JP2001237458A - 増加発光能力を持つｉｉｉ族窒化物ｌｅｄの製造方法 - Google Patents

増加発光能力を持つｉｉｉ族窒化物ｌｅｄの製造方法

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 改良された発光能力を持つＩＩＩ族窒化物に
基づく発光装置を提供する。 【解決手段】 大面積装置は、低い直列抵抗を準備する
ためにｐ電極金属被覆２０の間に挿入されるｎ電極２２
を持つ。該ｐ電極金属被覆は、不透明かつ高反射率であ
り、優れた電流拡散をもたらす。ＬＥＤ活性領域のピー
ク放出波長でのｐ電極は、パス毎に入射光の２５％未満
を吸収する。サブマウントは、ＬＥＤダイとパッケージ
との間の電気的及び熱的接続を準備するために使用され
てもよい。該サブマウント材料は、電圧追従制限作動な
どの電子機能を備えるためにＳｉであってもよい。ＬＥ
Ｄサブマウント・インタフェースを含む装置全体は、高
い電流密度作動を可能にするために低い熱抵抗に対して
設計されている。該装置は、高屈折率（ｎ＞１．８）の
上層基板を含むことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光装置に
関し、更に詳細には、改良された発光能力を持つＩＩＩ
族窒化物に基づく発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】「ＩＩＩ族窒化物」材料システムは、グ
ループＩＩＩ及びグループＶ元素の任意の組合せであ
り、窒素が主なグループＶの元素であって、電子又は光
電子装置組立に使用される半導体を形成する。本材料シ
ステムは、非限定的に、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、
ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＡｓ
Ｎ、及び、ＧａＩｎＰＮを含む。ＩＩＩ族窒化物材料シ
ステムは、紫外線から赤色スペクトル波長の範囲の光子
エネルギを持つ光を発生する発光装置（ＬＥＤ）の組立
に適する。これらのＬＥＤは、発光ダイオードとレーザ
ダイオードとを含む。
【０００３】ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤは、一般に、例えば
有機金属気相成長などの成長技術を通し、ｐ−ｎ接合を
形成する適切な成長基板上に堆積するエピタキシャル層
を含む。ＩＩＩ族窒化物半導体装置の製造には、ある独
特の困難がある。ＩＩＩ族窒化物基板は、市販されてい
ないので、エピタキシャル成長は、例えばサファイア又
はＳｉＣなどの非格子適合基板上に発生せざるを得な
い。従来のＩＩＩ族窒化物ＬＥＤダイのエピタキシ上向
き配向は、光が上面から、すなわち、ｐ型ＩＩＩ族窒化
物層を通って光が抽出される必要がある。しかし、Ｇａ
Ｎなどのｐ型ＩＩＩ族窒化物層の高抵抗率は、十分な電
流拡散をもたらすために、金属被覆がｐ型材料面上に堆
積することを必要とする。こうした金属は光を吸収する
ので、極薄ｐ電極金属被覆（例えばＮｉ／Ａｕ）が一般
に光が上面を通って逃げることができるように使用され
る。しかし、これらの薄い半透明層でさえ、かなりの量
の光を吸収する。Ａｕの通常の厚さ１００オングストロ
ーム（Å）を仮定し、Ｎｉを無視すると（透明ＮｉＯX
を形成するために酸化され得る）、本半透明ｐ電極に吸
収される光の量は、λ＝５００ナノメートル（ｎｍ）
で、パス毎に約２５％である。高電流密度において、金
属被覆厚みは、活性領域内への一様な電流注入を維持す
るため、また、ほとんどの光がワイヤボンディングパッ
ド近傍で発生することを防ぐために増加する必要があり
得る。金属厚を増加すると、光吸収が増大し、装置の抽
出効果が減少する。明らかに、本トレードオフは、高電
流密度（＞４０アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃ
ｍ2）、これは、約０．３５ｘ０．３５平方ミリメート
ル（ｍｍ2）の接合領域内への約５０ミリアンペア（ｍ
Ａ）に相当する）で作動するＩＩＩ族窒化物ＬＥＤ設計
においては避けるべきである。
【０００４】図１を参照すると、ナカムラらは、米国特
許第５，５６３，４２２号で、サファイア基板を利用し
た通常の従来技術ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤを開示した。ド
ープ未処理及びドープ処理されたＩＩＩ族窒化物層は、
活性領域を取囲む。基板が電気的に絶縁であるため、ｐ
及びｎ領域両方への接触がＬＥＤの同じ側（上部）で起
こる場所において、非平面的装置形状が必要である。ま
た、２つのワイヤボンディングパッドが、装置上部に必
要である。ｎ側ワイヤボンディングパッドはまた、ＩＩ
Ｉ族窒化物エピ層への電気接続を準備するオーミック電
極である。ｐ型ＩＩＩ族窒化物層の高い抵抗率は、電気
的にｐ型ＩＩＩ族窒化物層に接続されている薄い半透明
（部分的に吸収する）ＮｉＡｕオーミック電極により、
電流拡散がもたらされることを必要とする。光抽出効率
は、このオーミック電極と各ボンドパッドとにより覆わ
れている表面積により制限される。オーミックとボンド
パッド金属層とに関連する光学損失は、サファイア基板
（ｎが約１．８）上のＩＩＩ族窒化物材料（ｎが約２．
４）の光誘導特性により強調される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】イノウエらは、欧州特
許第０ ９２１ ５７７ Ａｌで、光がサファイア成長
基板などの基板を通って主に上方に逃げるようなエピタ
キシ側下向き又は逆転構造を持つ従来技術ＩＩＩ族窒化
物ＬＥＤを開示した。該装置設計は、活性接合面積を維
持し、可能な最小ダイ・サイズを準備する。ｐ電極は、
可視光線に対してかなりの吸収を示すＮｉ及びＡｕから
できている。本装置は、高反射ｐ電極金属被覆を欠いて
いるので、光抽出効率の点で制限され、従来の（エピタ
キシ側上方）装置に比べて重要な改善を提供しない。ま
た、装置が小型で（＜４００ｘ４００平方ミクロン（μ
ｍ2））パッケージへのはんだ接続面積が小さいため、
それらの発光能力に限界がある。最後に、本装置は、低
屈折率サファイア上層基板のために誘導光がＩＩＩ族窒
化物エピ層内で閉じこめられ、効率の点で欠点となって
いる。
【０００６】コンドーらは、欧州特許第０ ９２６ ７
４４ Ａ２で、サファイア上層基板を使用する従来技術
の逆転ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤを開示した。ｐ型電極は銀
で、可視光線に非常に反射的であり、イノウエらにより
開示された装置と比較して、高い光抽出効率を持つ装置
をもたらす。しかし、ＩＩＩ族窒化物材料へのＡｇ接着
は弱い。焼きなましの際、Ａｇは固まり、シートのオー
ミック接触性と反射率との完全性を破壊する。装置が比
較的小型で（＜４００ｘ４００μｍ2）、パッケージへ
のはんだ接続面積が小さいため、その発光能力には限界
がある。最後に、本装置は、低屈折率サファイア上層基
板のために誘導光がＩＩＩ族窒化物エピ層内で閉じこめ
られ、効率の点で欠点となっている。
【０００７】メンツらは、「電子工学レター３３（２
４）」のページ２０６６から２０８８において、サファ
イア上層基板を使用する従来技術の逆転ＩＩＩ族窒化物
