(57)【要約】【課題】色むらが低減され、光出力が高めら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であって、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が中央部に設けられ、発光層とは反対の側の第１の層の表面は段差部の側に設けられた第１領域と第１領域を囲みかつ第１領域の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第２領域とを含む。第１電極は、第１領域と第２領域とを覆い、発光層からの放出光を反射する。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る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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、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が中央部に設けられ、前記発光層とは反対の側の前記第１の層の前記表面は前記段差部の側に設けられた第１領域と前記第１領域を囲みかつ前記第１領域の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第２領域とを含む、積層体と、  
前記第１領域と前記第２領域とを覆い、前記発光層からの放出光のうち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た蛍光体層と、
を備えた窒化物半導体発光装置。
【請求項２】
前記第２の層の前記面には、凹凸が設けられた請求項１記載の窒化物半導体発光装置。
【請求項３】
前記積層体とは反対の側となる前記蛍光体層の面は、凹凸を有し、前記放出光の出射面である請求項２記載の窒化物半導体発光装置。
【請求項４】
前記発光層は、井戸層と障壁層とを含む多重量子井戸構造を有し、
前記障壁層は、ドナーがドープされた請求項１〜３のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光装置。
【請求項５】
前記井戸層は、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）からなり、
前記障壁層は、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）からなる請求項４記載の窒化物半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、窒化物半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、他方の面の側を光出射面とすることが多い。
【０００４】
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。
【０００５】
また、発光層の一部の領域にキャリアが集中すると、たとえば、チップの中央部と周辺部とでは色度が異なり色むらを生じやすくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１２４３３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
色むらが低減され、光出力が高められた窒化物半導体発光装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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積層体であって、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が中央部に設けられ、前記発光層とは反対の側の前記第１の層の前記表面は前記段差部の側に設けられた第１領域と前記第１領域を囲みかつ前記第１領域の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第２領域とを含む。前記第１電極は、前記第１領域と前記第２領域とを覆い、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る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】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下面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
【図２】図２（ａ）は第１の比較例にかかる窒化物半導体発光装置の模式下面図、図２（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
【図３】図３（ａ）は動作電流に対する光出力依存性をシミュレーションで求めたグラフ図、図３（ｂ）は動作電流に対する電圧依存性をシミュレーションで求めたグラフ図、である。
【図４】図４（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下面図、次４（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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下面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
なお、図１（ａ）は、図１（ｂ）のＢ−Ｂ線における模式下面図である。窒化物半導体発光装置は、積層体１６、第１電極２４、第２電極２０および蛍光体層４０を有する。
【００１１】
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。また、積層体１６の中央部には、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が設けられる。段差部１６ｍは、内壁１６ｗと底面１０ｃとを有する。
