(57)【要約】      （修正有）【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１０と第１の電極６０と第２の電極５０と蛍光体層４０とを有し、積層体は第１導電形層の第１の層２０と第２導電形層の第２の層３０と発光層１２とを有する。積層体は、第２の層の表面から第１導電形層に到達する段差部２２ｂを有する第１および第２のリッジ部１４，１６を含む。第１の電極は、第１および第２のリッジ部を囲みかつ第１導電形層からなる底面に配設され、第１のリッジ部の長手方向の段差部１４ａおよび第２のリッジ部の長手方向の段差部１６ａに隣接して設けられる。第２の電極は第２の層の表面に設けられる。蛍光体層は、第１導電形層の面に接着された第１の面と第２の面４０ａと第１および第２のリッジ部よりも外側に設けられた側面４０ｂとを有する。放出光ＢＬと波長変換光とは、蛍光体層の第２の面から放出される。【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２の層の表面から前記第１の層のうちの前記第１導電形層に到達する段差部を有する第１および第２のリッジ部を含む積層体と、
前記第１のリッジ部と前記第２のリッジ部とをそれぞれ囲みかつ前記第１導電形層からなる底面に配設され、前記第１のリッジ部の長手方向の段差部および前記第２のリッジ部の長手方向の段差部に隣接して設けられた第１の電極と、
前記第２の層の前記表面に設けられた第２の電極と、  
前記発光層とは反対の側となる前記第１導電形層の面に接着された第１の面と、前記第１の面とは反対の側の第２の面と、前記第１のリッジ部および前記第２のリッジ部よりも外側に設けられた側面と、を有し、前記発光層からの放出光を吸収し前記放出光の波長よりも長い波長を有する波長変換光を放出する蛍光体層と、
を備え、
前記放出光と、前記波長変換光と、は、前記蛍光体層の前記第２の面から放出される窒化物半導体発光装置。
【請求項２】
前記第１導電形層の前記面には、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】
前記第１のリッジ部および前記第２のリッジ部の平面形状は、ともに矩形であるか、またはともにリング形状の一部である請求項１または２に記載の窒化物半導体発光装置。
【請求項４】
前記第１のリッジ部の前記段差部の側面および前記第２のリッジ部の前記段差部の側面にそれぞれ設けられた絶縁層をさらに備えた請求項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】
前記絶縁層と前記第１の電極との間に設けられた反射部をさらに備え、
前記第１のリッジ部の幅および前記第２のリッジ部の幅は、前記底面に向かってそれぞれ広がり、
前記放出光は、前記反射部により前記蛍光体層に向かって反射される請求項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。  
もし、ｐ側電極とｎ側電極とに近接した発光層の狭い周辺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。
【０００４】
また、発光領域が、積層体の周辺領域に集中すると、チップの側面から放出される光の割合が増加する。このため、チップの中央領域と周辺領域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】
【０００５】
【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】
【０００６】
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】
【０００７】
実施形態の窒化物半導体発光装置は、積層体と、第１の電極と、第２の電極と、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、前記発光層とは反対の側となる前記第２の層の表面から前記第１の層のうちの前記第１導電形層に到達する段差部を有する第１および第２のリッジ部を含む。前記第１の電極は、前記第１のリッジ部と前記第２のリッジ部とをそれぞれ囲みかつ前記第１導電形層からなる底面に配設され、前記第１のリッジ部の長手方向の段差部および前記第２のリッジ部の長手方向の段差部に隣接して設けられる。前記第２の電極は、前記第２の層の前記表面に設けられる。前記蛍光体層は、前記発光層とは反対の側となる前記第１導電形層の面に接着された第１の面と、前記第１の面とは反対の側の第２の面と、前記第１のリッジ部および前記第２のリッジ部よりも外側に設けられた側面と、を有し前記発光層からの放出光を吸収し前記放出光の波長よりも長い波長を有する波長変換光を放出する。前記放出光と、前記波長変換光と、は、前記蛍光体層の前記第２の面から放出される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【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断面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式平面図、である。
【図２】図２（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施形態にかかる窒化物半導体発光素子の製造工程を説明する模式図である。
【図３】図３（ａ）は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線に沿った模式平面図、である。