ＬＥＤを開示した。本装置は、２層金属ｐ電極、Ｎｉ／
Ａｌ及びＮｉ／Ａｇ、を利用し、Ｎｉ／Ａｕと比較する
と改善された反射率をもたらす。しかし、本装置は、３
５０ｘ３５０μｍ2の装置において２０ｍＡで４．９か
ら５．１ボルト（Ｖ）の高い順電圧を示した。これは、
良好なオーミック電極を持つ装置の３倍以上高い約１０
０Ωの直列抵抗を生じる。高い直列抵抗は、非常に電力
変換効率を制限する。これらの装置が小型で（＜４００
ｘ４００μｍ2）低い熱抵抗を備えていないので、それ
らの発光能力には限界がある。最後に、本装置は、低屈
折率サファイア上層基板のために誘導光がＩＩＩ族窒化
物エピ層内で閉じこめられ、効率の点で欠点となってい
る。
【０００８】エドモンドらは、世界知的所有権機構第Ｗ
Ｏ９６／０９６５３号において、図２に示す伝導ＳｉＣ
基板の垂直注入ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤを開示した。ＩＩ
Ｉ族窒化物層からＳｉＣ基板へのオーミック伝導に伝導
バッファ層が必要である。伝導バッファ層に必要な成長
条件は、その後の層に利用可能な成長条件を制限し、そ
れでＩＩＩ族窒化物活性領域層の質を制限する。また、
伝導バッファ層は、光学損失機構をもたらす可能性があ
るので、光抽出効率を制限する。更に、ＳｉＣ基板は、
低い直列抵抗に対して高い電気伝導度（ｐ＜０．２オー
ムセンチメートル（Ω・ｃｍ））をもたらすために、ド
ープ処理される必要がある。ＳｉＣ基板ドーパントから
生じる光学吸収は、該装置の光抽出効率を制限する。こ
れらの条件は、直列抵抗と光抽出効率との間のトレード
オフを生じ、図２におけるＬＥＤの電気的から光学的へ
の電力変換効率を制限する働きをする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、増強された全
体的発光能力を持つ逆転ＩＩＩ族窒化物発光装置（ＬＥ
Ｄ）である。大面積（＞４００ｘ４００μｍ2）装置
は、低い直列抵抗をもたらすためにｐ電極金属被覆の間
に挿入される少なくとも１つのｎ電極を持つ。該ｐ電極
金属被覆は、不透明、高反射率、オーミック（１０-2Ω
ｃｍ2未満の固有接触抵抗）であり、優れた電流拡散を
もたらす。ＬＥＤ活性領域のピーク放出波長でのｐ電極
の光吸収は、パス毎に２５％未満である。中間材料又は
サブマウントは、ＬＥＤダイとパッケージとの間の電気
的及び熱的接続を準備するために使用してもよい。該サ
ブマウント材料は、電圧追従制限作動、静電気放電（Ｓ
ＥＤ）からの保護、直列連糸ＬＥＤアレー、及び、フィ
ードバック制御光出力などの電子機能を備えるためにＳ
ｉであってもよい。ＬＥＤサブマウント・インタフェー
スを含む装置全体は、高い電流密度作動を可能にするた
めに低い熱抵抗に対して設計されている。最後に、該装
置は、光抽出効率の更なる改善が得られる高屈折率（ｎ
＞１．８）上層基板を含むことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】ＬＥＤ作動の１つの基本的制限条
件は、最大接合温度である。最大接合温度Ｔ jmaxは、破
損又は破損がＬＥＤのある部分又はその外被で起こるｐ
−ｎ接合領域の温度である。被包性エポキシやレンズの
ガラス転移温度が近づくと、この破損がよく起こり、透
明性が損なわれ、最終的にこれらの材料の溶解が起こ
る。こうした限界が確立されると、周囲温度からＴjmax
への温度上昇ΔＴjは、次式で表される（電力変換効率
＜＜１００％と仮定するが、今日のＩＩＩ族窒化物装置
に対しては当てはまる）。
【００１１】
【数１】 （１）
【００１２】ここで、Ｔ0は周辺温度、Ｉmaxは最大作動
電流、Ｖfは、その電流での順電圧、及び、Θj-aはｐ−
ｎ接合部から周辺への熱抵抗である。Ｖfに簡素化した
表現を代入し、書き換えをすると次式を得る。
【００１３】
【数２】 （２）
【００１４】ここで、Ｖ0は入電源電圧（およそＩＩＩ
族窒化物半導体禁止帯幅電圧）で、Ｒsは、装置の直列
電気抵抗である。Ｉmaxについて解くと次式を得る。
【００１５】
【数３】 （３）
【００１６】式３は、Ｖ0＝２．５Ｖ（波長λが約５０
０ｎｍのエネルギ禁止帯幅に相当する）と、ＲSとΘj-a
との変動値に対してＴjmax＝１３０℃の場合について図
３にプロットされている。これらのパラメータの数値範
囲は、約１ｍｍ2のダイ寸法と、熱除去のためにうまく
設計されているシステムとに一致する。ＲSとΘj-n間の
重要性順位は、図３のグラフのどの部分がその適用例を
支配するかにより判断される。しかし、図３のほとんど
の場合、熱抵抗の約５℃／ワット（Ｗ）の減少は、直列
抵抗における約０．５Ωの降下よりも、より効率的にＩ
max（すなわち光出力）を増加する。直列抵抗は、有限
接触抵抗と実用ドーピングレベルから派生するので、任
意の低レベルまで減らすことは困難である。すなわち、
熱抵抗は、Ｉmaxを増加する重要なてこの腕であり、発
光能力を最大にするために最小にする必要があることは
明らかである。
【００１７】接合温度の限界により一定のＩmaxを用い
て、最大発光能力は、式４で表される。
【００１８】
【数４】 （４）
【００１９】ここで、Ｌmaxは、ワットで表された最大
光出力、ηはＷ／Ａで表されたＬＥＤの傾斜効率であ
る。該傾斜効率は、次式によって外部量子効率に比例す
る。
【００２０】
【数５】 （５）
【００２１】ここで、ηintは内部量子効率、Ｃextは、
ＬＥＤの光抽出効率である。このように、最大発光能力
は、一定の活性領域効率（ηint）を用いて光抽出効率
を最大化することにより得られる。
【００２２】ＬＥＤダイの直列抵抗と熱抵抗との両方が
接続面積に逆比例するので、Ｉmaxを増加するためにダ
イサイズを増加することが好ましい。任意にダイ形状を
増大すると、１次及び２次の光学機器サイズと、発光シ
ステム内のＬＥＤパッケージの電力消散能力との実際的
な限界に付き当たる。代わりに、ダイサイズは、ＬＥＤ
パッケージによりもたらされる許容電力消散の有効使用
をするように選択されるべきである。通常のシステムに
おいて、接合部から周辺への熱抵抗は、ホフラーらが
「電子工学レター３４、１」（１９９８年）に記載して
いるように、約６０℃／Ｗである。ＬＥＤパッケージの
電力消散の上限はすぐに計算される。４０℃の周辺温度
及び１３０℃のＴjmaxを仮定すると、最大入力電力は、
（１３０−４０）／６０＝１．５Ｗである。最大入力電
力は、次式のように書くことができる。
【００２３】
【数６】 （６）
【００２４】ここで、ＪmaxはＡ／ｃｍ2で表された最大
順電流密度、ｐsは、Ω・ｃｍ2で表されたダイ直列抵
抗、及び、Ａdieは、ダイ面積（ｃｍ2で表された）であ
る。効率的で費用効果的作動のために、合理的な高い順
電流密度が必要とされる。適切な順電流密度は、５０Ａ
／ｃｍ2である。３５０ｘ３５０オｍ2の装置において、
通常の直列抵抗は約３０Oであり、ρsが約４ｘ１０-2O
ｃｍ2程度の装置抵抗に相当する。式６に対してこれと
同じ抵抗性を仮定し、Ｊmax＝５０Ａ／ｃｍ2及びＶ 0＝
２．５Ｖ（波長?が約５００ｎｍのエネルギ禁止帯幅に
相当）を用いると、パッケージにより許容される最大入
力電力を達成するのに必要なダイ面積は、６．７ｘ１０
-3ｃｍ2、又は、約８００ｘ８００オｍ2である。これと
同じ電力レベルでのより小さい装置は、順電圧を増加さ
せ、それ故、同電流に対して低効率をもたらすであろ