【００１２】
発光層１２とは反対の側の第１の層１４の表面は、第１領域Ｒ１と、第２領域Ｒ２と、を含む。第１領域Ｒ１は、積層体１６の段差部１６ｍの側に設けられ、内壁１６ｗに隣接する。また、第２領域Ｒ２は、第１領域Ｒ１の外側を囲むように設けられる。
【００１３】
第１電極２４は、第１の層１４の表面に設けられ、発光層１２からの放出光を反射する。第１電極２４のうち第１の層１４の表面の側が銀（Ａｇ）を含むと、青色光に対しても高い光反射率とすることができる。また、第２電極２０は、段差部１６ｍの底面１０ｃに接続され、発光層１２および第１電極２４に囲まれる。
【００１４】
第１電極２４から、第１の層１４の表面に注入されたキャリアＪ１は、発光層１２へ供給される。他方、第２電極２０から注入されたキャリアＪ２は横方向に広がり発光層１２へ供給される。このため、図１（ｂ）に表すように、発光層１２のうち発光領域ＥＲ１から放出光の一部を上方に放出する。放出光の他の一部は下方に向かい、第１電極２４により反射され上方に放出される。
【００１５】
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。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。この結果、蛍光体層４０の上方では、放出光と波長変換光との混合光Ｇとして、白色光などを得ることができる。放出光が４３０〜４８０ｎｍの波長の場合、蛍光体層４０は、黄色蛍光体、赤色蛍光体、緑色蛍光体などとすることができる。
【００１６】
なお、窒化物半導体発光装置の一方の辺の長さＬ１は０．５ｍｍ、他方の辺の長さＬ２は０．５ｍｍ、などとすることができる。もちろん、辺の長さＬ１と辺の長さＬ２が異なっていてもよい。
【００１７】
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。結晶成長基板に上に形成された積層体１６の表面の第１電極２４と支持体３０の第３電極３０ａとを、また第２電極２０と支持体３０の第４電極３０ｂとを、それぞれウェーハ接着する。ウェーハ接着ののち、結晶成長基板を除去することができる。
【００１８】
次に、積層体１６の構造をより詳細に説明する。以下の説明において、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、本発明の導電形に限定されない。
【００１９】
積層体１６は、サファイヤやシリコンなどの結晶成長基板の上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic  Chemical Vapor Deposition)法などを用いて結晶成長により形成される。積層体１６は、第１の層１４と、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、を含む。
【００２０】
第２の層１０は、たとえば、ｎ形ＧａＮクラッド層（ドナー濃度１×１０１９ｃｍ−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。
【００２１】
発光層１２は、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ＜１、０＜Ｇａ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）からなる井戸層と、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１、０＜Ｇａ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）からなる障壁層と、を含む多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi  Quantum  Well）構造とすることができる。多重量子井戸構造は、井戸層厚さ３μｍと、障壁層厚さ５ｎｍと、の５．５ペアなどとすることができる。放出光の波長は、たとえば、４３０〜４８０ｎｍなどとすることができる。
【００２２】
第１の層１４は、たとえば、ｐ形ＡｌＧａＮからなる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ＧａＮクラッド層（アクセプタ濃度１×１０２０ｃｍ−３、厚さ８５ｎｍ）１４ｂ、ｐ＋形ＧａＮ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。
【００２３】
積層体１６は、中央部に第１の層１４の表面から第２の層１０の一部に到達する凹状の段差部１６ｍを有する。段差部１６ｍの底面１０ｃは、ｎ形ＧａＮクラッド層１０ａの側に食い込んでいてもよい。段差部１６ｍの底面１０ｃには、第２電極２０が設けられる。
【００２４】
第１の層１４の表面のｐ＋形ＧａＮコンタクト層１４ｃのうち、段差部１６ｍの側の部分をエッチングなどで除去し、アクセプタ濃度が低いｐ形クラッド層１４ｂを露出させる。このようにすると、露出したｐ形クラッド層１４ｂの表面が第１領域Ｒ１となる。また、残されたｐ＋形ＧａＮコンタクト層１４ｃの表面が第２領域Ｒ２となる。
【００２５】
第１領域Ｒ１の不純物濃度を第２領域Ｒ２の不純物濃度よりも低くする。このため、第１電極２４から第１領域Ｒ１へ注入されるキャリアによる電流密度は、第１電極２４から第２領域Ｒ２へ注入されるキャリアによる電流密度よりも低くできる。この結果、第２電極２０の近傍においてキャリア密度の分布が急峻に高くなりすぎず、広い発光領域ＥＲ１を設けることができる。また、非発光オージェ再結合やキャリアオーバーフローが抑制され、発光効率および光出力を高めることができる。
【００２６】
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。
【００２７】
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の広い範囲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内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。
