JP2004096062A - Semiconductor light emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
【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、特に詳細には、チップ状態の半導体発光素子がサブマウントを介して放熱ブロック上に実装されてなる半導体発光装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、例えば非特許文献1に示されるように、400nm近傍の波長のレーザービームを発する窒化物系化合物半導体レーザーが提供されている。
【0003】
この窒化物系化合物半導体レーザー等の半導体発光素子を実装する構造の一つとして、例えば特許文献1や特許文献2に示されるように、チップ状態の半導体発光素子をサブマウントに半田等で接着し、さらにこのサブマウントを放熱ブロック(キャリア、ステム等)に接着する、という構造が知られている。
【0004】
また特許文献3には、発熱の大きい窒化物系化合物半導体発光素子をサブマウント等の支持体に接着する構造において、該素子からの放熱を良好にするために、絶縁性材料ではなく、それよりも熱伝導性の高い金属性材料で支持体を形成し、その支持体に半導体発光素子をジャンクションダウン(フェースダウン)構造で接着するものが開示されている。
【0005】
【特許文献1】
特開平11−346029号公報
【0006】
【特許文献2】
特開平5−299699号公報
【0007】
【特許文献3】
特開平9−223846号公報
【0008】
【非特許文献1】
ジャパニーズ・アプライド・フィジックス・レターズ
(Japanese Applied physics Letters), Vol.37,(1998),p.L1020
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上記の実装構造を採用する場合は、半田接着時の熱歪によって素子が劣化するとう問題が認められている。そこで従来、上記特許文献1に記載されているように、サブマウントと放熱ブロックの各材料として熱膨張係数の差が小さいものを選択使用して、それら両者を半田接着する際の熱歪による応力を半導体発光素子に伝え難くした構造が提案されている。
【0010】
また上記特許文献2に記載されているように、サブマウントの材料として半導体発光素子と熱膨張係数の差が小さいものを選択使用することにより、それら両者を半田接着する際に熱歪によって大きな応力が半導体発光素子に作用することを防止した構造も提案されている。
【0011】
ところで、赤〜赤外の波長領域で発振する半導体レーザーの電気−光変換効率が40〜50%程度であるのに対し、窒化物系化合物半導体レーザーのそれは一般に約15%以下と低く、発熱量もかなり大である。そこで、この窒化物系化合物半導体レーザーを特許文献3に記載されているような構造で実装する場合は、サブマウントや放熱ブロックを熱伝導率の高い材料から形成する必要がある。このうように熱伝導率が高く、そして窒化物系化合物半導体材料と熱膨張係数の差が小さい材料としてCuWが挙げられるが、このCuWは加工性が良くないため、それで形成したサブマウントや放熱ブロックは高価なものになってしまう。
【0012】
なお、サブマウントの厚さを大きく設定して歪発生を抑える手法も知られているが、そのようにした場合は熱伝導性が低下するので、半導体レーザー素子の特性劣化を招きやすい。
【0013】
他方、チップ状態の半導体発光素子とサブマウント、あるいはこのサブマウントを放熱ブロックとを接着する半田として低融点半田を用いて、上記熱歪による素子劣化を防止することも考えられている。しかし、そのような低融点半田を用いた場合は、半導体発光素子の発光点位置が経時的に変動することがあり、特に複数の半導体発光素子からの光ビームを例えば合波用光学系に結合させるような構成においては、この発光点位置の経時的変動によって結合効率が低下してしまうことがある。
【0014】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、半導体発光素子が発する熱を良好に放熱することができ、発光点位置の経時的変動を防止可能で、そして安価に作製可能な半導体発光装置を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体発光装置は、
チップ状態の窒化物系化合物半導体発光素子が、サブマウントを介してCu(銅)あるいはCu合金製放熱ブロック上に実装されてなる半導体発光装置において、
前記サブマウントが、熱膨張係数(線膨張係数)が3.5〜6.0×10−6/℃である材料を用いて200〜400μmの厚さに形成され、
このサブマウントに対して前記半導体発光素子が、両者の接着面内で複数に分割された、AuSnを主成分とする半田によりジャンクションダウン構造で分割接着され、
少なくとも前記半導体発光素子の発光部の直下に、前記半田を分割する溝が存在していることを特徴とするものである。
【0016】
なお上記のジャンクションダウン構造とは、前記特許文献3にも記載されているように、基板側ではなく、素子形成面側(pn接合側)を熱伝導率が大きい放熱用マウントに固定する構造である。
【0017】
また、上記AuSnを主成分とする半田の層の一面側あるいは両面側に、半田接着等のためのメタライズ層が形成される場合は、そのメタライズ層も半田とともに複数に分割するのが望ましい。
【0018】
ここで、上記AuSnを主成分とする半田の層は、窒化物系化合物半導体発光素子の電極より小サイズで、また厚さも1〜3μm程度に薄く形成され、そして接着時の合金反応により組成が変化して融点が変わるものであることが望ましい。