う。同様に、より小型の装置は、増加するダイ熱抵抗の
ためにより高温で作動するであろう。
【００２５】ｐ型ＩＩＩ族窒化物層の高抵抗性のため、
ＬＥＤ設計は、ｐ側電流拡散をもたらすためにｐ型層に
沿って金属被覆を利用する。従って、絶縁基板のため
に、ｎ側電流拡散がｎ型ＩＩＩ族窒化物層を通って起こ
る必要がある。これらの層は、一般に約２μｍ厚であ
り、約１０-3Ω・ｃｍの抵抗を持つ。通常の装置抵抗の
無視できる部分を説明するためには、ｎ型層による電流
拡散に必要な距離は、約２００μｍ未満に維持されるべ
きである。従って、４００ｘ４００μｍ2より大きな装
置は、装置の直列抵抗を低く維持するために、ｐ電極の
間に挟まれる多重ｎ電極フィンガが必要である。上記に
示す通り、高い発光能力用の装置は、例えば、＞４００
ｘ４００μｍ2のように大きくなければならない。その
ため、これらの装置は、挿入ｎ電極設計を利用すべきで
ある。この設計は、サブマウントとの接続においてｎ及
びｐ電極の電気的分離を保つ必要があるため、逆転構造
に関して重大な意味を持つ。
【００２６】逆転設計のために高度に反射的な電極金属
被覆を使用することは、抽出効率を改善するために決定
的である。図４は、ＬＥＤ抽出効率に対する逆転ダイ設
計用のｐ電極吸収を従来（エピタキシ側上方）装置と比
較して示す。図４にプロットされた抽出効率は、ＬＥＤ
ダイ構造（１ｘ１ｍｍ2）の光学光線追跡モデル化によ
り測定され、全てのＬＥＤ材料の測定光学特性を含む。
モデル化された逆転装置の全ては、サファイア上層基板
を利用し、一方、従来装置（逆転なし）は、サファイア
基板を使用する。ｐ電極吸収（ｘ軸）は、関心のある波
長でのｐ電極近傍のＩＩＩ族窒化物エピ層内の等方性点
光源からの照明を仮定して、パス毎に吸収される光の百
分率比として定められる。ｐ電極は、ｐ−ｎ接合内へ一
様電流の注入を準備するためにほぼ完全に活性領域に亘
って延びるので、光抽出には支配的な要因である。更
に、サファイア（ｎが約１．８）とＩＩＩ族窒化物エピ
タキシャル層（ｎが約２．４）との間の屈折率の差は、
活性領域から発生する光の多くの部分がサファイア／Ｉ
ＩＩ族窒化物インタフェースで完全に内部反射される結
果となる。この導波管で捕らえられた光量は、活性領域
からの等方性放出について、全発生光の約ｃｏｓ
（（１．８／２．４）ー J）＝６６％である。この光は、
図５に示すように、捕らえられ、装置に沿ってダイの側
面に向かって横方向へ誘導される。図５は、従来（エピ
タキシ上方）構造を示すが、導波効果は、ダイがエピタ
キシ上方であるか、逆転されているかにかかわらず存在
する。しかし、ｐ電極による吸収のために、導波光のほ
とんどが措置を出る前に失われる。このため、抽出効率
は、図４にプロットされたデータで示す通り、ｐ電極吸
収に非常に敏感である。これは、逃げる前のｐ電極での
パス数が非常に大きいために、例えば＞４００ｘ４００
μｍ2などの大面積ダイの場合、特に重要である。ｎ電
極もまた光学損失機構であるが、覆う装置面積が狭いの
であまり重要ではない。
【００２７】図４に示す光線追跡モデル結果は、Ｎｉ、
及び／又は、Ａｕ電極を持つ逆転ダイ設計は、３８から
４７％（λ＝５０５ｎｍ）の抽出効率をもたらすことを
示す。半透明ＮｉＡｕ電極を持つ従来のエピタキシ側上
方の装置は、４３％の抽出効率を持つ。従って、逆転装
置内のＮｉ、及び／又は、Ａｕのｐ電極は、従来設計と
比較して、非常に改善された抽出効率は提供しない。し
かし、Ａｇのｐ電極に対し、逆転ダイは、従来装置に比
べて抽出効率において約１．７倍の利得を示す。図４に
明らかに示す通り、従来技術の装置を超える増加した光
抽出を準備するためには、逆転装置内のｐ電極吸収は、
３５％未満にすべきである。好ましくは、ｐ電極吸収は
２５％未満である。図４は、５０５ｎｍの場合でプロッ
トされているが、ｐ電極吸収に対する抽出効率の傾向
は、波長にかかわらず正しい。反射率が第１の考慮する
点ではあるが、また接触抵抗もそうであることを指摘す
ることも忘れてはならない。ｐ電極の接触抵抗が悪いと
過度に高い直列抵抗を持つ装置を生じ、そのため、式３
で説明されるように、発光能力が減少する。３５０ｘ３
５０μｍ2装置に対して、通常の直列抵抗は約３０Ωで
あり、４ｘ１０-2Ωｃｍ2程度の装置抵抗に相当する。
ｐ接触抵抗は、直列抵抗への影響を最小にするために、
これよりかなり少なくなければならない。本発明におい
て、ｐ固有接触抵抗は、１０-2Ωｃｍ2未満であること
が好ましい。。
【００２８】製造可能工程での低光学吸収と低接触抵抗
との結合をＩＩＩ族窒化物装置で達成するのは困難であ
る。例えば、Ａｇは、良好なｐ型オーミック接触を作
り、非常に反射的であるが、ＩＩＩ族窒化物層への接着
は弱く、湿った環境でのエレクトロマイグレーションの
影響を受け易く、致命的な装置破損を招く可能性がある
という欠点がある。Ａｌは、適度に反射的だが、ｐ型Ｉ
ＩＩ族窒化物材料へのオーミック接触が良くなく、一
方、他の基本的金属は、わりと吸収的である（可視光波
長範囲において、パス毎に＞２５％の吸収）。可能な解
決法は、電流拡散層として働く厚い反射層と共に、極薄
の半透明オーミック接触を含む多層接触を使用すること
である。光学障壁層が、オーミック層と反射層との間に
含まれる。ｐ型多層接触の１つの例は、Ａｕ／ＮｉＯx
／Ａｌである。この金属被覆構成の通常の厚みは、３０
／１００／１５００Åである。同様に、適切なｎ型Ｇａ
Ｎ多層接触は、３０／１５００Åの通常の厚みを持つＴ
ｉ／Ａｌである。
【００２９】ｐ電極反射率は、抽出効率の支配的要因な
ので、製造可能性の設計段階で妥協すべきではない。逆
転ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤのウェーハ上試験が、不透明シ
ート金属被覆により困難になるであろうが、こうした試
験方法が、ｐ電極の反射特性を低下させることを要求し
てはならない。例えば、ウェーハ上試験の間、光が上方
へ逃げることができるようにｐ電極に挿入される開口部
や半透明領域は、効率的にｐ電極反射率を減少して、完
成した装置の効率を低下するように働くのみである。ｐ
電極反射率を妥協しない他の方法を使うべきである。本
発明は、光抽出を増加する一方で、ｐ−ｎ接合から、ラ
ンプパッケージへの熱抵抗を減少することにより、最大
発光能力を持つ、例えば＞４００ｘ４００μｍ2などの
大面積及び高電力のＬＥＤを提供する。これを達成する
ため、本発明は、低抵抗、不透明、及び、高反射率のｐ
電極を利用する逆転構造を使用する。第１実施形態は、
図６ａ及び図ｂに示されている。
【００３０】図６ｂに示す断面図を参照すると、該装置
は、ＩＩＩ族窒化物エピタキシャルヘテロ構造ｎ型及び
ドープ未処理層１１とｐ型層１２とを含み、各々が活性
領域１３に接触している。ＩＩＩ族窒化物層１１は、随
意的に透明上層基板１０へ取付けられる。上層基板１０
は、ＩＩＩ族窒化物層堆積のための成長基板になること
ができる。図６ａに示すＬＥＤダイの底部平面図を参照
すると、装置の大面積（＞４００ｘ４００μｍ2）は、
装置全体に一様に電流が拡散するために、ｐ電極金属被
覆２０の間に挟まれるｎ電極２２の「フィンガ」を要求
する。こうした電極配置は、低直列抵抗（低伝導性ＩＩ
Ｉ族窒化物層に打ち勝つため）をもたらす大面積装置に
おいて要求され、すなわち、式３に示すような高い最大
駆動電流を準備する。このように、間に挿入されたｎ電