【図４】図４（ａ）は電流に対する光出力依存性を表すグラフ図、図４（ｂ）は配光パターンを比較するグラフ図、である。
【図５】図５（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５（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式平面図、である。
【図６】第２の実施形態にかかる窒化物半導体発光装置の光出力のグラフ図である。
【図７】図７（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７（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式平面図、である。
【図８】第４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である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
窒化物半導体発光装置は、積層体１０と、第１の電極６０と、第２の電極５０と、蛍光体層４０と、を有する。なお、図１（ａ）は、Ｂ−Ｂ線に沿った模式断面図である。
【００１１】
積層体１０は、第１導電形層２２を含む第１の層２０と、第２導電形層を含む第２の層３０と、第１の層２０と第２の層３０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１０は、発光層１２とは反対の側となる第２の層３０の表面３０ａから第１の層２０のうちの第１導電形層２２に到達する段差部を有する少なくとも２つのリッジ部を含む。
【００１２】
第１の電極６０は、第１のリッジ部１４と第２のリッジ部１６とをそれぞれ囲みかつ第１導電形層２２からなる底面２２ｂに配設され、第１のリッジ部１４の長手方向の段差部１４ａおよび第２のリッジ部１６の長手方向の段差部１６ａにそれぞれ隣接して設けられる。また、第２の電極５０は、第２の層３０の表面３０ａに設けられる。図１（ｂ）において、第１の電極６０は５つのストライプ部を有しており、一方向（図１（ｂ）の下向き）に開いているが、ストライプ部の先端部は連結されていてもよい。
【００１３】
蛍光体層４０は、発光層１２とは反対の側となる第１の層２０の面２０ａに設けられ、第１のリッジ部１４および第２のリッジ部１６よりも外側に設けられた側面４０ｂを有する。なお、リッジ部は少なくとも２つ設けられるが、図１では４つ設けられるものとする。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。
【００１４】
積層体１０とは反対の側となる蛍光体層４０の面は、発光層１２からの放出光と、放出光を吸収し放出光の波長よりも長い波長を有する波長変換光と、の光出射面４０ａとなる。放出光が青色光の場合、蛍光体層４０が黄色蛍光体を含むと、青色光である放出光と、黄色光である波長変換光と、が混合された白色光とすることができる。また、蛍光体層４０が、緑（〜黄）色蛍光体と、赤色蛍光体と、を含むと、青色光と、緑（〜黄）色光と、赤色光、とが混合された白色光とすることもできる。
【００１５】
第１の実施形態では、発光層１２の中心から１つの第１の電極６０の中心までの水平距離Ｄｈが、リッジ部の数の増加に応じて短くなる。このため、発光層１２内のキャリア密度を均一な分布に近づけることができる。また、少なくとも２つのリッジ部の平面形状をそれぞれ矩形とすることにより、矩形リッジ部の短辺方向に沿った水平距離Ｄｈを同じ面積の正方形の場合よりも短くできる。このため、発光層１２内の発光領域ＥＬ（ドット線）が均一に広がり、蛍光体層４０の側面４０ｂから放出される青色光ＢＬの割合が低減され、色むらが抑制される。
【００１６】
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工程を説明する模式図である。すなわち、図２（ａ）は結晶成長基板に積層された積層体の模式断面図、図２（ｂ）は積層体の表面に金属層が設けられた構造の模式断面図、図２（ｃ）はリッジ部が形成された構造の模式断面図、図２（ｄ）は第１の電極がさらに設けられた構造の模式断面図、である。
【００１７】
図２（ａ）に表すように、サファイヤや半導体などからなる結晶成長基板１００に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic  Chemical Vapor Deposition)法などを用いて窒化物半導体からなる積層体１０を結晶成長する。積層体１０の第１の層２０は、第１導電形層２２やアンドープ超格子層２４などを含む。第１導電形層２２は、ｎ形ＧａＮクラッド層などとし、そのドナー濃度は１×１０１９ｃｍ−３、厚さは４μｍなどとする。アンドープ超格子層２４は、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮからなり、厚さが１ｎｍの井戸層と、厚さが３ｎｍの障壁層と、が３０ペア交互に積層されたものなどとする。
【００１８】
積層体１０の発光層１２は、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮアンドープＭＱＷ（Multi  Quantum  Well）構造などからなる。ＭＱＷ構造は、厚さが３ｎｍの３つの井戸層と、厚さが１０ｎｍの４つの障壁層と、が交互に積層されたものなどとする。
【００１９】
