののち支持体３０を部分的に除去し、蛍光体層４０の側面が傾斜するように、エッチングやダイシングにより分割してもよい。この結果、第１の実施形態の窒化物発光装置が完成する。

次に、第１の実施形態の作用を説明する。第１電極２４は発光層１２の表面を広く覆うように設けられ発光層１２までの走行距離も短いので、キャリアを発光層１２の発光領域ＥＲに広げることは容易である。このため、オージェ非発光再結合確率やキャリアオーバーフローを低く保ち発光効率を高めることができる。なお、オージェ再結合は、再結合によるエネルギーを他のキャリアに与えることにより、非発光再結合を生じ発光効率を低下させる。また、オージェ再結合確率は、電子濃度やホール濃度が高いほど高くなる。この結果、大電流動作における発光効率の低下が抑制され、光出力をより高めることができる。

また、第２電極２０をｎ側電極とした場合、ホールよりも移動度の大きい電子を発光層１２の発光領域ＥＲに広げることができる。他方、第１電極２４（p側電極）は発光層１２の表面を広く覆うように設けられ発光層１２までの走行距離も短いので、電子よりも移動度が小さいホールを発光層１２の発光領域ＥＲに広げることは容易である。このため、発光効率をさらに高めることができる。この結果、大電流動作における光出力をさらに高めることができる。

第１の実施形態では、積層体１６の外側面１０ｇと蛍光体層４０の外側面４０ｂとにおいて、外側に向かう放出光ｇ１を内側に向かって反射することができる。このため、窒化物半導体発光装置の中心軸の軸上近傍において、波長変換光や発光層１２からの放出光の光強度（光度）が高められると共に、蛍光体層４０の外周部を通過する光の割合が低下する。この結果、窒化物半導体発光装置の外周部での混合光の色むらが低減される。

図４（ａ）は第１の実施形態の第１変形例にかかる窒化物半導体発光装置の模式断面図、図４（ｂ）は第１の実施形態の第２変形例にかかる窒化物半導体発光装置の模式断面図、である。

図４（ａ）に表すように、蛍光体層４０の側面に傾斜を設けず、積層体１６の側面のみに傾斜を設けてもよい。また、図４（ｂ）に表すように、側面の途中まで傾斜面を形成し、そののち、ダイシングなどにより切断して素子分離してもよい。また、傾斜面が曲面であってもよい。

図５（ａ）は第１比較例にかかる窒化物半導体発光装置の模式断面図、図５（ｂ）はＡ−Ａ線に沿って積層体の側をみた模式平面図、である。
第１比較例にかかる窒化物半導体発光装置において、蛍光体層１４０の側面と、積層体１１６の側面と、は、支持体１３０の表面に対して、垂直である。発光層１１２から横方向へ放出された光ｇｇは、端部側面や段差部１１６ｍの側面から外部に放出される割合が多い。このため、光出力を高めることが困難である。

図６（ａ）はシミュレーションによる配光特性を表すグラフ図、図６（ｂ）はシミュレーションによる動作電流に対する光出力依存性を表すグラフ図である。

第１の実施形態は、第１比較例よりも、蛍光体層４０の軸上近傍での光度を高めることができる。このため、蛍光体層４０の外周部での色むらを低減できる。また、第１の実施形態の変形例の軸上光度は、第１の実施形態と第１比較例との間の軸上光度となる。また、図６（ｂ）に表すように、第１の実施形態およびその変形例の光出力は、第１に比較例に対して同等以上にできる。このため、軸上光度が高い分、高輝度とすることができる。

図７（ａ）は第２の実施形態にかかる窒化物半導体発光装置の模式断面図、図７（ｂ）はＡ−Ａ線に沿って積層体の側をみた模式平面図、である。
積層体１６は、中央部に、第１の層１４の表面から第２の層１０の一部に到達する段差部１６ｍを有してもよい。積層体１６の断面は、図７（ａ）に表すように、蛍光体層４０の光出射面４０ａに向かって拡幅するように、積層体１６の外側面１６ｊが傾斜面とされる。このようにすると、発光層１２から外側面１６ｊに向かった放出光の一部ｇ２は、傾斜した外側面１６ｊにより反射され、上方に向かい出射面４０ａでの光取り出し効率を高めることができる。なお、蛍光体層４０も、光出射面４０ａに向かうに従って拡幅するものとする。

図８は、第２の実施形態の変形例にかかる窒化物半導体発光装置の模式断面図である。

本変形例では、傾斜面は、積層体１６の外側面１６ｊにのみ設けられ、蛍光体層４０は、拡幅する断面ではないものとする。このようにしても、外側面１６ｊにより反射光の一部を光出射面４０ａから出射させることができる。