極配置は、全体発光能力を最大にする大面積装置に必要
である。該装置は、光が側壁のほか透明上層基板１０を
通って取り出され得るように逆転され、高反射率及び厚
いｐ電極金属被覆２０を使用することにより、良好な抽
出効率をもたらす。ｐ電極の反射率は、上記の通り、Ｌ
ＥＤ放出波長でのｐ電極の吸収がパス毎に２５％未満に
なるように決まっている。電極金属被覆は、相互接続６
０を介してサブマウント基板５０上でサブマウント電極
５２に接続する。該相互接続は、作動中にＬＥＤからの
熱除去用の熱経路を準備する一方で、ＬＥＤとサブマウ
ントとの間を電気接続する。図示されている実施形態
は、はんだ付けを適用しているが、相互接続は、基本的
金属、金属合金、半導体金属合金、はんだ、熱的及び電
気的伝導ペーストや化合物（例えば、エポキシ）、ＬＥ
Ｄダイ及びサブマウント間の異なる金属の間の共融接合
（例えば、Ｐｄ−Ｉｎ−Ｐｄ）、Ａｕスタッドバンプ、
又は、はんだバンプから作られてもよい。
【００３１】相互接続は、伝導インタフェース４１及び
５４を介してＬＥＤとサブマウントとに取り付けられ
る。はんだが相互接続として使用される場合、伝導イン
タフェースは可溶性金属である。適用工程は、最初に相
互接続の厚みと面積とを決める。１つの利用できる技術
は、ペーストがサブマウントウェーハ又はＬＥＤ上の区
域を選択するために塗布されるスクリーン印刷処理であ
る。他の技術は、電気めっき、リフトオフ、及び、リフ
ローを含む。相互接続としてはんだを使用する実施形態
において、最終的な相互接続厚さ及び面積は、ＬＥＤダ
イ上の可溶性金属４１及びサブマウント上の可溶性金属
５４のほか、はんだ容積により決められる。ＬＥＤ上の
はんだ可能区域は、可溶性金属のパターン化を通して、
又は、ＬＥＤダイ上に設けられるパターン化された誘電
不活性化層４２のバイアを通して形成される。該誘電不
活性化層４２は、ｐ及びｎ電極間で電気的分離層として
働き、はんだ層４１がｐ及びｎ電極の両方に亘って延び
るので必要となる。サブマウント上のはんだ可能区域
は、はんだ可能金属５４をパターン化することにより同
様に形成される。代わりの実施形態において、金属被覆
５４の可溶性区域は、パターン化された誘電体層により
形成され得る。はんだ可能金属層５５の第２のセット
は、パッケージへの取付けのためにサブマウントの裏に
堆積してもよい。随意的に、適切なはんだをサブマウン
トの裏に直接堆積することもできる。ＬＥＤとサブマウ
ントとの間のいかなるアンダフィル金属の熱伝導率も例
えば＜２．０Ｗ／ｍＫなどと非常に小さいので、接合部
からパッケージへの熱抵抗は、ダイ・サブマウントはん
だ接合とサブマウント材料及び形状とにより主に支配さ
れる。ｐ電極金属被覆での熱発生と１次元流れとを仮定
し、薄層とサブマウント−パッケージはんだ接合との熱
抵抗を無視すると、接合部からパッケージへの熱抵抗
は、次式で表すことができる。
【００３２】
【数７】 （誘電体無視） （７）
【００３３】ここで、ｔs及びｔsmは厚み、ρs及びρsm
は、各々はんだとサブマウントとの熱伝導率、及び、Ａ
sは、はんだの全断面面積である。式６に示すように、
はんだ面積Ａsは熱抵抗を制御する。従って、はんだで
ＬＥＤダイの全表面を覆うことが必要である。しかし、
電気的分離がＬＥＤのｐ及びｎ電極領域の間で必要なた
め、これは不可能である。また、ｎ及びｐはんだ可能金
属の間のこの隙間幅は、ダイをサブマウントに取付ける
時の許容値である必要がある。それでも尚、図６ａの実
施形態は、約８５％はんだ被覆範囲（ｐ電極面積２０に
対するはんだ可能金属面積４１の比として定められる）
をもたらす。
【００３４】図６ａから図ｂに示すものに対する代わり
の実施形態は、ｐ電極２０の一部分を含んでｎ電極２２
の下方部分に延びるシート反射器を含む。金属間誘電体
は、ｎ電極及びシート反射器のこれらの領域の間に形成
される。該金属間誘電体は、これらの領域において、ｎ
及びｐ電極間の電気的分離を準備する。ｎ電極の他の部
分は、誘電体によって覆われず、サブマウントへの電気
接触が可能である。この実施形態は、図６ａから図６ｂ
に示す実施形態と比較して、この光を上方へ反射するこ
とにより、ＬＥＤ金属被覆の隙間を通って下方へ漏れる
光を減少する。
【００３５】はんだが、リフロー・オーブンに、はんだ
合金の固体温度を超える温度で置かれると、ＬＥＤとサ
ブマウントとの間の相互接続が作られる。リフローの
間、毛細管力と表面張力とは、はんだ可能金属区域をは
んだシートへ配列する傾向がある。これにより、ＬＥＤ
ダイのサブマウントウェーハへのいくらかの自己再配列
が可能となる。この自己再配列は、高速ダイ取付け機械
の使用を通して活用することができ、初期のダイ取付け
精度を犠牲にしてスピードを取ることを可能にする。更
に、ｐ及びｎはんだシートの各々を多くのシートへ分割
すると、自己再配列が改善される。図７を参照すると、
図の実施形態は、ｐ及びｎはんだパッド４１を対で示
す。はんだシート間の隙間は、ダイ取付け機械の精度に
より決められる。図７の実施形態は、ｘ及びｙ方向に優
れた自己再配列特性を持つが、一方、図６ａの実施形態
は、主にｙ方向に自己再配列特性を持つ。
【００３６】図８を参照すると、代わりの実施形態は、
同面積のはんだ「棒」としてはんだ可能金属４１を示
す。この設計は、リフローの間、はんだ可能金属の一様
な溶解と共に良好な自己再配列の利点を持つ。一様な溶
解が起こるのは、ダイとサブマウントとの間に作用する
力がはんだ溶解面積に比例するからである。一様な溶解
は、同等面積の領域から成る可溶性金属パターンを使っ
て達成される。一様な溶解は、リフローとそれに続く冷
却の間、ＬＥＤダイが傾くのを防ぐ。平面のＬＥＤ取付
け処理を維持することは、例えばＬＥＤダイの部分がサ
ブマウント上の金属被覆区域のきわめて近傍にある場合
に現れるｐ−ｎ接合の短絡など、破損機構を被る可能性
が小さいことを意味する。また、傾いていないＬＥＤダ
イの方向は、ＬＥＤランプ又はシステムの他の光学構成
要素への改善された光結合を準備する。
【００３７】図９を参照すると、別の実施形態は、はん
だ「バンプ」用のパッドに変化したｎ領域はんだ可能金
属を示す。ｎ及びｐ電極間の分離がｎはんだパッド近傍
で必要でなくなり、それ故、誘電不活性化層４２の必要
性を排除するので、ウェーハ製造工程が簡素化される。
はんだバンプの製作は業界標準工程であり、ｎ電極での
はんだ接続を十分に確立された製造技術を通して準備す
ることが可能である。
【００３８】図１０ａ及び図１０ｂに各々示す平面及び
断面図に表された代わりの実施形態において、全はんだ
取付インタフェースは、バンプ用はんだパッドにより準
備される。熱抵抗を最小にするために、最終はんだ厚を
最小にしながら、最終はんだ接合断面面積を増やすため
にバンプ数が最大にされる。バンプ数は、所定のバンプ
直径に対してはんだバンプのピッチを制限する、はんだ
バンプ形成の最新技術により指令される。通常のピッチ
は、１００μｍ直径のバンプに対し、２００μｍであ
る。１ｍｍ2のダイに対し、５列の１００μｍ直径のバ
ンプが実現可能である。図１０ａを参照すると、ｎパッ
ドに対して１列は２つのバンプである。ｎ電極フィンガ
は、ｐ電極金属被覆に沿うバンプの列数を４に制限す
る。この設計において、はんだ区域の断面は、ｐ電極区
域の少なくとも１５％に維持される。はんだ面積の範囲
は、可溶性金属表面区域を個々のバンプに必要な小さな