【0019】
また上記サブマウントはSiCまたはAlNから形成されるのが望ましい。
【0020】
また本発明の半導体発光装置においては、サブマウントとCuあるいはCu合金製放熱ブロックもAuSnを主成分とする半田によって接着されていることが望ましい。
【0021】
さらに本発明は、発光部がサブマウント側にリッジ状に突出した形状となっている窒化物系化合物半導体発光素子を用いる半導体発光装置に適用されることが好ましい。
【0022】
【発明の効果】
本発明の半導体発光装置は、コストが低く熱伝導性も高いCuあるいはCu合金から形成された放熱ブロックを用いているので、半導体発光素子が発する熱を良好に放熱することができ、そして安価に作製可能となる。
【0023】
また本発明の半導体発光装置は、サブマウントに対して半導体発光素子がジャンクションダウン構造で固定されていることにより、半導体発光素子の基板側をサブマウントに固定する場合と比べて該素子の発光部がサブマウントに、ひいては放熱ブロックに対してより近接して位置するので、この点からも良好に放熱がなされるものとなる。
【0024】
またAuSnを主成分とする半田は経時位置変化特性に優れているので、それにより半導体発光素子とサブマウントとが接着されている本発明の半導体発光装置は、半導体発光素子の発光点位置の経時的変動を効果的に抑制できるものとなる。特に、CuあるいはCu合金製放熱ブロックとサブマウントも、このAuSnを主成分とする半田によって接着されている場合は、上記の効果がより高いものとなる。
【0025】
さらに本発明の半導体発光装置においては、サブマウントが、熱膨張係数が3.5〜6.0×10−6/℃である材料を用いて200〜400μmの厚さに形成されていることにより、半田接着時の熱歪によって半導体発光素子が劣化することも防止可能となる。その理由については、後に示す本発明の実施の形態に沿って詳しく説明する。
【0026】
なおAuSnを主成分とする半田は、上述の通り発光点位置の経時的変動を抑制できるものであるが、その一方、熱膨張係数が18×10−6/℃と比較的大きいので、熱膨張係数が上記程度のサブマウントに該半田を用いて半導体発光素子を実装する際に、熱歪によって素子にダメージを与える可能性がある。しかし本発明の半導体発光装置においては、このAuSnを主成分とする半田が、サブマウントと半導体発光素子の両者の接着面内で複数に分割されているので、この接着部で発生する応力を小さく抑えることも可能となっている。
【0027】
しかも、このように半田を分割する溝が半導体発光素子の発光部の直下に存在しているから、発光部が直接サブマウントに接着されることがなく、そのため、応力低減の効果がより一層高いものとなる。
【0028】
また、特に上記発光部がサブマウント側に突出した形状とされている場合には、上記溝がこの発光部の直下に存在していることにより、突出した発光部が半田やメタライズ層と干渉することが避けられるので、実装も容易となる。なお、半導体発光素子のサブマウントに接着される側の表面に電極層が形成され、この電極層が発光部の表面も覆うように形成される場合は、勿論、この電極層も含めた発光部の直下に上記溝が存在する構成とする。
【0029】
ここで、上記のように発光部が直接サブマウントに接着されない構造を採用すると、発光部が直接サブマウントに接着されている場合と比べて放熱性が損なわれる可能性がある。しかし、AuSnを主成分とする半田の層を半導体発光素子の電極より小サイズで、また厚さも1〜3μm程度に薄く形成すれば、実装時の半導体発光素子の位置ずれが低減されことにより実装位置精度を誤差±1μm程度と高精度に制御可能となるので、上記溝をできるだけ狭くして半導体発光素子とサブマウントとの接触面積をより大きく確保し、放熱性の低下が殆ど無いようにすることができる。
【0030】
そして、特に上記AuSnを主成分とする半田として、接着時の合金反応により組成が変化して融点が変わるものを使用する場合は、半導体発光素子をサブマウントに接着後、このサブマウントを放熱ブロックに接着する際に、半導体発光素子とサブマウントとを接着している半田が融解してしまうようなことも防止可能となる。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【0032】
図1は、本発明の一実施の形態による半導体発光装置10の正面形状を示すものである。図示されるようにこの半導体発光装置10は、例えばGaN系半導体レーザー素子等の窒化物系化合物半導体レーザー素子1がチップ状態で、AlNサブマウント2を介してCu放熱ブロック3上に実装されてなるものである。
【0033】
この実装は、詳しくは下記の通りにしてなされる。まず図2に示すように、AlNサブマウント2の下表面にAu/Pt/Tiメタライズ層4が形成され、またその上表面には電極配線機能層としてのAu/Pt/Tiメタライズ層5および、濡れ改善層および高さ調整層としての段差を有するAu/Pt/Tiメタライズ層6が形成される。ここで、本発明でいうところのサブマウントの厚さは、上記各層4〜6は含まない厚さ、つまり図2のd寸法である。
【0034】
上記のように段差を有するAu/Pt/Tiメタライズ層6は、例えば一様に厚く該メタライズ層6を形成した後、低くする部分をイオンミリングのようなドライプロセスあるいはエッチャントによるウェットプロセスによって除去する方法や、さらには、低くする方の層の高さ分だけメタライズした後、低くする部分をマスキングした上で再度メタライズする方法等を適用して形成することができる。
【0035】
