JP2014139998A - 半導体発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】実施形態は、配光特性を向上させた半導体発光装置を提供する。
【解決手段】
実施形態に係る半導体発光装置は、第１の面と、その反対側の第２の面を持ち、発光層を有する半導体層を備える。前記第２の面側において、前記半導体層にｐ側電極およびｎ側電極が設けられる。さらに、前記第１の面上に設けられ、前記発光層の放射光により励起され前記放射光とは異なる波長の光を放射する複数の蛍光体と、前記複数の蛍光体を一体化し前記放射光を透過する結合材と、を含む蛍光体層を備える。前記蛍光体層において、隣り合う前記蛍光体の間の平均間隔は、前記発光層の放射光のピーク波長よりも狭い。
【選択図】図１

Description

実施形態は、半導体発光装置に関する。
半導体発光素子と、蛍光体と、を組み合わせ、白色光などの可視光やその他の波長帯の光を放射する半導体発光装置は、小型で扱い易い光源としてその用途が広がりつつある。しかしながら、このような半導体発光装置では、色割れ等、配光の不均一を生じることが有り、その改善が求められている。
特開２００８−２５８３３４号公報
実施形態は、配光特性を向上させた半導体発光装置を提供する。
実施形態に係る半導体発光装置は、第１の面と、その反対側の第２の面を持ち、発光層を有する半導体層を備える。前記第２の面側において、前記半導体層にｐ側電極およびｎ側電極が設けられる。さらに、前記第１の面上に設けられ、前記発光層の放射光により励起され前記放射光とは異なる波長の光を放射する複数の蛍光体と、前記複数の蛍光体を一体化し前記放射光を透過する結合材と、を含む蛍光体層を備える。前記蛍光体層において、隣り合う前記蛍光体の間の平均間隔は、前記発光層の放射光のピーク波長よりも狭い。
第１実施形態に係る半導体発光装置の模式断面図。 第１実施形態に係る半導体発光装置のＳＥＭ像（Scanning Electron Microscope image）。 比較例に係る半導体発光装置の特性を表すグラフおよび写真。 第１実施形態に係る半導体発光装置の特性を表すグラフ。 第１実施形態に係る半導体発光装置の別の特性を表すグラフ。 第１実施形態に係る半導体発光装置のＣＴ（Computed Tomography）像。 第１実施形態に係る半導体発光装置の製造過程を示す模式図。 図７に続く製造過程を示す模式図。 図に続く製造過程を示す模式図。 図９に続く製造過程を示す模式図。 図１０に続く製造過程を示す模式図。 図１１に続く製造過程を示す模式図。 図１２に続く製造過程を示す模式図。 図１３に続く製造過程を示す模式図。 図１４に続く製造過程を示す模式図。 第１実施形態の第１の変形例に係る半導体発光装置の模式断面図。 第１実施形態の第２の変形例に係る半導体発光装置の模式図。 第１実施形態の第３の変形例に係る半導体発光装置の平面図。 第１実施形態の第４の変形例に係る半導体発光装置の模式断面図。 第２実施形態に係る半導体発光装置の模式断面図。 図２０に示す半導体発光装置を基板に実装した状態を表す模式断面図。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の半導体発光装置１の模式断面図である。
半導体発光装置１は、発光層１３を有する半導体層１５を備える。半導体層１５は、第１の面１５ａと、その反対側の第２の面１５ｂ（図７（ｂ）参照）と、を有する。また、半導体層１５は、発光層１３を含む部分１５ｅと、発光層１３を含まない部分１５ｆと、を有する。発光層１３を含む部分１５ｅは、半導体層１５のうちで、発光層１３が積層されている部分である。発光層１３を含まない部分１５ｆは、半導体層１５のうちで、発光層１３が積層されていない部分である。
第２の面１５ａの側において、発光層１３を含む部分１５ｅの上にｐ側電極１６が設けられ、発光層を含まない部分１５ｆの上にｎ側電極１７が設けられる。発光層１３は、ｐ側電極１６とｎ側電極１７との間を流れる電流により発光する。そして、発光層１３から放射される光は、第１の面１５ａから外部に出射される。
半導体発光装置１は、さらに蛍光体層３０を備える。蛍光体層３０は、半導体層１５の第１の面１５ａの上に設けられ、複数の蛍光体３１を含む。蛍光体３１は、発光層１３の放射光により励起され、その放射光とは異なる波長の光を放射する。
複数の蛍光体３１は、結合材３３により一体化される（図２参照）。そして、隣り合う蛍光体３１の間の平均間隔は、発光層１３の放射光のピーク波長よりも狭い。また、結合材３３は、発光層１３の放射光を透過する。
ここで「透過」とは、光の一部を吸収する場合を含む。以下、図１を参照して、半導体発光装置１の構造を詳細に説明する。
半導体層１５は、第１の半導体層１１と、第２の半導体層１２と、発光層１３と、を有する。発光層１３は、第１の半導体層１１と、第２の半導体層１２と、の間に設けられる。第１の半導体層１１および第２の半導体層１２は、例えば、窒化ガリウムを含む。
第１の半導体層１１は、例えば、下地バッファ層、ｎ型ＧａＮ層を含む。第２の半導体層１２は、例えば、ｐ型ＧａＮ層である。発光層１３は、青、紫、青紫、紫外光などを発光する材料を含む。
半導体層１５の第２の面１５ｂは、凹凸形状に加工される。その凸部は、発光層１３を含む部分１５ｅであり、凹部は、発光層１３を含まない部分１５ｆである。発光層１３を含む部分１５ｅの第２の面は、第２の半導体層１２の表面であり、その上にｐ側電極１６が設けられる。発光層１３を含まない部分１５ｆの第２の面は、第１の半導体層１１の表面であり、その上にｎ側電極１７が設けられる。