バイアの先まで拡張することにより増加できる。例え
ば、ＬＥＤダイの可溶性金属パターンは、図８に示すよ
うに、各棒から成り得るのに対し、サブマウントのはん
だバンプはなお、ｐ電極用に４ｘ４のアレー及びｎ電極
用にそれプラス２の形をとる。図１１ａ及び図１１ｂ
は、本実施形態の断面図を示す。図１１ａは、ＬＥＤダ
イ上のはんだパッド４１用のパターン化された誘電体４
２内にバイアを含む実施形態を示す。同様に、パターン
化された誘電体５３には、サブマウント上のはんだパッ
ド５４用にバイアが設けられる。図１１ｂに示す実施形
態において、ＬＥＤダイ上のはんだ可能金属４１は、は
んだが広がってその個々の直径がもたらすであろうより
もかなり広い範囲を溶解できるように、はんだバンプよ
りも大きく作られる。この結果、はんだ面積範囲が図１
１ａの個々のバンプの合計を超えることとなる。また、
はんだ厚は事実上減少する。これらの両方の結果は、は
んだ接合の熱抵抗を減らし、ＬＥＤダイが増加した光出
力のためにより高い電流密度まで駆動されることを可能
にする。
【００３９】図１２ａから図１２ｂに示す通り、サブマ
ウントへの優れた熱接触を持つ装置へ準備するため、Ｌ
ＥＤの可溶性金属パターンに適合する、バンプ以外の任
意形状にはんだを形成することが更に可能である。図１
２ａは、ＬＥＤ底部の平面図である。はんだ可能金属４
１は、ｐ電極２０及びｎ電極２２金属被覆上にパターン
化され、リフローの間のはんだの溶解区域を形成する。
代わりに、図６から図８に示すように、溶解区域は、誘
電不活性層４２にから形成され得る。図１２ｂは、サブ
マウントの平面図を示す。横方向のサブマウント形状は
任意であるが、六角形設計が示されている。サブマウン
トは、例えばＳｉなどの基板５０を含む。例えばＳｉＯ
2などの随意的な誘電体層５１は、ＬＥＤダイとサブマ
ウント基板との間の電気的分離のために含まれてもよ
い。代わりに、サブマウント基板は、サブマウント基板
内に組立られた電子回路と一体化するため、ＬＥＤダイ
と電気的に接続されてもよい。Ａｇ又はＡｌなどの金属
被覆５２は、ワイヤボンディングとしてのほか、ＬＥＤ
ダイから下方に放出された光に対する反射器として設け
られる。金属被覆５２の裂け目は、取付後、ＬＥＤダイ
のｐ及びｎ領域を電気的に分離するために設けられる。
はんだ可能金属５４は、リフローの間のはんだの溶解区
域を形成するためにワイヤボンディング金属被覆５２の
上部にパターン化される。これらのパターンは、ＬＥＤ
ダイのはんだ可能金属被覆４１のそれと合致する。ＬＥ
Ｄダイに関しては、図１０ｂに示すように、サブマウン
トの溶解区域は、誘電不活性層５３により形成され得
る。はんだ材料６０は、サブマウントはんだ可能金属被
覆５４に堆積される。代わりに、はんだ材料６０は、Ｌ
ＥＤダイに堆積されてもよい。はんだの縁部は、はんだ
可能金属パターン５４の縁部から少し後退してもよい。
溶解区域４１及び５４とはんだパターン６０とにより形
成されたはんだ割り付けの制御は、はんだ適用工程に左
右される。できるだけ多くのｐ電極２０が、リフロー後
にはんだで覆われることが好ましい。図１２ａから図１
２ｂの溶解区域は、ｐ電極２０の約６６％にはんだを供
給する。図１２ａから図１２ｂのはんだ割り付けは、各
棒から成っているが、任意パターンがもちろん可能であ
り、ｐ電極のはんだ面積範囲が更に増加できる。
【００４０】ＬＥＤとサブマウントとの間の適切な相互
接続により、ＬＥＤの最大作動温度を通常の最大定格で
ある１３０℃を超えて増加することが可能になる。これ
は、相互接続が１３０℃を超える温度で、熱的に安定し
ている場合である。それ故、はんだの場合、例えば９５
／５ Ｐｂ／Ｓｎ、ＡｕＳｎ、ＡｕＳｉ、及び、ＡｌＳ
ｉなどの高温はんだをこのインタフェースに使用するこ
とが必要である。高温相互接続は、ＬＥＤの最大接合温
度を上昇し、最大駆動電流のかなりの増加、すなわち発
光能力の増加をもたらす。はんだリフローの間、ｐ電極
の完全性を維持することが重要である。すなわち、この
層の反射率と接触抵抗とは、はんだ可能金属層やはんだ
自身の存在によって低下されるべきではない。こうした
低下は、ｐ電極とはんだ可能金属層との間の金属相互混
合や、層間剥離などの歪みの誘発効果により起こり得
る。このため、ｐ電極とはんだ可能金属との間に障壁層
が必要であろう。適切な障壁層は、非限定的に、Ｎｉ、
Ｃｒ、Ｃｕ、及び、Ｔｉを含む。
【００４１】ＬＥＤダイ寸法が大きいものに対しては、
ＬＥＤダイ、サブマウント、及び、ケーシングの間の熱
膨張係数（ＣＴＥ）の相違は、疲労を引き起こし、熱循
環応力状態のもとで、ＬＥＤ／サブマウント取付インタ
フェースにおいて最終的に破損を起こす可能性がある。
ＣＴＥ問題は、小さいシート（又は、棒やバンプ）に対
してよりも、大きな、シート・はんだ取付設計に対して
最も起こりやすい。従って、より大きなＬＥＤダイを取
付けるのには、より小さいはんだ形状のほうが好ましい
方法であり得る。また、より厚いはんだシートや、より
高いはんだバンプの方が、ＬＥＤとサブマウントとの間
に、より大きなコンプライアンスをもたらし、破損の危
険性を小さくし得る。最小熱抵抗とＣＴＥ問題の始まり
との間のここでのトレードオフは、所定のＬＥＤダイサ
イズに対する最適はんだ取付設計に導く。１ｍｍ2のダ
イと１５％のはんだ面積範囲とに対し、はんだ厚は、温
度循環応力状態の間、破損を起こすことなく最低２０μ
ｍまで薄くすることができる。
【００４２】ＬＥＤの光抽出は、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ
構造のインタフェースの１つにおいて質感表面を準備す
ることにより増加できる。質感化は、不規則でも規則的
でもよい。これは、図１３ａから図１３ｃに示されてい
る。図１３ａは、サファイア上層基板を利用する逆転装
置を示す。サファイア上層基板とＩＩＩ族窒化物エピタ
キシャル層との間の屈折率の不釣合が大きい（ｎが約
０．６）と、活性領域から発生する大部分の光がサファ
イア・ＩＩＩ族窒化物インタフェースで完全に内部に反
射されることになる。この光は捕らえられ、装置に沿っ
て横方向へ、ダイの側面に向かって誘導される。しか
し、ＩＩＩ族窒化物エピ層と電極とに存在する多くの損
失機構のために、導波光のほとんどは、装置から逃げる
前に失われる。図１３ｂにおいて、ＩＩＩ族窒化物ヘテ
ロ構造とサファイア上層基板との間のインタフェース
が、光をＩＩＩ族窒化物層から散乱させるために質感化
される。これにより、ヘテロ構造内の平均光子路程長が
減少して内部吸収効果が減少し、すなわち、光抽出が改
善される。同様な効果は、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造の
底面、又は、ヘテロ構造内のインタフェースの１つにお
いて質感化することにより達成できる。多くのインタフ
ェースは、光抽出の更なる増大と関連して質感化され得
る。
【００４３】代わりの実施形態において、サファイア
（ｎが約１．８）よりもＩＩＩ族窒化物層（ｎが約２．
４）により近く屈折率が適合する高屈折率（ＨＲＩ）
（ｎ＞１．８）の上層基板を含む逆転ダイ構成を準備す
ることにより、光抽出は改善される。光発生領域を作っ
ているＩＩＩ族窒化物層へのより近い屈折率適合によ
り、より多くの光が厚い上層基板内に結合することを可
能にし、光が、ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層内又は