次いでAu/Pt/Tiメタライズ層6の高い部分と低い部分に、それぞれパッド状の共晶点AuSn半田7,7を配置する。これらのパッド状共晶点AuSn半田7,7は例えば150×500μmの大きさに形成され、互いに例えば10μmの間隔を置いて配置される。そしてこれらの共晶点AuSn半田7,7の上に、一例として概略400×600×100μmのサイズで、表面に電極層1a、1bが形成されているチップ状窒化物系化合物半導体レーザー素子1を配置し、330℃に加熱して共晶点AuSn半田7,7を融解させることにより、該窒化物系化合物半導体レーザー素子1を電極層1a、1b側からAlNサブマウント2に接着固定する。
【0036】
次いで、上表面にAu/Niメッキ層8および濡れ改善層としてのAu/Pt/Tiメタライズ層9が形成されているCu放熱ブロック3の上に共晶点AuSn半田11を配置し、その上にAu/Pt/Tiメタライズ層4を下にしてAlNサブマウント2を配置し、310℃に加熱して共晶点AuSn半田11を融解させることにより、AlNサブマウント2をCu放熱ブロック3に接着固定する。以上により、窒化物系化合物半導体レーザー素子1がAlNサブマウント2を介してCu放熱ブロック3に実装される。
【0037】
なおAuSn半田の融点はAuとSnとの組成比に応じて変化する。そこで、AlNサブマウント2のAu/Pt/Tiメタライズ層6および4の膜厚を互いに独立に制御するとともに、共晶点AuSn半田7および11の融解時の温度を制御することにより、共晶点AuSn半田7が融解した後の状態、共晶点AuSn半田11が融解した後の状態における各Au組成比を共晶点組成より数%程度高い組成にすることで、共晶点AuSn半田7および11の融解後の融点に差を持たせることができる。
【0038】
このような融点差を生じさせることにより、AlNサブマウント2に窒化物系化合物半導体レーザー素子1を接着する時と、AlNサブマウント2をCu放熱ブロック3に接着する時とで同じ共晶点AuSn半田を用いても、互いに融解温度差を付ければ、(後者の接着時の方が低い)後者の接着時に共晶点AuSn半田7が融解することなく実装可能となる。そうであれば、発光点位置が経時的に変動しやすい低融点半田を用いなくて済むので、発光点位置変動を抑える上で有利となる。
【0039】
また本実施の形態において窒化物系化合物半導体レーザー素子1は、Al2O3からなる基板側が上に位置する向きに配置され、素子形成面側(pn接合側)がCu放熱ブロック3に固定されて、いわゆるジャンクションダウン構造で実装がなされる。
【0040】
またこの構造において、窒化物系化合物半導体レーザー素子1の発光点は、図1においてQで示す、AlNサブマウント2側に突出したリッジ部内にある。そして共晶点AuSn半田7、Au/Pt/Tiメタライズ層6およびAu/Pt/Tiメタライズ層5には、それらを分割する溝12が形成され、窒化物系化合物半導体レーザー素子1はその発光部の直下に上記溝12が位置するように接着される。つまり、窒化物系化合物半導体レーザー素子1の発光部は直接サブマウント側に接着しないので、さらなる応力低減が実現される。また上記の溝12が形成されていれば、窒化物系化合物半導体レーザー素子1の発光端面(図1の紙面と平行な端面である)がAlNサブマウント2の端面より内側に位置する場合でも、発光ビームがAlNサブマウント2によってケラレることを防止できる。
【0041】
なお窒化物系化合物半導体レーザー素子1のn側電極を、Au/Pt/Tiメタライズ層6の高い部分に対面する位置に形成するとともに、Au/Pt/Tiメタライズ層6の高い部分と低い部分とを互いに絶縁された状態に形成して、それらの両部分にそれぞれn側電極、p側電極を導通させるようにしてもよい。
【0042】
なお、電極配線機能を持たせるAu/Pt/Tiメタライズ層5以外のメタライズ層4,6および9は、Au/Pt/Tiに代えてPt/Tiから形成してもよい。
【0043】
本実施の形態の半導体発光装置10は、コストが低く熱伝導性も高いCuから形成された放熱ブロック3を用いているので、窒化物系化合物半導体レーザー素子1が発する熱を良好に放熱することができ、そして安価に作製可能となる。
【0044】
また本実施の形態の半導体発光装置10は、AlNサブマウント2に対して窒化物系化合物半導体レーザー素子1がジャンクションダウン構造で固定されていることにより、窒化物系化合物半導体レーザー素子1の基板側をAlNサブマウント2に固定する場合と比べて該素子1の発光部がサブマウント2に、ひいては放熱ブロック3に対してより近接して位置するので、この点からも良好に放熱がなされるものとなる。
【0045】
またAuSn共晶点半田7は経時位置変化特性に優れているので、それにより窒化物系化合物半導体レーザー素子1とAlNサブマウント2とが接着されている本実施の形態の半導体発光装置10は、窒化物系化合物半導体レーザー素子1の発光点位置の経時的変動を効果的に防止できるものとなる。本実施の形態では特に、Cu放熱ブロック3とAlNサブマウント2もAuSn共晶点半田11によって接着されているので、上記の効果がより高いものとなる。
【0046】
なおAuSn共晶点半田7は、熱膨張係数が18×10−6/℃と比較的大きいので、熱膨張係数が後述の通り4.5×10−6/℃であるAlNサブマウント2に該半田7を用いて窒化物系化合物半導体レーザー素子1を実装する際に、熱歪によってこの素子1にダメージを与える可能性がある。しかし本実施の形態の半導体発光装置10においては、この共晶点AuSn半田7並びにAu/Pt/Tiメタライズ層5および6が溝12によって両者の接着面内で複数に分割されているので、この接着部で発生する応力を小さく抑えることも可能となっている。
【0047】
しかも、上記溝12が発光部の直下に存在しているから、発光部が直接AlNサブマウント2に接着されることがなく、そのため、応力低減の効果がより一層高いものとなる。
【0048】