積層体１０の第２の層３０は、ｐ形ＡｌＧａＮからなるオーバーフロー防止層３２（アクセプタ濃度：１×１０２０ｃｍ−３、厚さ：５ｎｍ）、ｐ形ＧａＮからなるクラッド層３４（アクセプタ濃度：１×１０２０ｃｍ−３、厚さ１００ｎｍ）、ｐ＋形ＧａＮからなるコンタクト層３６（アクセプタ濃度：１×１０２０ｃｍ−３、厚さ：５ｎｍ）がこの順に積層されたものなどとする。積層体１０の厚さは、２００〜６００ｎｍなどとすることができる。
【００２０】
図２（ｂ）に表すように、コンタクト層３６の全面に第２の電極５０となる金属層５１を形成する。さらに、積層体１０の上部が少なくとも２つのリッジ部１４、１６となるように、積層体１０の上部および金属層５１の一部をエッチングにより除去する。この結果、第２の層３０の表面３０ａのコンタクト層３６から第１の層２２の底面２２ｂに到達する段差部１４ａ、１６ａがそれぞれ形成される。第１および第２のリッジ部１４、１６は、第１導電形層２２のうちの一部２２ａと、アンドープ超格子層２４と、発光層１２と、オーバーフロー防止層３２と、クラッド層３４と、コンタクト層３６と、を含む。また、第２の電極５０は、コンタクト層３６の上部に配設される。
【００２１】
さらに、第１の電極６０は、露出した第１導電形層２２の露出した底面２２ｂに配設される。底面２２ｂをアンドープ超格子層２４と第１導電形層２２との界面よりも第１導電形層２２の内部の側に設けると、第１の電極６０と第１導電形層２２とのコンタクト抵抗を低減することができるのでより好ましい。第１の電極６０の１つの幅は、５〜１５μｍなどとすることができる。
【００２２】
他方、図１（ａ）、に表すように、絶縁性支持基板７０の表面に、支持基板第１電極７４と、支持基板第２電極７２と、が設けられる。第１の電極６０と支持基板第１電極７４とが接着され、第２の電極５０と支持基板第２電極７２とが接着される。このあと、結晶成長用基板１００を除去し、第１導電形層２２の面２２ａを粗面化する。粗面化により光取り出し効率を高めることができる。粗面化された面２２ａには、蛍光体層４０が設けられる。なお、積層体１０の導電形を、それぞれ反対としてもよい。絶縁性支持基板７０は、発光装置としての機械的強度を保つために、その厚さを、５０〜４００μｍなどと厚くすることが好ましい。
【００２３】
図３（ａ）は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。  
窒化物半導体発光装置は、積層体１１０と、第１の電極１６０と、第２の電極１５０と、蛍光体層１４０と、を有する。
【００２４】
積層体１１０は、第１導電形層１２２を含む第１の層１２０と、第２導電形層を含む第２の層１３０と、第１の層１２０と第２の層１３０との間に設けられた発光層１１２と、を有し、窒化物半導体を含む。積層体１１０は、発光層１１２とは反対の側となる第２の層１３０の表面１３０ａから第１の層１２０の第１導電形層１２２の底面に到達する１つのリッジ部１１４を有する。
【００２５】
発光層１１２の中心から第１の電極１６０の中心までの水平距離ＤＤｈは、チップの幅の２分の１に近くと長くなる。このため、電流は、第１の電極１６０と、第２の電極１５０と、が近接する周辺領域（ドット線で表す）に集中する。電流が集中する狭い周辺領域ではキャリア密度が高くなり、キャリアオーバーフローやオージェ非発光再結合が起こりやすくなる。このため、発光効率が低下しやすい。また、リッジ部１１４の中央領域では、キャリア密度が低下するので、発光効率が低下しやすい。発光効率の低下により、電流を増加しても、光出力の増加率は鈍化し飽和に近づく。
【００２６】
放出光のうちリッジ部１１４の側面１４０ｂ近傍から放出される光ほど、蛍光体層１４０内を通過する経路が短く、蛍光体層１４０に吸収される割合が低下する。このため、青色光が強くなる（ＢＬ）。他方、中央領域から放出される光は青色光と波長変換光（黄色光）とが混合された白色光が放出される。このため、周辺領域と中央領域との間で色むらが大きくなる。
【００２７】
図４（ａ）は電流に対する光出力依存性を表すグラフ図、図４（ｂ）は配光パターンを比較するグラフ図、である。  
図４（ａ）において、縦軸は光出力（ｍＷ）、横軸は電流（ｍＡ）であり、チップサイズを１ｍｍ×１ｍｍとした発光装置の光出力および配光パターンをシミュレーションにより求めている。
【００２８】
リッジ部の数が１の場合を比較例とし、リッジ部の数が２、４、８の場合を第１の実施形態としている。電流が１０００ｍＡでの光出力は、２リッジ部では９７０ｍＷ、４リッジ部では１０３０ｍＷ、８リッジでは１０２０ｍＷであった。４リッジ部が最も光出力が高かった。これに対して、リッジ部が１つの比較例における光出力は、８１０ｍＷと低かった。
【００２９】
このように、リッジ部の分割数を増やすのに対応して、発光層１２の中心と第１の電極６０の中心との水平距離Ｄｈが低減され、キャリア密度が低下する領域の幅を狭くするとともにキャリアの集中を抑制することができる。この結果、発光領域ＥＬが均一に広がりキャリアオーバーフローやオージェ非発光再結合が抑制され、発光効率を高く保つことができる。さらに、蛍光体層４０の側面４０ｂから放出される青色光の割合は相対的に低減され、色むらが低減できる。
【００３０】
なお、第１の電極６０をｎ側電極とした場合、第１の電極６０から発光層１２までの距離が長くても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容易である。他方、第２の電極５０（p側電極）はリッジ部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内に広げることができる。このため、発光効率をさらに高めることができる。