【００２８】
なお、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。エッチング後の面１０ｅに微小な凹凸を設けると、全反射が低減され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る。
【００２９】
図２（ａ）は第１の比較例にかかる窒化物半導体発光装置の模式下面図、図２（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。  
比較例において、第１の層１１４の表面のｐ＋形ＧａＮコンタクト層１１４ｃは、ｐ形クラッド層１１４ｂの全面を覆う。発光領域ＥＲ２は、発光層１１２のうち、第２電極１２０近傍となる。このため、この狭い発光領域ＥＲ２でキャリア密度が高くなり、オージェ再結合やキャリアオーバーフローが増加し、発光効率が低下する。
【００３０】
また、発光領域ＥＲ２が第２電極２０の近傍に偏るので、周辺部までの光経路が長くなる。このため、蛍光体層１４０の中央部と周辺部とを、均一に照射することが困難となり、色むらを生じる。
【００３１】
図３（ａ）は動作電流に対する光出力依存性をシミュレーションで求めたグラフ図、図３（ｂ）は動作電流に対する電圧依存性をシミュレーションで求めたグラフ図、である。
第１の実施形態において、第１領域Ｒ１の幅Ｗ１＝５０μｍの場合を曲線Ａで表す。第１の実施形態において、第１領域Ｒ１の幅Ｗ１＝７５μｍの場合を曲線Ｂで表す。また、比較例（図２）の場合を曲線Ｃで表す。なお、曲線Ｄ、Ｅについては、後に詳細に説明する。
【００３２】
図３（ａ）において、縦軸は光出力（ｍＷ）、横軸は動作電流（ｍＡ）、である。動作電流が４００ｍＡのとき、曲線Ｃで表す比較例の光出力は略３０５ｍＷであった。他方、曲線Ａで表す第１の実施形態（Ｗ１＝５０μｍ）の光出力は３３０ｍＷ（比較例の１０８％）、曲線Ｂで表す第１の実施形態（Ｗ１＝７５μｍ）の光出力は３５０ｍＷ（比較例の１１５％）、であった。すなわち、第１領域Ｒ１を設けることにより、光出力を１０８〜１１５％高めることができる。
【００３３】
図３（ｂ）において、縦軸は電圧（Ｖ）、横軸は動作電流（ｍＡ）、である。動作電流が４００ｍＡのとき、曲線Ｃで表す比較例の電圧は略３．８５Ｖであった。曲線Ａで表す第１の実施形態（Ｗ１＝５０μｍ）の電圧は４．１５Ｖ（比較例の１０８％）、曲線Ｂで表す第１の実施形態（Ｗ１＝７５μｍ）の動作電流は４．４（比較例の１１４％）、であった。第１領域Ｒ１の幅Ｗ１を広げると、電圧が高くなる。
【００３４】
第２の実施形態は、発光層１２を構成する多重量子井戸構造を変調ドープするものとする。たとえば、障壁層にドナーをドープする。その不純物濃度は、２×１０１８ｃｍ−３などとすることができる。
【００３５】
第２の実施形態において、第１領域Ｒ１の幅Ｗ１＝５０μｍの場合を、図３（ａ）、（ｂ）の曲線Ｄで表す。また、第２の実施形態において、第１領域Ｒ１の幅Ｗ１＝７５μｍの場合を曲線Ｅで表す。
【００３６】
図３（ａ）に表すように、曲線Ａと曲線Ｄとは殆ど一致する。また、曲線Ｂと曲線Ｅとは殆ど一致する。すなわち、光出力は、変調ドープの有無に殆ど依存しない。他方、曲線Ｄで表すＷ１＝５０μｍの電圧は略４Ｖ（比較例の１０４％）、曲線Ｅで表すＷ１＝７５μｍの電圧は４．３Ｖ（比較例の１１２％）、であった。
【００３７】
障壁層を変調ドープすることにより、電圧の増加を抑制できる。すなわち、変調ドープにより、多重量子井戸構造のそれぞれの井戸層の面内全域にわたって障壁層から注入されたキャリア（電子）が広がりやすくなる。このため、発光再結合を生じる領域が広がり、かつ電圧を低減できる。この結果、動作電流の増大を抑制しつつ光出力を高め、かつ色むらを低減できる。    
【００３８】
図４（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下面図、次４（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、である。
積層体１６や蛍光体層４０は、支持基板と接着しなくてもよい。結晶成長基板（図示せず）に設けられた積層体１６と、第１の電極２４と、第２の電極２０と、を絶縁層８０などで覆う。さらに、第１の電極２４と、第２の電極２０と、の表面が露出するように開口部を設ける。
【００３９】
このあと、たとえば、フォトレジストなどをマスクにして、第１の電極２４に接続され、銅などからなる第１ピラー電極６１と、第２の電極２０に接続され銅などからなる第２ピラー電極５１と、をメッキなどにより形成する。さらに、フォトレジストなどを除去し、補強樹脂層８２などを充填する。
【００４０】
第１ピラー電極６１と、第２ピラー電極５１と、補強樹脂層８２と、の厚さを、５０〜３００μｍなどとすると、機械的強度を高めることができる。このため、結晶成長基板が除去でき、露出した第２の層１０の面１０ｅに蛍光体層４０を設けることができる。すなわち、絶縁性支持基板に接着しなくても、ウェーハレベルでパッケージングを行うことができる。また、補強樹脂層８２は、たとえば、遮光性を有するものとすることができる。
【００４１】
第１〜第３の実施形態によれば、色むらが低減され、光出力が高められた窒化物半導体発光装置が提供される。これら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られる。
【００４２】
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。
【符号の説明】
【００４３】
１０  第２の層、１０ｃ  段差部の底面、１０ｅ  第２の層の面、１２  発光層、１４  第１の層、１６  積層体、１６ｍ  段差部、２０  第２電極、２４  第１電極、３０  支持体、４０  蛍光体層、Ｒ１  第１領域、Ｒ２  第２領域、Ｗ１  第１領域の幅、Ｊ１  キャリア流、Ｊ２  キャリア流、ＥＲ１  発光領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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