また本実施の形態では、特に上記発光部を含むリッジ部QがAlNサブマウント2側に突出した状態となっているが、溝12がこの発光部の直下に存在していることにより、突出した発光部が共晶点AuSn半田7並びにAu/Pt/Tiメタライズ層5および6と干渉することが避けられるので、実装も容易となる。
【0049】
ここで、上記のように発光部が直接AlNサブマウント2に接着されない構造を採用すると、発光部が直接サブマウントに接着されている場合と比べて放熱性が損なわれる可能性がある。しかし、共晶点AuSn半田7の層を窒化物系化合物半導体レーザー素子1の電極層1a、1bより小サイズで、また厚さも1〜3μm程度に薄く形成すれば、実装時の窒化物系化合物半導体レーザー素子1の位置ずれが低減されことにより実装位置精度を誤差±1μm程度と高精度に制御可能となるので、上記溝12をできるだけ狭くして素子1とAlNサブマウント2との接触面積をより大きく確保し、放熱性の低下が殆ど無いようにすることができる。
【0050】
図3のaは、本実施の形態の半導体発光装置10を−40〜80℃の条件下で経時試験にかけた際の、発光点位置の上下方向移動量を測定した結果を示すものである。なお同図の横軸は、半田材質による発光点位置移動量の正規確率分布(%)を示し、縦軸が発光点位置の移動量を示している。また、AuSn共晶点半田7に代えて低融点半田を用いた場合の発光点位置の移動量を、同図中にbで示してある。ここに示されている通り、本実施の形態の半導体発光装置10では、低融点半田を用いたものと比較して、発光点位置移動量が極めて少なく抑えられている。
【0051】
次に図4は、本実施の形態の半導体発光装置10を実装した際に熱歪によって窒化物系化合物半導体レーザー素子1の発光点に作用する応力が、サブマウントの熱膨張係数に応じてどのように変化するかを、計算機によるシミュレーションで求めた結果を示すものである。このシミュレーションに際しては、AlNサブマウント2、Cu放熱ブロック3、Au/Pt/Tiメタライズ層4、5、6および9、Au/Niメッキ層8、共晶点AuSn半田7および11に加えて、窒化物系化合物半導体レーザー素子1の基板、下部クラッド層、発光層、上部発光層、絶縁膜の全てについて厚さ、熱膨張係数(AlNサブマウント2の熱膨張係数は除く)およびヤング率を求め、それらの数値を使用した。
【0052】
図4に示される通り、サブマウントの熱膨張係数が3.5〜6.0×10−6/℃の範囲にある場合は上記応力が約32MPa以下と、窒化物系化合物半導体レーザー素子1を実使用する上で特に問題の無い範囲に抑えられる。この点に鑑みて本発明では、サブマウントを熱膨張係数が3.5〜6.0×10−6/℃の範囲にある材料から形成するものである。
【0053】
また、サブマウントの熱膨張係数が4.0〜5.4×10−6/℃の範囲にあれば、上記応力は約29.5MPa以下となるのでより好ましく、サブマウントの熱膨張係数が4.4〜4.8×10−6/℃の範囲にあれば、上記応力はほぼ28MPaとなるのでさらに好ましい。本実施の形態でサブマウントに用いているAlNの熱膨張係数は4.5×10−6/℃であり、上記の最も好ましい範囲にある。
【0054】
なお、放熱ブロック3の材料であるCuの熱膨張係数は17×10−6/℃であり、それに対して窒化物系化合物半導体レーザー素子1の基板材料であるGaNの熱膨張係数は5.6×10−6/℃と小さいので、それをCu放熱ブロック3の上に直接実装すると、熱膨張差により大きな熱歪が発生して素子特性が著しく劣化する。そこでそのような直接実装はせずに、GaNに近い熱膨張係数4.5×10−6/℃を有するAlNからなり、後述の通りの厚さを有するサブマウント2に窒化物系化合物半導体レーザー素子1を固定し、このAlNサブマウント2をCu放熱ブロック3に固定することにより、該素子1の特性劣化を防止可能となっている。
【0055】
また図5は、本実施の形態の半導体発光装置10を実装した際に熱歪によって窒化物系化合物半導体レーザー素子1の発光点に作用する応力が、該AlNサブマウント2の厚さに応じてどのように変化するかを、同様に計算機によるシミュレーションで求めた結果を示すものである。このシミュレーションに際しても、AlNサブマウント2、Cu放熱ブロック3、Au/Pt/Tiメタライズ層4、5、6および9、Au/Niメッキ層8、共晶点AuSn半田7および11に加えて、窒化物系化合物半導体レーザー素子1の基板、下部クラッド層、発光層、上部発光層、絶縁膜の全てについて厚さ、熱膨張係数およびヤング率を求め、それらの数値を使用した。
【0056】
図5に示される通り、AlNサブマウント2の厚さが200〜400μmの範囲にある場合は上記応力が約34MPa以下と、窒化物系化合物半導体レーザー素子1を実使用する上で特に問題の無い範囲に抑えられる。この値を超える応力がAlNサブマウント2に作用すると、そこに応力が発生しやすくなる。この点に鑑みて本発明では、サブマウントの厚さを200〜400μmの範囲に設定するものである。また、AlNサブマウント2の厚さが250〜350μmの範囲にあれば、上記応力は約32MPa以下となるのでより好ましい。
【0057】
なおAlNサブマウント2は、Cu放熱ブロック3から大きな圧縮応力を受ける。AlNサブマウント2は窒化物系化合物半導体レーザー素子1からの圧縮応力も受けるが、それは一般にはCu放熱ブロック3から受ける圧縮応力よりも小さいものとなっている。
【0058】
また、窒化物系化合物半導体レーザー素子1が上述のようにして接着されたAlNサブマウント2を、Cu放熱ブロック3の上に1列に並べて接着することにより、複数の窒化物系化合物半導体レーザー素子1が並設されてなるアレイレーザー装置を形成することもできる。図6には、そのようなアレイレーザー装置の一例として、窒化物系化合物半導体レーザー素子1が9個並設されてなるものを示す。
【0059】