例えば、半導体層１５の第２の面１５ｂにおいて、発光層１３を含む部分１５ｅの面積は、発光層１３を含まない部分１５ｆの面積よりも広く設けられる。また、発光層１３を含む部分１５ｅの上に設けられるｐ側電極１６の面積は、発光層１３を含まない部分の上に設けられるｎ側電極１７の面積よりも広い。これにより、広い発光面が得られ、光出力を高くできる。
半導体層１５の第２の面側には、第１の絶縁膜（以下、絶縁膜１８）が設けられる。絶縁膜１８は、半導体層１５、ｐ側電極１６およびｎ側電極１７を覆う。絶縁膜１８は、半導体層１５の第１の面１５ａの上には設けられない。
絶縁膜１８には、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の無機膜を用いる。あるいは、微細開口のパターニング性に優れたポリイミド等の樹脂を用いても良い。なお、絶縁膜１８として樹脂を用いる場合、絶縁膜１８と半導体層１５との間に、例えば、シリコン酸化膜などの無機膜を設けても良い。無機膜は、発光層１３および第２の半導体層１２の側面を覆い保護する。
絶縁膜１８の半導体層１５とは反対側の面上には、ｐ側配線層２１とｎ側配線層２２とが互いに離隔して設けられる。絶縁膜１８は、ｐ側電極１６に連通した第１の開口（以下、開口１８ａ）、および、ｎ側電極１７に連通した第２の開口（以下、開口１８ｂ）を含む。図１に示す例では、絶縁膜１８は複数の開口１８ａを含むが、１つの開口を含む形態でも良い。
ｐ側配線層２１は、絶縁膜１８の上、および、開口１８ａの内部にも設けられる。すなわち、ｐ側配線層２１は、開口１８ａを介してｐ側電極１６と電気的に接続される。ｎ側配線層２２は、絶縁膜１８の上、および、開口１８ｂの内部内にも設けられ、ｎ側電極１７と電気的に接続される。
ｐ側配線層２１のｐ側電極１６とは反対側の面上には、ｐ側金属ピラー２３が設けられる。ｐ側配線部４１は、ｐ側配線層２１およびｐ側金属ピラー２３を含む。
ｎ側配線層２２のｎ側電極１７とは反対側の面上には、ｎ側金属ピラー２４が設けられる。ｎ側配線部４３は、ｎ側配線層２２およびｎ側金属ピラー２４を含む。
ｐ側配線部４１とｎ側配線部４３との間には、第２の絶縁膜（以下、絶縁膜２５）が設けられる。すなわち、絶縁膜２５は、ｐ側金属ピラー２３とｎ側金属ピラー２４との間に充填され、絶縁膜１８およびｐ側配線部４１の側面、ｎ側配線部４３の側面を覆う。
図１に表すように、絶縁膜２５は、ｐ側金属ピラー２３の側面およびｎ側金属ピラー２４の側面を覆う。一方、ｐ側金属ピラー２３のｐ側配線層２１とは反対側の面は、絶縁膜２５から露出し、ｐ側外部端子２３ａとして機能する。ｎ側金属ピラー２４のｎ側配線層２２とは反対側の面は、絶縁膜２５から露出し、ｎ側外部端子２４ａとして機能する。ｐ側外部端子２３ａおよびｎ側外部端子２４ａは、例えば、はんだ、または、導電性の接合材を介して実装基板のランドパターンに接合される。
このように、ｐ側外部端子２３ａおよびｎ側外部端子２４ａは、絶縁膜２５の同じ面（図１における下面）に露出する。そして、その間隔は、絶縁膜１８上におけるｐ側配線層２１とｎ側配線層２２との間隔よりも広くすることが好ましい。すなわち、ｐ側外部端子２３ａとｎ側外部端子２４ａとの間隔は、例えば、実装時のはんだの広がりよりも大きくする。これにより、ｐ側外部端子２３ａおよびｎ側外部端子２４ａの間の短絡を防ぐことができる。
これに対し、ｐ側配線層２１と、ｎ側配線層２２と、の間隔は、プロセス上の限界まで狭くすることができる。そして、ｐ側配線層２１の面積を拡大し、ｐ側配線層２１とｐ側金属ピラー２３との接触面積を広くする。これにより、発光層１３の熱の放散を促進する。
また、複数の開口１８ａを通じてｐ側配線層２１がｐ側電極１６と接する面積は、開口１８ｂを通じてｎ側配線層２２がｎ側電極１７と接する面積よりも大きくする。これにより、発光層１３に流れる電流の分布を均一化できる。
さらに、絶縁膜１８上に設けられるｎ側配線層２２の面積は、ｎ側電極１７の面積よりも広くできる。そして、ｎ側配線層２２の上に設けられるｎ側金属ピラー２４の面積（すなわち、ｎ側外部端子２４ａの面積）をｎ側電極１７よりも広くできる。これにより、実装に要するｎ側外部端子２４ａの面積を維持しながら、ｎ側電極１７の面積を小さくすることが可能となる。例えば、半導体層１５における発光層１３を含まない部分１５ｆの面積を縮小し、発光層１３を含む部分１５ｅの面積を拡大して光出力を向上させることが可能となる。
第１の半導体層１１は、ｎ側電極１７およびｎ側配線層２２を介してｎ側金属ピラー２４と電気的に接続される。第２の半導体層１２は、ｐ側電極１６およびｐ側配線層２１を介してｐ側金属ピラー２３と電気的に接続される。
例えば、ｐ側金属ピラー２３はｐ側配線層２１よりも厚く、ｎ側金属ピラー２４はｎ側配線層２２よりも厚い。ｐ側金属ピラー２３、ｎ側金属ピラー２４および絶縁膜２５の厚さは、それぞれ半導体層１５よりも厚くすることができる。なお、ここで言う「厚さ」とは、図１における上下方向の各層の幅である。
また、ｐ側金属ピラー２３およびｎ側金属ピラー２４のそれぞれの厚さは、半導体層１５、ｐ側電極１６、ｎ側電極１７および絶縁膜１８を含む積層体の厚さよりも厚くすることができる。
各金属ピラー２３、２４のアスペクト比（平面サイズに対する厚みの比）は任意であり、例えば、１以上であっても良いし、１より小さくても良い。すなわち、金属ピラー２３、２４は、その平面サイズより厚くても良いし、薄くても良い。
実施形態によれば、半導体層１５を形成するために使用する基板１０（図７参照）が除去されても、半導体層１５は、ｐ側金属ピラー２３、ｎ側金属ピラー２４および絶縁膜２５により安定して支持される。このため、半導体発光装置１の機械的強度は、基板１０を除去した後の処理に耐えるレベルに保持することができる。