【００３１】
図４（ｂ）において、４リッジ部を有する第１の実施形態の配光パターンを実線で表し、１リッジ部である比較例の配光パターンを破線で表す。  
縦軸Ｙは光出射面に対する垂直方向座標、横軸Ｘは光出射面に対する水平方向座標、である。本実施形態の配光パターンは、比較例の配光パターンよりも上方に広がっている。このように、上方への光出力が高いため、相対的に横方向への光出力は低下し、色むらが低減できる。
【００３２】
図５（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。  
窒化物半導体発光装置は、積層体１０と、第１の電極６０と、第２の電極５０と、蛍光体層４０と、を有する。
【００３３】
窒化物半導体からなる積層体１０は、第１導電形層２２を含む第１の層２０と、第２導電形層を含む第２の層３０と、第１の層２０と第２の層３０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１０は、発光層１２とは反対の側となる第２の層３０の表面３０ａから第１の層２０の第１導電形層２２の底面２２ｂに到達する段差が設けられた少なくとも２つのリッジ部を有する。
【００３４】
窒化物半導体発光装置は、第１のリッジ部１４の段差部１４ａの側面および第２のリッジ部１６の段差部１６ａの側面にそれぞれ設けられた絶縁層６２と、絶縁層６２と第１の電極６０との間に設けられた反射部６４と、をさらに有する。また、第１のリッジ部１４の幅および第２のリッジ部１６の幅は、第１導電形層２２の底面２２ｂに向かってそれぞれ広がる。
【００３５】
反射部６４は、たとえば銀やアルミニウムのように青色光波長においても高い反射率を有する金属などとする。また、リッジ部の底角αを４５度近傍とすると、発光層１２からの放出光ＢＬを蛍光体層４０に向けて効率良く反射することができる。
【００３６】
図６は、第２の実施形態にかかる窒化物半導体発光装置の光出力のグラフ図である。  
４つのリッジ部に反射部６４をそれぞれ有する第２の実施形態の光出力（実線）は、電流が１０００ｍＡにおいて、１２３０ｍＷである。他方、４つのリッジ部を有し、同一の積層体組成を有する第１の実施形態の光出力は１０３０ｍＷである。すなわち、底角が４５度である積層体１０のリッジ部の段差部１４ａ、１６ａの側面に、絶縁層を介して反射部６４を設けると、光出力をさらに高めることができる。
【００３７】
図７（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。  
リッジ部は、リング形状の一部であってもよい。第３の実施形態では、２つのリッジ部１４、１６は、隣接している。リング形状の２つのリッジ部１４、１６は一部がそれぞれ切断されており、切断された径方向の領域において、隣り合う第１の電極６０を接続する領域６０ａを設けることができる。なお、リッジ部がリング形状の場合、段差部の長手方向は、リングの接線方向であるものとする。
【００３８】
なお、図７（ａ）は、Ｂ−Ｂ線に沿った模式断面図である。たとえば、リング形状の中央部に設けられた第１の電極の領域６０ｂを支持基板第１電極７４ａと接続すると、絶縁性支持基板７０を介して、電源に接続できる。
【００３９】
図８は、第４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である。  
積層体１０や蛍光体層４０は、絶縁性支持基板と接着しなくてもよい。図２（ｄ）の構造において、複数のリッジ部と、第１の電極６０と、第２の電極５０と、を絶縁層８０などで覆う。さらに、第１の電極６０と、第２の電極５０と、の表面が露出するように開口部を設ける。
【００４０】
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６０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５０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。
【００４１】
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１導電形層２２の面に蛍光体層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。
【００４２】
第１〜第４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。
【００４３】
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】
【００４４】
１０  積層体、１２  発光層、  １４  第１のリッジ部、１４ａ  段差部、１６  第２のリッジ部、１６ａ  段差部、２０  第１の層、２２  第１導電形層、２２ｂ  （段差部の）底面、３０  第２の層、３０ａ  表面、４０  蛍光体層、４０ａ  光出射面、４０ｂ  側面、５０  第２の電極、６０  第１の電極、６２  絶縁層、６４  反射部、ＢＬ  青色光、ＷＬ  白色光、ＥＬ  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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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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