JP2015191919A

JP2015191919A - 窒化物半導体発光装置

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Publication number: JP2015191919A
Application number: JP2014065979A
Authority: JP
Inventors: 田中　明; Akira Tanaka; 明田中
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2015-11-02
Also published as: CN104952999A; US20150280068A1; TW201537779A

Abstract

【課題】動作電圧が低減されかつ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１６と、第１電極２４と、第２電極２０と、を有する。前記積層体は、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、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１２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の層に到達する凹部を中央部に有する。前記第１電極は、前記第１の層の前記表面を覆うように設けられ、前記発光層からの放出光を反射する。前記第２電極は、前記凹部の底面の前記第２の層の上に設けられる。前記凹部が設けられた面とは反対の側の前記第２の層の面は、光出射面とされる。前記第１電極の内縁と前記第２電極とは同心円を構成する。【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。

特開２０１２−１２４３３０号公報

動作電圧が低減されかつ光出力が高めら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、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の層に到達する凹部を中央部に有する。前記第１電極は、前記第１の層の前記表面を覆うように設けられ、前記発光層からの放出光を反射する。前記第２電極は、前記凹部の底面の前記第２の層の上に設けられる。前記凹部が設けられた面とは反対の側の前記第２の層の面は、光出射面とされる。前記第１電極の内縁と前記第２電極とは同心円を構成する。

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。図２（ａ）は第１の実施形態の電流に対する光出力依存性を表すグラフ図、図２（ｂ）は電流に対する電圧依存性を表すグラフ図、である。図３（ａ）は第１比較例にかかる窒化物半導体発光装置の模式下面図、図３（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。図４（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下面図、図４（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。図５（ａ）は第２比較例にかかる窒化物半導体発光装置の模式下面図、図５（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。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と、第１電極２４と、第２電極２０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。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の一部に到達する凹部１６ｍが設けられる。凹部１６ｍは、内側面１６ｗと底面１０ｃとを有する。

第１電極２４は、第１の層１４の表面を覆うように設けられ、発光層１２からの放出光を反射する。図１（ａ）、（ｂ）に表すように、第１の層１４の表面と、第１電極２４と、の平面サイズが略一致するようにすると、第１電極２４からのキャリアが効率よく発光層１２に注入できる。第１電極２４をｐ側電極とする場合、第１の層１４の側がＡｇやＡｌを含むものとすると、光反射率を高めることができる。

第２電極２０は、凹部１６ｍの底面１０ｃに設けられる。第１電極２４の内縁と、第２電極２０とは、平面視にて、実質的に同心円とする。また、凹部１６ｍの内側面１６ｗと第２電極２０の外側面２０ｈとを互いに対向させ、略同一の高さとすることができる。

たとえば、半導体などからなる支持体３０が第３電極３０ａと第４電極３０ｂとをさらに有するものとする。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および支持体３０の第３電極３０ａと、第２電極２０および支持体３０の第４電極３０ｂと、がウェーハ状態で接着される。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。このようにすると、第１電極２４および第２電極２０の引き出しが容易となる。

第１電極２４から注入されたキャリアは発光層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は発光層１２へ供給される。このため、図１（ｂ）に表すように、発光層１２のうち第２電極２０の外側面２０ｈと対向するように環状の（発光）再結合領域ＥＲが形成され。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。凹部１６ｍが設けられた面とは反対となる第２の層１０の面１０ｅは、光出射面とされる。光出射面に、微少凹凸を設けると、光取り出し効率を高めることができる。

光出射面に、樹脂などからなる透明樹脂層４０を設けると、光出射面を保護しチップの機械的強度を高めることができる。

また、透明樹脂層４０に蛍光体粒子を分散し蛍光体層とすることができる。蛍光体層は、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。なお、窒化物半導体発光装置の一方の辺Ｌ１は０．６ｍｍ、他方の辺Ｌ２は０．６ｍｍ、などとすることができる。

次に、積層体１６の構造をより詳細に説明する。なお、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、本発明はこの導電形に限定されない。

積層体１６は、サファイヤやシリコンなどの基板の上に、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、第２の層１０および第１の層１４と第２の層１０との間に設けられた発光層１２を含む。

第２の層１０は、たとえば、ｎ形ＧａＮクラッド層（ドナー濃度１×１０^１９ｃｍ^−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層（井戸層厚さ３ｎｍと障壁層厚さ５ｎｍとの５．５ペア）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１×１０^２０ｃｍ^−３、厚さ５ｎｍ）１４ａ、ｐ形クラッド層（アクセプタ濃度１×１０^２０ｃｍ^−３、厚さ８５ｎｍ）１４ｂ、ｐ形コンタクト層（アクセプタ濃度１×１０^２１ｃｍ^−３、厚さ５ｎｍ）１４ｃなどを含む。