ｐ側配線層２１、ｎ側配線層２２、ｐ側金属ピラー２３およびｎ側金属ピラー２４の材料として、例えば、銅、金、ニッケル、銀などを用いることができる。これらのうち、銅を用いると、良好な熱伝導性、高いマイグレーション耐性および絶縁材料に対する密着性を向上させることができる。
絶縁膜２５は、ｐ側金属ピラー２３およびｎ側金属ピラー２４を補強する。絶縁膜２５は、実装基板と熱膨張率が同じもしくは近いものを用いるのが望ましい。そのような絶縁膜２５として、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂などを挙げることができる。
半導体発光装置１の実装過程では、ｐ側外部端子２３ａおよびｎ側外部端子２４ａを基板に接続するはんだ等の部材に起因する応力が半導体層１５に加わるが、ｐ側金属ピラー２３およびｎ側金属ピラー２４は、この応力を吸収し緩和する。
本実施形態では、ｐ側配線層２１およびｐ側金属ピラー２３を含むｐ側配線部４１は、複数の開口１８ａの内部に設けられ相互に離隔された複数のビア２１ａを介して、ｐ側電極１６に接続される。この場合、複数のビア２１ａの接触面積を合わせた面積を有する１つのビアを介してｐ側配線部４１をｐ側電極１６に接続する場合よりも、半導体層１５に加わる応力を低減できる。
一方、ｐ側配線層２１は、１つの大きな開口の内部に設けられビア２１ａよりも平面サイズの大きなポストを介してｐ側電極１６に接続させても良い。これにより、ｐ側電極１６、ｐ側配線層２１およびｐ側金属ピラー２３を介した放熱性の向上を図ることができる。
後述するように、半導体層１５の形成に用いた基板１０は、半導体層１５から除去される。これにより、半導体発光装置１は低背化される。
さらに、基板１０を除去した半導体層１５の第１の面１５ａには、微小な凹凸を形成する。例えば、第１の面１５ａに対して、アルカリ系溶液を使ったウェットエッチング（フロスト処理）を行い凹凸を形成する。これにより、発光層１３の放射光を全反射させることなく、第１の面１５ａから外側に取り出すことが可能となる。
半導体発光装置１は、蛍光体層３０と、半導体層１５と、の間に設けられた中間層３６をさらに備える。中間層３６は、例えば、シリコーン樹脂またはエポキシ樹脂を含み、発光層１３の放射光を透過する。
中間層３６は、例えば、半導体層１５の中央部の上に設けられた部分の厚さＤｃが半導体層１５の外周に沿って設けられた部分の厚さＤｐよりも厚くなるように設ける。また、半導体層１５の外周に沿って設けられた部分の厚さＤｐは、半導体層１５の外縁と、蛍光体層３０の外縁と、の間隔の半分以下であることが好ましい。さらに、蛍光体層３０の屈折率を、中間層３６の屈折率よりも大きくする。これにより、中間層３６の中を伝播し、その側面３６ａから外部に放射される光を抑制することができる。
次に、図２〜図５を参照して、本実施形態に係る半導体発光装置１の特性を説明する。
図２は、第１実施形態に係る半導体発光装置１の断面を表すＳＥＭ像である。
図２に表すように、半導体発光装置１は、半導体層１５の第１の面１５ａ側に設けられた蛍光体層３０を含む。そして、蛍光体層３０は、蛍光体３１と、結合材３３と、を含む。
蛍光体３１は、例えば、発光層１３の放射光により励起される黄色蛍光体、赤色蛍光体および緑色蛍光体の少なくともいずれか１つを含む。また、蛍光体３１は、セラミック系の微粒子であっても良い。
結合材３３には、例えば、シリコーン樹脂、または、シリカを用いることができる。結合材３３の屈折率は、中間層３６の屈折率よりも大きいことが望ましい。例えば、結合材３３は、高屈折率粒子を含む。また、結合材３３の屈折率は、例えば、１．５よりも大きい。
例えば、蛍光体層３０における蛍光体３１の含有量を少なくすれば、蛍光体間の平均間隔が広くなる。そして、発光層１３から放射される励起光は、蛍光体３１により散乱を受けながら長い距離を伝播する。このため、蛍光体層３０の側方（半導体層１５の第１の面１５ａに平行な方向）に放射される光に含まれる励起光の割合が大きくなる。
図３は、比較例に係る半導体発光装置の配光特性を表すグラフである。縦軸は、色度座標Ｃｘ、Ｃｙであり、横軸は放射角（チップ中心からの角度）である。
比較例に係る半導体発光装置の蛍光体層では、蛍光体３１の含有量が少なく、蛍光体間の平均間隔が広い。このため、図３に示すように、放射角の絶対値が大きくなると、放射光の色度座標Ｃｘ、Ｃｙの値が小さくなる。すなわち、発光層１３から放射される青色の励起光の比率が高くなる傾向を表している。
図４（ａ）および図４（ｂ）は、本実施形態に係る半導体発光装置の特性を表すグラフである。縦軸は、色座標Ｃｙのズレ量ΔＣｙであり、横軸は、放射角（チップ中心からの角度）である。ΔＣｙは、放射角が０度の時の色座標を基準として、放射角を変化させた場合の変化量を表している。
図４（ａ）は、半導体発光装置の発光色の相対色温度（Correlated Color Temperature：ＣＣＴ）が２７００ケルビン（Ｋ）の場合のΔＣｙと放射角の関係を表している。同図中に示す３つのグラフは、それぞれサンプルＬＴ１、ＬＴ２およびＬＴ３の特性を表している。サンプルＬＴ１の蛍光体層は、４５重量パーセント（ｗｔ％）の蛍光体を含み、サンプルＬＴ２の蛍光体層は５０ｗｔ％、サンプルＬＴ３の蛍光体層は５４ｗ％の蛍光体を含む。
図４（ｂ）は、ＣＣＴが５０００Ｋの場合のΔＣｙと放射角の関係を表している。同図中に示す３つのグラフは、それぞれサンプルＨＴ１、ＨＴ２およびＨＴ３の特性を表している。サンプルＨＴ１の蛍光体層は、４０ｗｔ％の蛍光体を含み、サンプルＨＴ２の蛍光体層は４５ｗｔ％、サンプルＨＴ３の蛍光体層は５０ｗ％の蛍光体を含む。