このようなアレイレーザー装置において各窒化物系化合物半導体レーザー素子1から射出された光ビームを例えば合波用光学系に結合させるような構成においては、発光点位置の経時的変動が有ると、それによって結合効率が低下してしまう。そこで、発光点位置の経時的変動を前述の通りにして抑制できる本発明の構成をこの種のアレイレーザー装置に適用すれば、結合効率が低下することを防止できる。
【0060】
また本発明は、窒化物系化合物半導体発光素子として窒化物系化合物半導体レーザーを用いる場合に限らず、発光ダイオード(LED)を含むその他の窒化物系化合物半導体発光素子を用いる場合にも同様に適用可能である。さらに、銅のみからなる前述の放熱ブロック3に代えて、テルル銅からなる放熱ブロック等を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態による半導体発光装置を示す正面図
【図2】上記半導体発光装置の一部を示す斜視図
【図3】上記半導体発光装置における発光点移動量を、従来の半導体発光装置における発光点移動量と比較して示すグラフ
【図4】上記半導体発光装置におけるサブマウントの熱膨張係数と、発光点に作用する応力との関係を示すグラフ
【図5】上記半導体発光装置におけるサブマウントの厚さと、発光点に作用する応力との関係を示すグラフ
【図6】本発明によるアレイレーザー装置の一例を示す正面図
【符号の説明】
1 窒化物系化合物半導体レーザー素子
2 AlNサブマウント
3 Cu放熱ブロック
4、5、6、9 Au/Pt/Tiメタライズ層
8 Au/Niメッキ層
7、11 共晶点AuSn半田
10 半導体発光装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device, and more particularly to a semiconductor light emitting device in which a semiconductor light emitting element in a chip state is mounted on a heat dissipation block via a submount.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, for example, as shown in Non-Patent
[0003]
As one of structures for mounting a semiconductor light emitting device such as a nitride-based compound semiconductor laser, as shown in
[0004]
Further, in
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-346029
[Patent Document 2]
JP-A-5-299699 [0007]
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-223846
[Non-Patent Document 1]
Japanese Applied Physics Letters, Vol. 37, (1998), p. L1020
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the case of adopting the above mounting structure, there is a problem that the element is deteriorated due to thermal strain at the time of solder bonding. Therefore, conventionally, as described in
[0010]
Further, as described in
[0011]
By the way, the electro-optical conversion efficiency of a semiconductor laser that oscillates in a red to infrared wavelength region is about 40 to 50%, whereas that of a nitride-based compound semiconductor laser is generally as low as about 15% or less. Is also quite large. Therefore, when mounting this nitride-based compound semiconductor laser with a structure as described in
[0012]
A technique for suppressing the generation of strain by setting the thickness of the submount to be large is also known, but in such a case, the thermal conductivity is lowered, so that the characteristics of the semiconductor laser element are easily deteriorated.
[0013]