周りに存在する多くの損失機構の１つにおいて吸収され
る前に周辺内へ逃げることを可能にする。図１３ｃは、
ＳｉＣ上層基板が使用された、こうした実施形態を示
す。ＳｉＣの屈折率は約２．６で、サファイアよりもか
なり密接にＧａＮに適合する。従って、完全内部反射の
確率は非常に低く、結果的にＩＩＩ族窒化物層内に導波
管は形成されない。実際上活性領域から発生した全ての
光は、上層基板内に結合され、５つの露出した上層基板
表面の１つを通って逃げる確率が高い。ＨＲＩ上層基板
を用いてさえ、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造の１つ以上の
インタフェースを質感化することにより、光抽出の更な
る改善を得ることができる。
【００４４】ＨＲＩ上層基板の全ての恩恵を導くため、
該上層基板は、吸収がほとんどない本質的に透明でなけ
ればならない。このように、ＳｉＣに対しては、上層基
板は、僅かにドープ処理されているか、又は、全くされ
ていないかであるべきであり、成長方法により、ＬＥＤ
装置に対して低損失の光学窓と備えるために、比較的不
純物がない上層基板を準備する必要がある。６Ｈ Ｓｉ
Ｃに対して、抵抗が０．５Ωｃｍより大きい場合、上記
はほぼ当てはまる。ＳｉＣ内の吸収損失効果は、図１４
に量的に表され、抽出効率（サファイア上層基板を使用
する装置に対して正規化）が、ＳｉＣ上層基板内の分配
損失（ｃｍ-1で表された吸収係数）の関数としてプロッ
トされる。本結果は、ＬＥＤ装置構造の光線追跡モデル
化により得られる。ＳｉＣの３つの異なる厚さが示され
ている。厚さ約１００μｍのＳｉＣ上層基板に対して、
吸収係数は、３ｃｍ-1未満であるべきであり、より厚い
基板では、吸収係数は、より低くなるはずである。無損
失ＳｉＣ上層基板の場合は、抽出効率の利得は、本発明
中の以前の実施形態に比べて１．２倍より大きい。
【００４５】ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤの光抽出効率を高め
るのに適する多くのＨＲＩ上層基板がある。多くの異な
るポリタイプ（２Ｈ、４Ｈ、６Ｈ、ｃ及びａ軸の両方、
３Ｃ等）におけるＳｉＣに加え、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ｙ
ＡＧ、又は、ＺｎＯ等の他の材料も使用できる。ＨＲＩ
上層基板は、ＩＩＩ族窒化物エピ層の成長基板として働
き、又は、ボンディングや第２成長段階によってＩＩＩ
族窒化物エピ層に取り付けることができる。抽出効率へ
の重要な恩恵は、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造上又は内部
の１つ以上のＨＲＩ上層基板表面においても同様に、光
無作為化表面を設けることにより得ることができる。こ
うした表面は、例えばのこで引くなどにより装置側壁に
自然にもたらされるか、又は、例えばエッチングなどの
他の方法により達成され得る。また、クラメスらが、
「応用物理学レター７５」の２３６５ページから２３６
７ページに記載しているように、上層基板は、改善され
た抽出効率を準備するために形作られてもよい。こうし
た形状の１つは、上層基板の上面がその底面より大きい
表面積を持つような逆転ピラミッド設計である。この実
施形態は、図１５に示されている。
【００４６】サブマウントは、機能性をもたらし、性能
に影響することができる。サブマウントは、ＬＥＤから
の熱除去用の熱経路にあるので、サブマウント材料は、
高い熱伝導率を持つべきである。適切な材料は、Ｓｉ、
ＡｌＮ、及び、ＢｅＯを含む。サブマウントは、熱抵抗
を小さくするために比較的薄くなければならない。例え
ば、Ｓｉサブマウントは、２５０μｍ未満でなければな
らない。Ｓｉは、約１００Ｗ／ｍＫでというその良好な
熱伝導性と、統合電子機器能力とのために、サブマウン
ト材料として魅力的である。サブマウントは、ＬＥＤと
パッケージとの間に電気的分離を準備してもよい。この
場合、陰極と陽極との２つの接続がサブマウントの上面
でパッケージ導線に対して必要である。代わりに、パッ
ケージの電気的分離が不要で、かつサブマウントが伝導
性の場合、１つの電極がサブマウントを通ってパッケー
ジに接触することができる。そのため、サブマウント上
部から対向する導線へ、ただ１つの相互接続のみが必要
となる。サブマウントの上面金属被覆は、下方に伝達す
る光を上方へと、高い効率で再方向付けするためにワイ
ヤボンディング可能でかつ反射的であるべきである。従
って、Ａｇ及びＡｌは、サブマウントの上面金属被覆に
とって適切な選択である。
【００４７】サブマウント上面の反射金属被覆の鏡面性
のほか、サブマウント形状は、ＬＥＤの見かけの光源サ
イズに影響してＬＥＤ発光システムの光学に影響を与え
ることができる。ＬＥＤのほとんどは、ダイから主に横
方向に放出された光を上方へ、そして有用な放射パター
ン内へと再方向付けするために反射カップを必要とす
る。この反射カップが大きい必要があればある程、１次
及びどの２次レンズも大きくなくてはならない。光学の
費用は、必要とする材料の容量に比例するので、反射カ
ップの半径を最小にする必要がある。サブマウントを含
むと、ワイヤボンディング接続に余分な空間が必要なた
め、ＬＥＤダイのサイズが実際上増大する。通常のワイ
ヤボンディング許容範囲は、信頼できるワイヤボンディ
ングのために、ＬＥＤダイを超えて約４００μｍの材料
が延びることを要求する。また、サブマウントウェーハ
のダイシングには、隣接するＬＥＤダイ間に約１００μ
ｍの空間が必要である。これらの許容範囲により、ＬＥ
Ｄダイサイズがかなり実際上増大する結果となる。例え
ば、１ｘ１ｍｍ2のＬＥＤダイは、サブマウントのため
に矩形形状を使用して１．８ｘ１．１ｍｍ2の区域が必
要であろう。このサブマウントの最大の広がりは、
（１．８2＋１．１2）1/2＝２．１１ｍｍに等しい対角
線であり、反射カップの直径の下限を定める。代わり
に、サブマウントが円盤のような形の場合、サブマウン
トの最大の広がりは、僅か１．８ｍｍである。このよう
に、円盤形サブマウントにより、反射カップの直径を非
常に小さくできる。円形裁断は、製造が困難であり得る
ので、円形円盤に近似の他の幾何学形が好ましい。例え
ば、六角形サブマウントは、マルチパス引きのこ（２パ
スの代わりに３パス）により製作でき、正方形や矩形サ
ブマウントより好ましい。これらの考案は、図１６に示
される。ＬＥＤダイより大きなサブマウントの面に仮想
光源を作り出さないため、サブマウントの上の反射金属
被覆は、できるだけ鏡面的であるべきである。ＬＥＤダ
イより大きいサイズの仮想光源は、ＬＥＤの放射パター
ンに有害な影響を及ぼし、修正にはより大きな光学が必
要になるであろう。
【００４８】図６ｂ、図９ｂ、及び、図１２ｂに示すサ
ブマウントにより、ＬＥＤ内の電子機能が可能になる。
ＩＩＩ族窒化物装置は、静電放電（ＥＳＤ）被害を受け
易く、アントルらが米国特許第５，９４１，５０１号に
記載しているように、ＬＥＤに電気的に接続された電力
分巻部材により保護されてもよい。本発明に対しては、
Ｓｉサブマウントを全体ＥＳＤ保護のために回路に内蔵
することができる。この場合、例えばツェナーダイオー
ド等の保護回路は、ＬＥＤダイと並行に接続される。代
わりに、ＬＥＤが交流電源により駆動できるように、背