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、放射角が大きくなるとΔＣｙも大きくなる。そして、蛍光体層に含まれる蛍光体の量が多くなるにつれて色温度のずれ量ΔＣｙは小さくなる。
図５（ａ）および図５（ｂ）は、本実施形態に係る半導体発光装置の別の特性を表すグラフである。縦軸は、放射角８０°における色座標Ｃｙのズレ量ΔＣｙである。図５（ａ）の横軸は、蛍光体層に含まれる蛍光体の濃度であり、図５（ｂ）の横軸は、蛍光体層における隣り合う蛍光体間の平均間隔である。
図５（ａ）に示すように、蛍光体濃度を増やすとΔＣｙは小さくなる。例えば、ΔＣｙを０．００５以下にするためには、ＣＣＴ＝５０００ＫのサンプルＨＴでは、蛍光体濃度を４８ｗｔ％以上とすれば良く、ＣＣＴ＝２７００Ｋのサンプルでは約５０ｗｔ％以上とすれば良いことがわかる。
図５（ｂ）は、蛍光体間の平均間隔が狭くなるほど、ΔＣｙが小さくなることを表している。例えば、ΔＣｙを０．００５以下とするためには、サンプルＨＴでは、平均間隔をおおよそ１μｍ以下とすれば良く、サンプルＬＴでは、４００ｎｍ以下とすれば良いことが分かる。
図５（ｂ）に示すサンプルでは、発光層はＧａＮ系半導体を材料を含み、その放射光のピーク波長は約４５０ｎｍである。したがって、図５（ｂ）に示すように、蛍光体間の平均間隔を発光層の放射光のピーク波長４５０ｎｍよりも狭くすることにより、ΔＣｙを０．００５以下にすることが可能である。Ｃｘのズレ量ΔＣｘも同じ傾向を示す。
例えば、色度管理基準として用いられるＭａｃＡｄａｍ楕円がある。ＭａｃＡｄａｍ楕円に基づく管理基準によれば、ΔＣ＜０．００５であれば人間の目による色の違いの識別が困難になる。すなわち、蛍光体層に含まれる蛍光体間の平均間隔を発光層の放射光のピーク波長よりも狭くすることにより、ΔＣを０．００５以下にすることができる。そして、放射角の絶対値が大きい領域でのＣｘおよびＣｙの低下を抑制し、半導体発光装置の発光色の均一性を向上させることが可能となる。
図６は、本実施形態に係る半導体発光装置をＸ線ＣＴを用いて測定した画像を表している。図６に示すサンプルでは、蛍光体層に含まれる蛍光体の濃度が５４ｗｔ％である。
図６に示すように、ＣＴ画像は蛍光体層の構造を３次元的に表すことが可能であり、そこに含まれる蛍光体粒子を鮮明に表わす。したがって、蛍光体層に含まれる蛍光体間の平均間隔は、Ｘ線ＣＴを用いて計測することができる。すなわち、ＣＴスキャンにより蛍光体の位置を３次元測定し、そのデータを統計処理することにより平均間隔を求めることができる。
次に、図７（ａ）〜図１５（ｂ）を参照して、実施形態に係る半導体発光装置１の製造方法について説明する。図７（ａ）〜図１５（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光装置１の製造過程を表す模式図である。
図７（ａ）は、基板１０の主面上に形成された第１の半導体層１１、第２の半導体層１２および発光層１３を表す断面図である。例えば、ＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition）法を用いて、基板１０の上に第１の半導体層１１、発光層１３および第２の半導体層１２を順に成長させる。基板は、例えば、シリコン基板である。また、基板１０としてサファイア基板を用いても良い。第１の半導体層１１、発光層１３および第２の半導体層１２は、例えば、窒化物半導体であり、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む。
第１の半導体層１１は、例えば、ｎ形ＧａＮ層である。また、第１の半導体層１１は、基板１０の上に設けられたバッファ層と、バッファ層の上に設けられたｎ形ＧａＮ層と、を含む積層構造を有しても良い。第２の半導体層１２は、例えば、発光層１３の上に設けられたｐ形ＡｌＧａＮ層と、その上に設けられたｐ形ＧａＮ層と、を含む。
図７（ｂ）および図７（ｃ）は、第２の半導体層１２および発光層１３を選択的に除去した状態を表している。図７（ｂ）は断面図であり、図７（ｃ）は、基板１０の上面側を表す平面図である。
図７（ｂ）に示すように、例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いて、第２の半導体層１２および発光層１３を選択的にエッチングし、第１の半導体層１１を露出させる。
図７（ｃ）に示すように、半導体層１２および発光層１３は島状にパターニングされ、基板１０の上に複数の発光領域（発光層１３を含む部分１５ｅ）が形成される。
次に、図８（ａ）および図８（ｂ）に表すように、第１の半導体層１１を選択的に除去し、基板１０の上に複数の半導体層１５を形成する。
図８（ａ）は、基板１０およびその上に形成された半導体層１５の断面を表している。例えば、第２の半導体層１２および発光層１３を覆うエッチングマスク（図示しない）を第１の半導体層１１の上に設ける。続いて、ＲＩＥ法を用いて第１の半導体層１１をエッチングし、基板１０に至る深さの溝８０を形成する。
図８（ｂ）は、半導体層１５が設けられた基板１０の上面を表している。溝８０は、基板１０の上に格子状に設けられ、第１の半導体層１１を分離し複数の半導体層１５を形成する。
半導体層１５の第１の面１５ａは、基板１０に接する面であり、第２の面１５ｂは、第１の半導体層１１および第２の半導体層１２の表面である。また、溝８０は、基板１０の上面をエッチングし、第１の面１５ａよりも深く形成される。
溝８０は、ｐ側電極１６およびｎ側電極１７を形成した後（図９参照）に形成しても良い。
次に、図９（ａ）および図９（ｂ）に表すように、半導体層１５の第２の面１５ｂにｐ側電極１６とｎ側電極１７とを形成する。図９（ａ）は断面図であり、図９（ｂ）は、基板１０の上面を表す平面図である。