On the other hand, it is also considered to use a low-melting-point solder as solder for bonding the semiconductor light emitting element in a chip state and the submount or the submount to the heat dissipation block to prevent the element deterioration due to the thermal strain. However, when such a low melting point solder is used, the light emitting point position of the semiconductor light emitting element may fluctuate with time, and in particular, the light beams from a plurality of semiconductor light emitting elements are coupled to, for example, a multiplexing optical system. In such a configuration, the coupling efficiency may decrease due to the temporal variation of the light emitting point position.
[0014]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and can efficiently dissipate heat generated by a semiconductor light-emitting element, can prevent variation with time of a light-emitting point position, and can be manufactured at low cost. An object is to provide an apparatus.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor light-emitting device according to the present invention comprises:
In a semiconductor light emitting device in which a nitride compound semiconductor light emitting element in a chip state is mounted on a heat dissipation block made of Cu (copper) or Cu alloy via a submount,
The submount is formed to a thickness of 200 to 400 μm using a material having a thermal expansion coefficient (linear expansion coefficient) of 3.5 to 6.0 × 10 −6 / ° C.,
The semiconductor light-emitting element is divided and bonded to the submount in a junction-down structure with a solder composed mainly of AuSn, which is divided into a plurality of parts within the bonding surface of both.
A groove for dividing the solder exists at least immediately below the light emitting portion of the semiconductor light emitting element.
[0016]
The junction down structure is a structure in which the element formation surface side (pn junction side) is fixed to a heat dissipation mount having a high thermal conductivity, not the substrate side, as described in
[0017]
Further, when a metallized layer for solder bonding or the like is formed on one side or both sides of the solder layer containing AuSn as a main component, the metallized layer is preferably divided into a plurality of layers together with the solder.
[0018]
Here, the solder layer mainly composed of AuSn is formed to be smaller than the electrode of the nitride-based compound semiconductor light-emitting element and to have a thickness of about 1 to 3 μm, and has a composition due to an alloy reaction during bonding. It is desirable for the melting point to change.