図９は、第２比較例にかかる窒化物半導体発光装置の模式断面図である。
蛍光体層４０および積層体１６の外側面は出射面１４０ａに対して略垂直であり、蛍光体層４０の中心軸方向に放出光を集光することは困難である。

図１０（ａ）はシミュレーションにより求めた配光特性を表すグラフ図、図１０（ｂ）はシミュレーションにより求めた動作電流に対する光出力依存性を表すグラフ図、である。

図１０（ａ）において、横軸Ｘは図７（ａ）、図８、図９の断面図の横方向位置に対応する。また、縦軸Ｙは、図７（ａ）、図８、図９の断面図の縦方向位置に対応する。

図１０（ａ）に表すように、変形例における窒化物半導体発光装置の軸上近傍の光度は、第２比較例の軸上近傍の光度よりも高い。また、第２の実施形態の軸上近傍の光度は、変形例よりもさらに高くできる。すなわち、傾斜面を設けると、軸上近傍の光度を高めることが容易となる。

図１０（ｂ）に表すように、第２比較例の１０００ｍＡの動作電流における光出力は略８１０ｍＷである。他方、第２の実施形態の１０００ｍＡの動作電流における光出力は略９３０ｍＷであり、第２比較例の１１５％と高くできる。

図１１（ａ）は第３の実施形態にかかる窒化物半導体発光装置の模式断面図、図１１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿って積層体の側をみた模式平面図、である。
積層体１６は、中央部に段差部１６ｍを有する。積層体１６の幅は、蛍光体層４０に向かって拡幅するように、段差部１６ｍの内側面１６ｋが傾斜している。発光層１２から放出され、内側面１６ｋに向かう光ｇ５は、内側面１６ｋにより反射され、光出射面４０ａに向かう。

図１２（ａ）はシミュレーションにより求めた配光特性を表すグラフ図、図１２（ｂ）はシミュレーションにより求めた動作電流に対する光出力依存性を表すグラフ図、である。
図１２（ａ）に表すように、第３の実施形態の軸上近傍の光度は、図９に表す第２比較例の軸上近傍の光度よりも高くできる。すなわち、傾斜面を設けると、軸上近傍の光度を高めることが容易となる。また、図１２（ｂ）に表すように、動作電流が１０００ｍＡにおいて、第３の実施形態の光出力は約８７０ｍＷであり、第２比較例の光出力の８００ｍＷの約１０９％と高くできる。

第１〜第３の実施形態によれば、軸上光度が高められ、混合色の色むらが低減された窒化物半導体発光装置を提供する。この窒化物半導体発光装置は、照明装置、表示装置、信号機などに広く用いることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 第２の層、１０ｃ 段差部の底面、１２ 発光層、１４ 第１の層、１６ 積層体、１６ｍ 段差部、１６ｊ 段差部の外側面、１６ｋ 段差部の内側面、２０ 第２電極、２４ 第２電極、４０ 蛍光体層、４０ａ 光出射面、ｇ１、ｇ２ 外側に向かう放出光

Claims (7)

1. 第１導電形層を含む第１の層と、第２導電形層を含む第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に設けられた発光層と、を有し、窒化物半導体を含む積層体であって、中央部および外周部の少なくともいずれかに前記発光層とは反対の側となる前記第１の層の表面から前記第２の層の一部に到達する段差部を有する積層体と、
   前記第１の層の前記表面に設けられ、前記発光層からの放出光の一部を反射する第１電極と、
   前記段差部の底面に設けられた第２電極と、
   前記発光層とは反対の側となる前記第２の層の面に設けられ、前記積層体とは反対の側となる面を光出射面とする蛍光体層と、
   を備え、
   前記積層体および前記蛍光体層のいずれかは、前記光出射面に向かうに従って拡幅する断面を有する、窒化物半導体発光装置。
2. 前記積層体は、前記外周部に前記段差部を有し、
   前記蛍光体層は、前記拡幅する断面を有する請求項１記載の窒化物半導体発光装置。
3. 前記積層体は、前記段差部の前記底面と、前記第２の層の前記面と、の間に前記拡幅する断面を有する請求項２記載の窒化物半導体発光装置。
4. 前記積層体は、前記中央部に前記段差部を有し、かつ前記拡幅する断面を有する請求項１記載の窒化物半導体発光装置。
5. 前記積層体の外側面は、傾斜する請求項４記載の窒化物半導体発光装置。
6. 前記蛍光体層は、前記拡幅する断面を有する請求項４または５に記載の窒化物半導体発光装置。
7. 前記段差部の内側面は、傾斜する請求項４記載の窒化物半導体発光装置。

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