中合わせのツェナーダイオードは、ＬＥＤダイと並行に
製作されてもよい。例えば、光出力を監視する光検出器
や、電流、及び／又は、電圧を監視する抵抗器など、他
の電子装置もサブマウント内に含まれ得る。こうした装
置は、一体化システムが一定した光出力作動を維持する
ための閉ループフィードバック制御をもたらすことを可
能にするであろう。
【００４９】サブマウントは、図１７ａに示すように、
モノリシック構造の多重直列相互接続発光ダイオードに
基づいたＬＥＤを準備する。組立体には、４つの直列接
続されたＬＥＤがあり、それらの間に溝８０を形成する
ためにＩＩＩ族窒化物材料を除去するエッチングにより
電気的に分離されている。該エッチングは、少なくとも
未ドープ処理のＩＩＩ族窒化物層まで進行する。電気相
互接続は、サブマウント上に広げられた金属トレース８
１により準備される（図示しない）。はんだ金属被覆
は、ダイオードがはんだを介してサブマウント金属トレ
ースに電気的に接続されるように設計されている。得ら
れる装置は、図１７ｂに示す電子回路により表すことが
できる。すなわち、この装置は、同じ活性接続面積の従
来のＬＥＤよりも４倍の電圧、及び、４倍ほど少ない電
流で作動する。例えば、１ｍｍ2の従来のＩＩＩ族窒化
物ＬＥＤは、３．０Ｖ及び３５０ｍＡで作動し得るが、
図１７ａに示すように４つの直列相互接続ＬＥＤに分割
されたこの同じ活性接続面積は、１２．０Ｖ及び８７．
５ｍＡで作動する装置をもたらす。この高電圧及び低電
流作動により、ＬＥＤの電子駆動回路への要求が少なく
なる。事実、電子駆動回路は、高電圧及び高能率で稼働
でき、ＬＥＤ発光システムの全体的な効率を高める。モ
ノリシック装置である本実施形態は、個々のＬＥＤダイ
を直列に取り付ける従来方法よりも好ましい。従来方法
においては、ダイ取付機械が必要とする許容範囲のた
め、ＬＥＤダイが占める総面積が増大する。これによ
り、全ＬＥＤの光源サイズが不必要に増加し、それに続
くＬＥＤシステムの光学サイズも増加する必要がある。
好ましい実施形態において、ダイオードは、電気的分離
のためのトレンチエッチングにより、可能な限り互いに
接近して間隔を置くことができる。トレンチ幅は、本実
施形態のダイオードの充填密度が非常に高くなり得るよ
うに、数ミクロンまで小さくすることができる。図１８
に示すように、４つの１ｍｍ2ＬＥＤダイは、モノリシ
ック的に製作され、１つの上層基板とサブマウントとを
分け合う。サブマウント上の金属トレース８１は、４つ
のＬＥＤを直列で電気的に接続する。各１ｍｍ2ＬＥＤ
は、通常３Ｖで作動するが、図１８に示す４つの直列接
続ＬＥＤモジュールは、１２Ｖで作動する。サブマウン
ト設計は、モジュールの有効光源サイズを減少するため
に六角形である。トレース金属被覆８１は、外部接続の
ためのワイヤボンディングに使用され、例えばＡｇやＡ
ｌなどの反射金属被覆から成る。
【００５０】活性領域層を高反射率ｐ電極の近くに置く
ことにより、光抽出効率を更に高めることができる。活
性領域の中心が反射ｐ電極から材料（約λ／４ｎ）内の
光の１／４波長のおよそ奇数倍の範囲内にとられる場
合、下方及び上方に伝達する光の建設的干渉は、電力を
選択的に上方に放出する放射パターンをもたらす。この
強化は、ＩＩＩ族窒化物・基板に垂直な方向と近い方向
であり、ＩＩＩ族窒化物エピ層内への全内部反射を受け
にくい。代わりに、活性領域を少しｐ電極反射器の近く
に（又は、遠くに）移動することによる共鳴条件の僅か
な非同調化は、全フラックスの全方向における光抽出改
善を最適化するのに好ましい可能性がある。ほとんどの
適用例において最高の効率を得るためには、活性領域と
ｐ電極間との距離は、およそ１／４波長であるべきであ
る。
【００５１】図１９は、ＬＥＤダイ製作の工程フローチ
ャートを示す。段階９１において、ＩＩＩ族窒化物ヘテ
ロ構造は成長基板に堆積される。段階９２において、接
点がＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造に施され、必要であれ
ば、エッチングが施される。ｐ接点は不透明であり、電
気的にｐ型層に接続される一方、ｎ接点は、ｎ型層に電
気的に接続される。随意的な段階９３及び９４におい
て、各々、金属間誘電体が、ｎ接点がｐ接点の間に挿入
されている領域において少なくともｎ接点に亘って施さ
れ、シート反射器が加えられる。段階９５において、随
意的な障壁層は、接点と反射器とをはんだから保護する
ために加えられる。段階９６において、はんだ可能金属
が施される。随意的な段階９７において、はんだ可能金
属は、パターン化される。段階９８において、誘電体
は、はんだ可能区域を形成するために加えられる。段階
９９において、該誘電体は、パターン化される。段階９
７又は段階９９の後に、ＬＥＤダイをサブマウントに取
付ることができる。
【００５２】図２０は、ＬＥＤをサブマウントへ取り付
ける処理のフローチャートを示す。段階１００におい
て、はんだがサブマウントウェーハに施される。段階１
０１において、ＬＥＤダイとサブマウントとの間に接合
部が形成される。随意的な段階１０２において、アンダ
フィルがＬＥＤダイとサブマウントとの間に施される。
段階１０３において、サブマウントウェーハは分離され
る。段階１０４において、ダイとサブマウントとは、パ
ッケージに取り付けられる。代わりに、段階１００、１
０１、及び、１０２の代わりに段階１０５が完了され
る。段階１０５において、はんだがＬＥＤに施される。
段階１０６において、ＬＥＤダイとサブマウントウェー
ハとの間に接合部が形成される。随意的な段階１０７に
おいて、アンダーフィルがＬＥＤダイとサブマウントと
の間に施される。
【図面の簡単な説明】
【図１】サファイア基板を持つ従来技術のＩＩＩ族窒化
物発光装置を示す図である。
【図２】ＳｉＣ基板を持つ別の従来技術のＩＩＩ族窒化
物発光装置を示す図である。
【図３】接合部から周辺への熱抵抗の関数としての最大
順電流を示す図である。
【図４】ｐ電極吸収の関数としてのＬＥＤ光抽出効率を
示す図である。
【図５】従来技術の発光装置に捕らえられた光を示す図
である。
【図６ａ】本発明の実施形態の平面図である。
【図６ｂ】本発明の実施形態の断面図である。
【図７】本発明の実施形態を示す図である。
【図８】本発明の実施形態を示す図である。
【図９】本発明の実施形態を示す図である。
【図１０ａ】本発明の実施形態の平面図である。
【図１０ｂ】本発明の実施形態の断面図である。
【図１１ａ】図１０ａに示す実施形態の断面図である。
【図１１ｂ】図１０ｂに示す実施形態の断面図である。
【図１２ａ】本発明の実施形態の平面図である。
【図１２ｂ】本発明の実施形態の平面図である。
【図１３ａ】本発明の代わりの実施形態を示す図であ
る。
【図１３ｂ】本発明の代わりの実施形態を示す図であ
る。
【図１３ｃ】本発明の代わりの実施形態を示す図であ
る。
【図１４】ＳｉＣ吸収係数の関数としてのＧａＮ／Ｓｉ
Ｃ逆転ＬＥＤの抽出効率を示す図である。
【図１５】上層基板基板のための逆転ピラミッド設計を
持つ実施形態を示す図である。
【図１６】サブマウントの代わりの実施形態を示す図で
ある。
【図１７ａ】本発明による多重直列相互接続発光構造を
示す図であり、該構造の平面図である。
【図１７ｂ】本発明による多重直列相互接続発光構造を
示す図であり、図７ａに対応する概略図である。
【図１８】サブマウントに接続された多重直列相互接続