[0019]
The submount is preferably made of SiC or AlN.
[0020]
In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is desirable that the submount and the Cu or Cu alloy heat dissipating block are also bonded by solder containing AuSn as a main component.
[0021]
Furthermore, the present invention is preferably applied to a semiconductor light-emitting device using a nitride-based compound semiconductor light-emitting element having a light-emitting portion protruding in a ridge shape on the submount side.
[0022]
【The invention's effect】
Since the semiconductor light emitting device of the present invention uses a heat dissipation block formed of Cu or Cu alloy with low cost and high thermal conductivity, it can dissipate the heat generated by the semiconductor light emitting element satisfactorily and at low cost. It can be produced.
[0023]
The semiconductor light-emitting device of the present invention has a light-emitting portion of the semiconductor light-emitting element as compared with the case where the substrate side of the semiconductor light-emitting element is fixed to the submount by fixing the semiconductor light-emitting element to the submount with a junction down structure. Is located closer to the submount, and thus closer to the heat dissipation block, the heat can be well radiated from this point.
[0024]
Also, since the solder containing AuSn as a main component has excellent temporal position change characteristics, the semiconductor light-emitting device of the present invention in which the semiconductor light-emitting element and the submount are bonded to each other has a time-dependent emission point position of the semiconductor light-emitting element. Fluctuations can be effectively suppressed. In particular, when the heat sink block made of Cu or Cu alloy and the submount are also bonded by the solder having AuSn as a main component, the above-described effect becomes higher.
[0025]
Furthermore, in the semiconductor light emitting device of the present invention, the submount is formed to a thickness of 200 to 400 μm using a material having a thermal expansion coefficient of 3.5 to 6.0 × 10 −6 / ° C. It is also possible to prevent the semiconductor light emitting element from deteriorating due to thermal strain during solder bonding. The reason will be described in detail along the embodiment of the present invention described later.
[0026]
Note that the solder containing AuSn as a main component can suppress the temporal variation of the light emitting point position as described above. On the other hand, the thermal expansion coefficient is relatively large as 18 × 10 −6 / ° C. When a semiconductor light emitting device is mounted on the submount having the above-described coefficient using the solder, the device may be damaged by thermal strain. However, in the semiconductor light emitting device of the present invention, the solder mainly composed of AuSn is divided into a plurality of parts within the bonding surface between the submount and the semiconductor light emitting element, so that the stress generated at the bonding portion is reduced. It can also be suppressed.
[0027]
In addition, since the groove for dividing the solder exists directly under the light emitting portion of the semiconductor light emitting element, the light emitting portion is not directly bonded to the submount, and therefore the effect of reducing the stress is further enhanced. It will be a thing.
[0028]
In particular, when the light emitting part has a shape protruding to the submount side, the protruding light emitting part interferes with the solder or the metallized layer because the groove exists immediately below the light emitting part. This makes it easy to implement. In the case where an electrode layer is formed on the surface of the semiconductor light emitting device that is bonded to the submount, and this electrode layer is formed so as to cover the surface of the light emitting portion, of course, the light emitting portion including this electrode layer is also included. It is assumed that the groove is present immediately below.
[0029]
Here, if a structure in which the light emitting portion is not directly bonded to the submount as described above is adopted, heat dissipation may be impaired as compared with the case where the light emitting portion is directly bonded to the submount. However, if the solder layer mainly composed of AuSn is formed to be smaller than the electrode of the semiconductor light-emitting element and the thickness is reduced to about 1 to 3 μm, the position shift of the semiconductor light-emitting element at the time of mounting is reduced, so that mounting is possible. Since the positional accuracy can be controlled with a high accuracy of about ± 1 μm, the groove is made as narrow as possible to ensure a larger contact area between the semiconductor light emitting element and the submount so that there is almost no decrease in heat dissipation. be able to.