第１の実施形態において、第２電極２０から注入されたキャリアを発光層１２に広げることができる。他方、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内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側電極とすると、ホールよりも移動度の大きい電子を発光層１２の横方向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。

図２（ａ）は第１の実施形態の電流に対する光出力依存性を表すグラフ図、図２（ｂ）は電流に対する電圧依存性を表すグラフ図、である。
中央部が切り取られた第１の層１４の表面を覆うように設けられた第１電極２４の内径ＤＩを、１００、２００、３００、４００、５００μｍとする。また、第２電極２０は、外径ＤＯを、それぞれ８０、１８０、２８０、３８０、４８０μｍとする。平面視において、第１電極２４の内縁と、第２電極２０と、は同心円をなす。なお、積層体１６の外縁は、Ｌ１＝Ｌ２＝６００μｍとする。図２（ａ）、（ｂ）は、シミュレーションにより求めたグラフ図である。

図２（ａ）に表すように、電流Ｉｄｃが２００ｍＡのとき、内径ＤＩ＝１００μｍでは光出力Ｐｏが略１９０ｍＷ、内径ＤＩ＝２００μｍでは光出力が２１５ｍＷ、内径ＤＩ＝３００μｍでは光出力が２２５ｍＷとなり、内径ＤＩの増加に伴って光出力が増加する。また、内径ＤＩが４００μｍでは光出力が２２７ｍＷとなり、光出力はほとんど飽和する。さらに、内径ＤＩが５００μｍと増加すると、光出力が２１６ｍＷと低下する。

また、図２（ｂ）に表すように、電流Ｉｄｃが２００ｍＡのとき、内径ＤＩ＝１００μｍでは（順方向）電圧ＶＦが略３．９Ｖ、内径ＤＩ＝２００μｍでは電圧ＶＦが３．５Ｖ、内径ＤＩ＝３００μｍでは電圧ＶＦが３．３Ｖ、内径ＤＩが４００μｍでは電圧ＶＦが３．２Ｖとなり、内径ＤＩの増加に伴って電圧ＶＦが低下する。また、内径ＤＩが５００μｍとさらに増加しても、電圧ＶＦが３．２Ｖであり、電圧ＶＦはこれ以上低下しない。

直流電力Ｐｄｃ＝Ｉｄｃ×ＶＦとすると、発光効率（％）はＰｏ／Ｐｄｃで表すことができる。Ｉｄｃ＝２００ｍＡの発光効率は、２４％（ＤＩ＝１００μｍ）、３１％（ＤＩ＝２００μｍ）、３４％（ＤＩ＝３００μｍ）、３５％（ＤＩ＝４００μｍ）、３３％（ＤＩ＝５００μｍ）となる。

内径ＤＩが１００μｍから３００μｍに増加するに従って、積層体１６の凹部１６ｍの近傍の再結合領域面積が増加する。たとえば、第２電極２０をＡｕなどを含むｎ側電極とする場合、第２電極２０の直径ＤＯが小さすぎると、再結合領域ＥＲの面積も小さくなる。このため、キャリア密度が狭い領域で高くなり、キャリアオーバーフローやオージェ再結合により発光効率が低下する。すなわち、内径ＤＩを２００μｍ以上とすることにより発光効率を高めることができる。この場合、Ａｕなどの第２電極２０による吸収増加により効率の低下よりも、キャリア密度を均一に広げて発光効率を高める効果の方が大きい。

他方、内径ＤＩを５００μｍとすると、第１電極２４の幅の最小値Ｗｐが５０μｍまで小さくなる。このため、キャリア密度が高くなりすぎ、オージェ再結合やキャリアオーバーフローを生じ安くなり、発光効率が低下する。すなわち、内径ＤＩは２００μｍ以上であることがより好ましい。また、第１電極２４の幅の最小値Ｗｐは、５０μｍ以上とすることがより好ましい。

図３（ａ）は第１比較例にかかる窒化物半導体発光装置の模式下面図、図３（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
なお、図３（ａ）は、図３（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１１６、第１電極１２４、第２電極１２０、透明樹脂層１４０を有する。

第１比較例において、積層体１１６の凹部１１６ｍの底面１１０ｃと、第２電極１２０と、は同一の中心を有する矩形（正方形を含む）であるものとする。第２電極１２０の中心までの距離は、対角線に沿った方向（角部）において長くなる。角部では電子密度よりもホール密度が高くなる。このため、オージェ再結合やキャリアオーバーフローが起こりやすくなり、発光効率が低下する。