ｐ側電極１６は、第２の半導体層１２の上に形成する。ｎ側電極１７は、第１の半導体層１１の上に形成する。ｐ側電極１６は、ｎ側電極よりも広い面積を有する。
ｐ側電極１６およびｎ側電極１７は、例えば、スパッタ法、蒸着法等で形成する。ｐ側電極１６とｎ側電極１７は、どちらを先に形成してもよいし、同じ材料で同時に形成してもよい。ｐ側電極１６は、発光層１３の放射光を反射するように形成する。例えば、ｐ側電極１６は、銀、銀合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を含む。また、ｐ側電極１６の硫化、酸化防止のため、金属保護膜（バリアメタル）を含む構成であってもよい。また、各電極と半導体層との間のオーミックコンタクトを形成するために、熱処理を必要に応じて実施する。
次に、図１０（ａ）に表すように、基板１０の上面に絶縁膜１８を形成する。図１０（ａ）は、基板１０および半導体層１５の断面を表す模式図である。
絶縁膜１８は、基板１０の上に設けられた構造体を覆い、第１の開口（以下、開口１８ａ）および第２の開口（以下、１８ｂ）を有する。
絶縁膜１８は、例えば、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜であり、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて形成することができる。開口１８ａおよび１８ｂは、例えば、レジストマスクを用いたウェットエッチングにより形成する。開口１８ａは、ｐ側電極１６に連通する。開口１８ｂは、ｎ側電極１７に連通する。本実施形態では、絶縁膜１８は、複数の開口１８ａと、１つの開口１８ｂと、を含む。
絶縁膜１８として、例えば、ポリイミドなどの有機膜を用いても良い。また、絶縁膜１８に感光性ポリイミド、ベンゾシクロブテン（Benzocyclobutene）などの有機膜を用いると、直接露光および現像ができる。このため、開口１８ａおよび１８ｂのパターニングが容易になる。
次に、図１０（ｂ）〜図１１（ｂ）は、ｐ側配線層２１およびｎ側配線層２２の形成過程を表している。図１０（ｂ）〜図１１（ａ）は、基板１０および半導体層１５の断面を表す模式図であり、図１１（ａ）は、基板１０の上面を表す平面図である。
図１０（ｂ）に表すように、絶縁膜１８の表面、第１の開口１８ａの内面（側壁および底面）、および第２の開口１８ｂの内面（側壁および底面）に、金属膜１９を形成する。金属膜１９は、メッキ工程におけるシードメタルとして機能する。
金属膜１９は、例えば、絶縁膜１８側から順にチタン（Ｔｉ）および銅（Ｃｕ）を含むように、スパッタ法を用いて形成する。チタンの代わりにアルミニウムを用いても良い。
次に、図１０（ｃ）に示すように、金属膜１９上にレジストマスク９１を形成する。レジストマスク９１は、開口９１ａと開口９２ｂとを含む。開口９１ａは、ｐ側電極１６の上に設けられ、開口９２ｂは、ｎ側電極１７の上に設けられる。
続いて、図１１（ａ）および図１１（ｂ）に表すように、電界銅メッキを用いてｐ側配線層２１およびｎ側配線層２２を形成する。すなわち、金属膜１９を電流経路として、レジストマスク９１の開口９１ａおよび９１ｂの内部に銅（Ｃｕ）層を選択的に形成する。
図１１（ａ）に表すように、ｐ側配線層２１は、絶縁膜１８の上、および、開口１８ａの内部にも形成される。ｐ側配線層２１は、ｐ側電極１６に電気的に接続される。ｎ側配線層２２は、絶縁膜１８の上、および、開口１８ｂの内部にも形成される。ｎ側配線層２２は、ｎ側電極１７に電気的に接続される。
図１１（ｂ）に表すように、ｐ側配線層２１とｎ側配線層２２は、レジストマスク９１ｇを挟んで向き合う。すなわち、ｐ側配線層２１とｎ側配線層２２の間隔は、フォトリソグラフィの限界まで狭く設けることができる。
次に、図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、ｐ側配線層２１およびｎ側配線層２２の形成過程を表している。図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、基板１０および半導体層１５の断面を表す模式図であり、図１２（ｃ）は、基板１０の上面を表す平面図である。
図１２（ａ）に表すように、開口９２ａと開口９２ｂとを有するレジストマスク９２を形成する。例えば、レジストマスク９１を溶剤もしくは酸素プラズマを使って除去した後、フォトリソグラフィを用いて新たにレジストマスク９１を形成する。また、レジストマスク９１の上に、レジストマスク９２を重ねて形成しても良い。
続いて、図１２（ｂ）に示すように、開口９２ａおよび９２ｂの内部にそれぞれｐ側金属ピラー２３およびｎ側金属ピラー２４を形成する。ｐ側金属ピラー２３およびｎ側金属ピラー２４は、例えば、電界Ｃｕメッキを用いて形成する。
図１２（ｃ）に示すように、ｐ側金属ピラー２３とｎ側金属ピラー２４は、レジストマスク９２ｇを挟んで向き合う。ｐ側金属ピラー２３とｎ側金属ピラー２４の間隔は、実装時の短絡を防ぐために、ｐ側配線層２１とｎ側配線層２２の間隔よりも広く形成する。
図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は、図１２（ｃ）に続く工程を表す模式断面図である。
図１３（ａ）に表すように、レジストマスク９２を、例えば、溶剤もしくは酸素プラズマを用いて除去する。続いて、図１３（ｂ）に表すように、金属ピラー２３、ｎ側金属ピラー２４、ｐ側配線層２１およびｎ側配線層２２をマスクとして、金属膜１９の露出部分をウェットエッチングにより除去する。これにより、ｐ側配線層２１とｎ側配線層２２との間の電気的な接続が分断される。