発光構造を示す図である。
【図１９】ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤを製造するフローチャ
ートを示す図である。
【図２０】ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤをサブマウントに取付
けるフローチャートを示す図である。
【符号の説明】
１０ 上層基板 １１ ＩＩＩ族窒化物層 ２０ ｐ電極金属被覆 ２２ ｎ電極 ４１ 伝導インタフェース ４２ 誘電不活性化層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョナサン ジェイ ウィーラー ジュニ ア アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95129 サン ホセ ノーウォーク ドラ イヴ 4211 アパートメント シーシー 210 (72)発明者 マイケル アール クレイマス アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94041 マウント ヴィュー フロント レーン 550 (72)発明者 ダニエル エイ スタイガーウォルド アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95014 クーパーティノ ロックウッド ドライヴ 10430−ビー (72)発明者 フレッド エイ キッシュ ジュニア アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95138 サン ホセ ニューゲート コー ト 5815 (72)発明者 プラディープ ライコマー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95118 サン ホセ ノーマンデイル ド ライヴ 4150

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 成長構造上にＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造
    を堆積する段階と、 各々の接触層と電気的に接続されたｐ及びｎ電極を形成
    する段階と、 障壁層を加える段階と、 ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造を調合する段階と、 サブマウントを装置に取り付ける段階と、を含むことを
    特徴とする、逆転発光装置を製造する方法。
  2. 【請求項２】 前記サブマウントを取り付ける段階は、 サブマウントウェーハにはんだを施す段階と、 前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造と前記サブマウントウェ
    ーハとの間に接合部を形成する段階と、 前記サブマウントウェーハをダイシングする段階と、 前記サブマウントをパッケージに取り付ける段階と、を
    含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記サブマウントを取り付ける段階は、
    前記サブマウントウェーハをダイシングする段階の前
    に、前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造と前記サブマウント
    ウェーハとの間にアンダフィルを施こす段階を更に含む
    ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記接合部を形成する段階は、前記ＩＩ
    Ｉ族窒化物ヘテロ構造と前記サブマウントとの間に共融
    接合を形成する段階を含むことを特徴とする請求項２に
    記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記接合部を形成する段階は、前記ＩＩ
    Ｉ族窒化物ヘテロ構造と前記サブマウントとの間にはん
    だ接合部を形成する段階を含むことを特徴とする請求項
    ２に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記取り付ける段階は、 前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造にはんだを施す段階と、 前記サブマウントウェーハをダイシングする段階と、 前記サブマウントを前記パッケージに取り付ける段階
    と、 前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造と前記サブマウントとの
    間に接合部を形成する段階と、を含むことを特徴とする
    請求項１に記載の逆転発光装置を製造する方法。
  7. 【請求項７】 前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造とサブマ
    ウントとの間にアンダフィルを施こす段階を更に含むこ
    とを特徴とする請求項６に記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記接合部を形成する段階は、前記ＩＩ
    Ｉ族窒化物ヘテロ構造と前記サブマウントとの間に共融
    接合を形成する段階を含むことを特徴とする請求項６に
    記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記接合部を形成する段階は、前記ＩＩ
    Ｉ族窒化物ヘテロ構造と前記サブマウントとの間にはん
    だ接合を形成する段階を含むことを特徴とする請求項６
    に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記ｐ及びｎ電極を電気的に分離する
    ために金属間誘電体を堆積する段階と、 シート反射器を加える段階と、を更に含み、 前記金属間誘電体を堆積する段階、及び、前記シート反
    射器を加える段階は、前記障壁層を加える段階に先行す
    る、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造を調合
    する段階は、 前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造にはんだ可能金属を加え
    る段階と、 前記はんだ可能金属をパターン化する段階と、を含むこ
    とを特徴とする請求項１に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 誘電体を加える段階と、 前記誘電体をパターン化する段階と、を更に含むことを
    特徴とする請求項１１に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造を調合
    する段階は、 前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造にはんだ可能金属を加え
    る段階と、 誘電体を加える段階と、 前記誘電体をパターン化する段階と、を含むことを特徴
    とする請求項１に記載の方法。
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