これに対して、第１の実施形態では、第１電極２４の内縁と第２電極２０とは同心円をなす。キャリアは円周と交差する方向に移動するので、キャリア密度を円周に沿って均一にかつ広い領域にわたって分布させることができ、発光効率を高く保ちつつ、高い光出力を得ることができる。

図４（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下面図、図４（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
半導体発光装置は、窒化物半導体を含む積層体１６と、第１電極２４と、第２電極２０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、を有する。積層体１６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に到達する段差部１６ｓを外周部に有する。

第１電極２４は、第１の層１４の表面を覆うように設けられ、発光層１２からの放出光を反射する。第２電極２０は、段差部１６ｓの底面１０ｄの第２の層１０のｎ形ＧａＮクラッド層１０ａの上に設けられる。

段差部１６ｓが設けられた面とは反対の側の第２の層１０の面１０ｅは、光出射面とされる。第１電極２４と、第２電極２０の内縁２０ｋと、は同心円をなす。このため、オージェ再結合およびキャリアオーバーフローが抑制され、発光効率を高めることができる。

光出射面に、樹脂などからなる透明樹脂層４０を設けると、光出射面を保護しチップの機械的強度を高めることができる。また、透明樹脂層４０に蛍光体粒子を分散し蛍光体層とすることができる。蛍光体層は、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。

図５（ａ）は第２比較例にかかる窒化物半導体発光装置の模式下面図、図５（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
なお、図５（ａ）は、図５（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１１６、第１電極１２４、第２電極１２０、透明樹脂層１４０を有する。

第２比較例において、積層体１１６の段差部１１６ｓの底面１１０ｄと、第２電極１２０と、は同一の中心を有する矩形（正方形を含む）であるものとする。第２電極１２０から第１電極１２４の中心までの距離は、対角線に沿った方向（角部）において長くなる。角部では、ホール密度よりも電子密度が高くなり、キャリアのバランスが崩れ、発光再結合が起こりにくい。このため、オージェ再結合やキャリアオーバーフローが起こりやすくなり、発光効率が低下する。また、キャリアが不均一となるので波長変換光が不均一となる。このため、発光層１２からの放出光と波長変換光との混合光が、辺部と角部との間で色むらを生じる。

これに対して、第２の実施形態では、キャリア密度が円周方向に均一に分布できる。このため、発光効率を高く保ち、かつ色むらを低減できる。

図６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である。
積層体１６は、支持体に接着されなくてもよい。図２（ｄ）の構造において、積層体１６と、第１電極２４と、第２電極２０と、を絶縁層８０などで覆う。さらに、第１ピラー電極６１と、第２ピラー電極５１と、の表面が露出するように開口部を設ける。

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。

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の面に透明樹脂層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。

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（凹部の）底面、１０ｄ（段差部の）底面、１２発光層、１４第１の層、１６積層体、１６ｍ凹部、１６ｓ段差部、１６ｗ内側面、２０第２電極、２０ｋ内側面、２４第１電極、ＥＲ再結合領域、ＤＩ（第１電極の）内径

Claims

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の層に到達する凹部を中央部に有する積層体と、
前記第１の層の前記表面を覆うように設けられ、前記発光層からの放出光を反射する第１電極と、
前記凹部の底面の前記第２の層の上に設けられた第２電極と、
を備え、
前記凹部が設けられた面とは反対の側の前記第２の層の面は、光出射面とされ、
前記第１電極の内縁と前記第２電極とは、同心円を構成する窒化物半導体発光装置。
前記第１電極の外縁は、矩形であり、
前記凹部の内径は、２００μｍ以上であり、
前記第１電極の幅の最小値は、５０μｍ以上である、請求項１記載の窒化物半導体発光装置。
前記凹部の内側面と、前記第２電極の外側面とは、対向する請求項１または２に記載の窒化物半導体発光装置。
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の層に到達する段差部を外周部に有する積層体と、
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を反射する第１電極と、前記段差部の底面の前記第２の層の上に設けられた第２電極と、
を備え、
前記段差部が設けられた面とは反対の側の前記第２の層の面は、光出射面とされ、
前記第２電極の内縁と前記第１電極とは、同心円を構成する窒化物半導体発光装置。
前記段差部の外側面と、前記第２電極の内側面と、は、対向する請求項４記載の窒化物半導体発光装置。
前記第２の層の前記光出射面の表面に設けられた透明樹脂層をさらに備えた請求項１〜５のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光装置。
前記透明樹脂層は、蛍光体粒子を含む請求項６記載の窒化物半導体発光装置。