次に、図１３（ｃ）に表すように、絶縁膜１８の上に第２の絶縁膜（以下、絶縁膜２５）を積層する。絶縁膜２５は、ｐ側配線層２１、ｎ側配線層２２、ｐ側金属ピラー２３およびｎ側金属ピラー２４を覆う。
絶縁膜２５は、ｐ側配線部４１からｎ側配線部４３を絶縁する。絶縁膜２５は、例えば、カーボンブラックを含有し、発光層１３の放射光を遮光する。また、絶縁膜２５は、例えば、酸化チタンなど、発光層１３の放射光を反射する部材を含有しても良い。
次に、図１４（ａ）〜図１４（ｃ）に示すように、半導体層１５の第１の面１５ａの側の処理を行う。図１４（ａ）〜図１４（ｃ）は、各工程を表す模式断面図である。
図１４（ａ）に示すように、半導体層１５から基板１０を除去する。基板１０がシリコン基板の場合、例えば、ウェットエッチングにより基板１０を選択的に除去することができる。基板１０がサファイア基板の場合には、例えば、レーザーリフトオフ法により基板１０を除去する。
基板１０の上に形成した構造体は、基板１０を除去した後も絶縁膜２５により支持され、ウェーハ状態を保つ。半導体層１５は、ｐ側金属ピラー２３、ｎ側金属ピラー２４および絶縁膜２５により支持される。これらは、半導体層１５に比べて柔軟な材料であり、その応力を緩和する。例えば、基板の１０上にエピタキシャル成長された半導体層は、大きな内部応力を含む。そして、その応力が基板１０の剥離時に一気に開放されたとしても、ｐ側金属ピラー２３、ｎ側金属ピラー２４および絶縁膜２５は、その応力を吸収する。このため、基板１０を除去する過程における半導体層１５の破損を回避することができる。
次に、半導体層１５の第１の面１５ａに微細な凹凸を形成する。例えば、ＫＯＨ（水酸化カリウム）水溶液やＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）等で、第１の半導体層１１をウェットエッチングする。このエッチングでは、結晶面方位に依存したエッチング速度の違いが生じる。このため、図１４（ａ）に表すように、第１の面１５ａに凹凸を形成することができる。また、第１の面１５ａの上にレジストマスクを形成し、第１の半導体層１１の表面を選択的にエッチングしても良い。このように、第１の面１５ａに凹凸を形成することにより、発光層１３の放射光の取り出し効率を向上させることができる。
次に、図１４（ｂ）に表すように、第１の面１５ａの上に中間層３６を形成する。中間層３６は、例えば、シリコーン樹脂またはエポキシ樹脂を含み、第１の面１５ａに設けられた凹凸を被覆する。
隣り合う半導体層１５の間の絶縁膜１８は、溝８０の底面に形成された部分である。したがって、図１４（ｂ）における絶縁膜１８の上面１８ｃは、第１の面１５ａよりも上方に突出する。このため、中間層３６は、絶縁膜１８の上に設けられる部分が第１の面１５ａの上に設けられる部分よりも薄くなる。
次に、図１４（ｃ）に示すように、中間層３６の上に蛍光体層３０を形成する。蛍光体層３０は、蛍光体３１と結合材３３（図２参照）とを含有し、例えば、印刷、ポッティング、モールド、圧縮成形などの方法を用いて形成される。
また、蛍光体層３０として、蛍光体３１を結合材３３を介して焼結させた焼結蛍光体を貼着しても良い。例えば、第１の面１５ａにエポキシ樹脂等を含む接着材を塗布し、蛍光体３１を焼結したプレートを圧着させる。これにより、蛍光体層３０は、接着層を介して第１の面１５ａに貼着される。この場合、中間層３６は、接着材が硬化した接着層であり、蛍光体層３０を半導体層１５および絶縁膜１８に接合する。
蛍光体３１は、例えば、黄色光を発光する黄色蛍光体、赤色光を発光する赤色蛍光体、緑色光を発光する緑色蛍光体、またはこれらの混合である。蛍光体３１には、例えば、セラミック系の微粒子を用いることができる。結合材３３は、例えば、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、フェニル樹脂を用いる。結合材３３は、例えば、シリカなどのフィラーを含有しても良い。また、結合材３３として、シリカを含むガラス材を用いても良い。
続いて、半導体層１５の第２の面１５ｂの側において、絶縁膜２５の表面を研削し、ｐ側金属ピラー２３およびｎ側金属ピラー２４を露出させる。ｐ側金属ピラー２３の露出面は、ｐ側外部端子２３ａであり、ｎ側金属ピラー２４の露出面は、ｎ側外部端子２４ａである。
次に、図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示すように、隣り合う半導体層１５の間において、蛍光体層３０、中間層３６、絶縁膜１８および絶縁膜２５を切断する。これにより、半導体層１５を含む半導体発光装置１を個片化する。図１５（ａ）は、半導体発光装置１の断面を表し、図１５（ｂ）は、ｐ側外部端子２３ａおよびｎ側外部端子２４ａが露出した絶縁膜２５の表面を表している。
蛍光体層３０、中間層３６、絶縁膜１８および絶縁膜２５の切断は、例えば、ダイシングブレードを用いて行う。また、レーザ照射により切断しても良い。
半導体層１５は、溝８０に存在しないためダイシングによるダメージを受けることがない。また、個片化された時点で、半導体層１５の端部（側面）が絶縁膜１８で覆われ保護された構造が得られる。
なお、半導体発光装置１は、ひとつの半導体層１５を含むシングルチップ構造でも良いし、複数の半導体層１５を含むマルチチップ構造であっても良い。
ダイシングする前の工程は、ウェーハ状態で一括して行われるため、個片化された個々のデバイスごとに、配線およびパッケージングを行う必要がなく、大幅なコストの低減が可能になる。すなわち、個片化された状態で、すでに配線およびパッケージングが施されている。このため、本実施形態によれば、生産性を高めることが可能で有り、製造コストを低減できる。