[0030]
In particular, when using a solder whose main component is AuSn and whose melting point changes due to an alloy reaction during bonding, after bonding the semiconductor light emitting element to the submount, the submount is attached to the heat dissipation block. It is possible to prevent the solder bonding the semiconductor light emitting element and the submount from being melted when bonded to each other.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0032]
FIG. 1 shows a front shape of a semiconductor
[0033]
This implementation is done in detail as follows. First, as shown in FIG. 2, an Au / Pt / Ti metallized layer 4 is formed on the lower surface of the
[0034]
As described above, the Au / Pt / Ti metallized
[0035]
Next, pad-like eutectic point AuSn solders 7 and 7 are disposed on the high and low portions of the Au / Pt / Ti metallized
[0036]
Next, an eutectic
[0037]
The melting point of AuSn solder changes according to the composition ratio of Au and Sn. Therefore, by controlling the film thicknesses of the Au / Pt / Ti metallized layers 6 and 4 of the
[0038]
By causing such a melting point difference, the same eutectic point AuSn is used when the nitride compound
[0039]
Further, in the present embodiment, the nitride-based compound
[0040]
Further, in this structure, the light emitting point of the nitride-based compound
[0041]
The n-side electrode of the nitride-based compound
[0042]
The metallized layers 4, 6 and 9 other than the Au / Pt / Ti metallized
[0043]
Since the semiconductor
[0044]
Further, in the semiconductor
[0045]
In addition, since the AuSn
[0046]
Since the AuSn
[0047]
In addition, since the
[0048]
Further, in the present embodiment, the ridge portion Q including the light emitting portion is in a state of protruding to the
[0049]
Here, if a structure in which the light emitting part is not directly bonded to the
[0050]
FIG. 3A shows the result of measuring the amount of vertical movement of the light emitting point position when the semiconductor
[0051]
Next, FIG. 4 shows which stress acting on the light emitting point of the nitride-based compound
[0052]
As shown in FIG. 4, when the thermal expansion coefficient of the submount is in the range of 3.5 to 6.0 × 10 −6 / ° C., the stress is about 32 MPa or less, and the nitride-based compound
[0053]
Further, if the thermal expansion coefficient of the submount is in the range of 4.0 to 5.4 × 10 −6 / ° C., the stress is more preferably about 29.5 MPa or less, and the thermal expansion coefficient of the submount is 4 If it is in the range of .4 to 4.8.times.10.sup.- 6 / .degree. C., the stress is approximately 28 MPa, which is more preferable. The thermal expansion coefficient of AlN used for the submount in the present embodiment is 4.5 × 10 −6 / ° C., which is in the most preferable range.
[0054]
The thermal expansion coefficient of Cu, which is the material of the
[0055]
Further, FIG. 5 shows that the stress acting on the light emitting point of the nitride-based compound
[0056]
As shown in FIG. 5, when the thickness of the
[0057]
The
[0058]
In addition, the AlN submount 2 to which the nitride-based compound
[0059]
In such an array laser apparatus, in a configuration in which the light beam emitted from each nitride-based compound
[0060]
The present invention is not limited to the case of using a nitride-based compound semiconductor laser as the nitride-based compound semiconductor light-emitting device, but is similarly applied to the case of using other nitride-based compound semiconductor light-emitting devices including a light emitting diode (LED). Is possible. Furthermore, instead of the above-described
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view showing a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing a part of the semiconductor light emitting device. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the thermal expansion coefficient of a submount in the semiconductor light emitting device and the stress acting on the light emitting point. FIG. FIG. 6 is a front view showing an example of an array laser device according to the present invention. FIG. 6 is a front view showing a relationship between the thickness of a submount in a light emitting device and stress acting on a light emitting point.
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記サブマウントが、熱膨張係数が3.5〜6.0×10−6/℃である材料を用いて200〜400μmの厚さに形成され、
このサブマウントに対して前記半導体発光素子が、両者の接着面内で複数に分割された、AuSnを主成分とする半田によりジャンクションダウン構造で分割接着され、
少なくとも前記半導体発光素子の発光部の直下に、前記半田を分割する溝が存在していることを特徴とする半導体発光装置。In a semiconductor light emitting device in which a nitride compound semiconductor light emitting element in a chip state is mounted on a heat dissipation block made of Cu or Cu alloy via a submount,
The submount is formed to a thickness of 200 to 400 μm using a material having a thermal expansion coefficient of 3.5 to 6.0 × 10 −6 / ° C .;
The semiconductor light-emitting element is divided and bonded to the submount in a junction-down structure with a solder composed mainly of AuSn, which is divided into a plurality of parts within the bonding surface of both.
A semiconductor light emitting device characterized in that a groove for dividing the solder exists at least immediately below a light emitting portion of the semiconductor light emitting element.
接着時の合金反応により組成が変化して融点が変わるものであることを特徴とする請求項1記載の半導体発光装置。The solder layer mainly composed of AuSn is smaller than the electrode of the nitride-based compound semiconductor light emitting device and is formed to a thickness of 1 to 3 μm.
2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the melting point is changed by changing the composition due to an alloy reaction during bonding.
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