図１６は、第１実施形態の第１の変形例に係る半導体発光装置２を表す模式断面図である。半導体発光装置２では、蛍光体層３０の上に発光層１３の放射光および蛍光体３１の放射光を透過する層３８が設けられる。層３８は、例えば、シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜などの無機膜であり、蛍光体層３０を保護する。また、層３８は、発光層１３の放射光および蛍光体３１の放射光を透過するシリコーン樹脂、エポキシ樹脂などの樹脂膜であっても良い。
層３８は、蛍光体層３０を保護する。また、層３８に蛍光体層３０よりも屈折率の低い材料を用いることにより、蛍光体層３０からの光取り出しを向上させることができる。
図１７は、第１実施形態の第２の変形例に係る半導体発光装置３を表す模式図である。図１７（ａ）は、半導体発光装置３の断面を表している。図１７（ｂ）は、第２の面１５ｂの側から見たｐ側配線層５１およびｎ側配線層５２の配置を表す平面図である。
図１７（ａ）および図１７（ｂ）に示すように、半導体発光装置３では、ｎ側配線層５１が半導体層１５の外縁を越えて延在する。そして、ｎ側配線層５２の延在部５２ａは、ｐ側配線層５１を囲み、半導体層１５の側面１５ｃを覆う。これにより、発光層１３から放射される光のうちの側面１５ｃから放射される光を遮り、半導体発光装置３の配光特性を改善することができる。すなわち、蛍光体層３０を通過しないで半導体発光装置３の側面から放射される励起光を抑制し、色割れ等を防ぐことが可能となる。
図１８は、第１実施形態の第３の変形例に係る半導体発光装置を表す平面図である。図１８（ａ）および図１８（ｂ）は、それぞれ第２の面１５ｂの側から見たｐ側配線層５１およびｎ側配線層５２の配置を表している。
図１８（ａ）に示すように、ｐ側配線層５１が半導体層１５の外縁を越えて延在しても良い。ｐ側配線層５１の延在部５１ａは、ｎ側配線層５２を囲み、半導体層１５の側面１５ｃを覆う。これにより、発光層１３から放射される光のうちの側面１５ｃから放射される光を遮る。
また、図１８（ｂ）に示すように、ｐ側配線層５１およびｎ側配線層５２を囲み、半導体層１５の側面１５ｃを覆う遮光層５６を設けても良い。遮光層５６は、例えば、ｐ側配線層５１およびｎ側配線層５２と同じ金属層であり、ｐ側配線層５１およびｎ側配線層５２から離隔して設けられる。そして、遮光層５６は、発光層１３から放射される光のうちの側面１５ｃから放射される光を遮る。
したがって、図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示す構造を用いることにより、蛍光体層３０を通過しないで半導体発光装置の側面から放射される励起光を抑制し、配光特性を向上させることができる。
図１９は、第１実施形態の第４の変形例に係る半導体発光装置４を表す模式断面図である。半導体発光装置４では、ｎ側配線層５２が半導体層１５の外縁を越えて延在する。そして、ｎ側配線層の延在部５２ａは、ｐ側配線層２１を囲み、半導体層１５の側面１５ｃを覆う。また、蛍光体層３０の上に、発光層１３の放射光および蛍光体３１の放射光を透過する層３８が設けられる。
これにより、蛍光体層３０を通過しないで半導体発光装置の側面から放射される励起光を抑制し、色割れ等を防ぐことが可能となる。また、層３８は、蛍光体層３０を保護する。さらに、層３８に蛍光体層３０よりも屈折率の低い材料を用いることにより、蛍光体層３０からの光取り出しを向上させることができる。
本実施形態のさらなる変形例として、ｐ側金属ピラー２３およびｎ側金属ピラー２４を設けずに、ｐ側配線層２１およびｎ側配線層２２を実装基板のパッドに対して接合させる構造であってもよい。
また、ｐ側配線層２１とｐ側金属ピラー２３とが別体であることに限らず、ｐ側配線層２１とｐ側金属ピラー２３とが一体に設けられたｐ側配線部４１を備えても良い。同様に、ｎ側配線層２２とｎ側金属ピラー２４とが別体であることに限らず、ｎ側配線層２２とｎ側金属ピラー２４とが一体に設けられたｎ側配線部４３を備えても良い。
（第２実施形態）
図２０（ａ）は、第２実施形態の変形例の半導体発光装置５の模式斜視図である。図２０（ｂ）は、図２０（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。図２０（ｃ）は、図２０（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。また、図２１は、半導体発光装置５を基板３１０上に実装した構成を有する発光モジュールの模式断面図である。
図２０（ａ）および（ｃ）に表すように、ｐ側金属ピラー２３の一部の側面は、半導体層１５の第１の面１５ａおよび第２の面１５ｂと異なる面方位の第３の面２５ｂで、絶縁膜２５から露出している。その露出面は、外部基板に実装するためのｐ側外部端子２３ｂとして機能する。
例えば、第３の面２５ｂは、半導体層１５の第１の面１５ａおよび第２の面１５ｂに対して略垂直な面である。絶縁膜２５は、例えば、矩形状の４つの側面を有し、そのうちのひとつの側面が第３の面２５ｂである。
その同じ第３の面２５ｂにおいて、ｎ側金属ピラー２４の一部の側面が絶縁膜２５から露出している。その露出面は、外部基板に実装するためのｎ側外部端子２４ｂとして機能する。
また、図２０（ａ）に表すように、ｐ側配線層２１の一部の側面２１ｂも、第３の面２５ｂで絶縁膜２５から露出し、ｐ側外部端子として機能する。同様に、ｎ側配線層２２の一部の側面２２ｂも、第３の面２５ｂで絶縁膜２５から露出し、ｎ側外部端子として機能する。
ｐ側金属ピラー２３において、第３の面２５ｂに露出しているｐ側外部端子２３ｂ以外の部分は、絶縁膜２５に覆われる。また、ｎ側金属ピラー２４において、第３の面２５ｂに露出しているｎ側外部端子２４ｂ以外の部分は、絶縁膜２５に覆われる。
また、ｐ側配線層２１において、第３の面２５ｂで露出している側面２１ｂ以外の部分は、絶縁膜２５に覆われる。さらに、ｎ側配線層２２において、第３の面２５ｂに露出している側面２２ｂ以外の部分は、絶縁膜２５に覆われる。
一方、第１の面１５ａと、蛍光体層３０と、の間には、中間層３６が設けられる。中間層３６は、例えば、蛍光体層３０と半導体層１５とを接合する。蛍光体層３０は、蛍光体３１と結合材３３とを含む。そして、蛍光体層３０は、蛍光体３１を高濃度に含有し、蛍光体層３０における蛍光体３１の平均間隔は、発光層１３の放射光のピーク波長よりも狭い。これにより、配光特性を向上させる。
図２１に示すように、半導体発光装置５は、第３の面２５ｂを基板３１０の実装面３０１に向けた姿勢で実装される。第３の面２５ｂに露出しているｐ側外部端子２３ｂおよびｎ側外部端子２４ｂは、それぞれ、実装面３０１に設けられたパッド３０２にはんだ３０３を介して接合される。基板３１０の実装面３０１には、例えば、外部回路につながる配線パターンが設けられ、パッド３０２はその配線パターンに接続される。
第３の面２５ｂは、光の主な出射面である第１の面１５ａに対して略垂直である。したがって、第３の面２５ｂを実装面３０１側に向けた姿勢で、第１の面１５ａは実装面３０１に平行な横方向に向く。すなわち、半導体発光装置５は、いわゆるサイドビュータイプの半導体発光装置であり、実装面３０１に平行な横方向に光を放出する。
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。
１〜４・・・半導体発光装置、 １０・・・半導体基板、 １１・・・第１の半導体層、 １２・・・第２の半導体層、 １３・・・発光層、 １５・・・半導体層、 １５ａ・・・第１の面、 １５ｂ・・・第２の面、 １５ｃ、２１ｂ、２２ｂ、３６ａ・・・側面、 １６・・・ｐ側電極、 １７・・・ｎ側電極、 １８・・・絶縁膜、 １８ａ、１８ｂ、９１ａ、９１ｂ、９２ａ、９２ｂ・・・開口、 １８ｃ・・・上面、 １９・・・金属膜、 ２１、５１・・・ｐ側配線層、 ２１ａ・・・ビア、 ２２、５２・・・ｎ側配線層、 ２３・・・ｐ側金属ピラー、 ２３ａ、２３ｂ・・・ｐ側外部端子、 ２４・・・ｎ側金属ピラー、 ２４ａ、２４ｂ・・・ｎ側外部端子、 ２５・・・絶縁膜、 ２５ｂ・・・第３の面、 ３０・・・蛍光体層、 ３１・・・蛍光体、 ３３・・・結合材、 ３６・・・中間層、 ３８・・・放射光を透過する層、 ４１・・・ｐ側配線部、 ４３・・・ｎ側配線部、 ５１ａ、５２ａ・・・延在部、 ５６・・・遮光層、 ８０・・・溝、 ９１、９２、９１ｇ、９２ｇ・・・レジストマスク、 ３０１・・・実装面、 ３０２・・・パッド、 ３１０・・・基板

Claims (11)

  1. 第１の面と、その反対側の第２の面を持ち、発光層を有する半導体層と、
    前記第２の面側において、前記半導体層に設けられたｐ側電極と、
    前記第２の面側において、前記半導体層に設けられたｎ側電極と、
    前記第１の面上に設けられ、前記発光層の放射光により励起され前記放射光とは異なる波長の光を放射する複数の蛍光体と、前記複数の蛍光体を一体化し前記放射光を透過する結合材と、を含む蛍光体層であって、隣り合う前記蛍光体の間の平均間隔が前記発光層の放射光のピーク波長よりも狭い蛍光体層と、
    を備えた半導体発光装置。
  2. 前記蛍光体層と、前記半導体層と、の間に設けられ、前記発光層の放射光を透過する中間層をさらに備えた請求項１記載の半導体発光装置。
  3. 前記結合材の屈折率は、前記中間層の屈折率よりも大きい請求項１または２に記載の半導体発光装置。
  4. 前記結合材は、高屈折率粒子を含む請求項３記載の半導体発光装置。
  5. 前記結合材の比屈折率は、１．５よりも大きい請求項３記載の半導体発光装置。
  6. 前記蛍光体層の屈折率は、前記中間層の屈折率よりも大きい請求項２〜５のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
  7. 前記蛍光体層の上に設けられ、前記発光層の放射光および前記蛍光体の放射光を透過する層をさらに備えた請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
  8. 第１の面と、その反対側の第２の面を持ち、発光層を有する半導体層と、
    前記第２の面側において、前記半導体層に設けられたｐ側電極と、
    前記第２の面側において、前記半導体層に設けられたｎ側電極と、
    前記第１の面上に設けられ、前記発光層の放射光により励起され前記放射光とは異なる波長の光を放射する蛍光体を含む焼結蛍光体と、
    前記半導体層と前記焼結蛍光体との間に設けられ、前記焼結蛍光体を前記半導体層に接合する中間層と、
    を備えた半導体発光装置。
  9. 前記中間層は、前記半導体層の中央部の上に設けられた部分の厚さが前記半導体層の外周に沿って設けられた部分の厚さよりも厚い請求項２〜８のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
  10. 前記中間層の外周に沿って設けられた前記部分の厚さは、前記半導体層の外縁と、前記蛍光体層の外縁と、の間隔の半分以下である請求項９記載の半導体発光装置。
  11. （発光面の凹凸）
    前記第１の面に凹凸が設けられ、前記中間層は前記凹凸を被覆する請求項２〜１０のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
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