JP2015179759A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造時における加熱／冷却過程で半導体チップに対して加えられる応力を抑制しながらも、駆動時に半導体チップから生じる熱を効率的に排熱する機能を十分に発揮できる半導体装置を提供する。【解決手段】 本発明の半導体装置は、半導体チップと、当該半導体チップを上面に載置するサブマウントを備える。サブマウントは、層状体が複数積層されてなる構成であって、積層方向に係る線熱膨張係数と層平面方向に係る線熱膨張係数のうちの一方が半導体チップの線熱膨張係数よりも低くて他方が前記半導体チップの線熱膨張係数よりも高く、層状体の積層方向が半導体チップのチップ面に対して傾斜しているか、又は前記チップ面の外縁に対して傾斜している。【選択図】 図２

Description

本発明は半導体装置に関し、特に、半導体チップを搭載するサブマウントを備えた半導体装置に関する。

半導体レーザ素子等の光半導体素子を含む半導体チップが搭載された半導体装置においては、駆動時に大きな熱が発生する。この発熱による温度変化によって、光半導体素子の発振波長や発光強度が変化する。半導体装置からの発熱量は、出力に比例して増大するため、特に光半導体素子が複数配列されてなるような半導体装置においては、駆動時に生じる熱をいかに効率的に排熱するかが重要である。

このような観点から、従来、光半導体素子で発生する熱を効率的に排出するために、熱伝導性の高い材料を用いてサブマウントを形成し、このサブマウント上に半導体チップを搭載する技術が提案されている。サブマウント上に半導体チップを搭載するに際しては、サブマウント上の所定の箇所に接合材を介して半導体チップを載置した後、加熱をしてサブマウントと半導体チップを接合する。その後、接合された両者が常温程度に冷却される。

サブマウントとして利用される熱伝導率の高い材料として、複数のグラフェンシートを積層した構成を採用する技術が知られている（下記、特許文献１参照）。この文献によれば、図１３に示すように、複数のグラフェンシート２０の積層体から成るサブマウント９０の上面に半導体チップ１０を配置している（図１３参照）。

グラフェンシート２０を複数積層してなるサブマウント９０は、積層方向ｄ１の熱伝導率が７Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるのに対し、積層方向ｄ１に直交する層平面方向（シート面方向）ｄ２の熱伝導率が１７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）と非常に高い。このため、図１３に示すように、半導体チップ１０の長手方向を多数のグラフェンシート２０の積層方向ｄ１と一致するように半導体チップ１０を配置することで、層平面方向ｄ２を介して半導体チップ１０から生じる熱を排熱できるため、高い排熱性が確保される。

特開２０１１−２３６７０号公報

しかしながら、グラフェンシート２０を複数積層してなるサブマウント９０は、層平面方向ｄ２の線熱膨張係数が−０．６×１０^−６／Ｋであるのに対し、積層方向ｄ１の線熱膨張係数が２５×１０^−６／Ｋである。また、光半導体素子を搭載する半導体チップ１０として一般的に用いられるＧａＡｓ基板の線熱膨張係数は５．６×１０^−６／Ｋ〜６．０×１０^−６／Ｋ程度である。

このため、図１３に示す配置方法でサブマウント９０上に、Ａｕ−Ｓｎハンダ等の硬ハンダ材料を用いて半導体チップ１０を接合すると、この接合プロセス中における加熱／冷却過程を経て半導体チップ１０（特に半導体チップ１０のチップ面の長手方向）に大きな圧縮応力が発生し、半導体チップ１０を損傷してしまう可能性がある。また、残留応力のために半導体チップ１０に搭載された光半導体素子の特性を損なってしまうおそれもある。

この点に関し、より詳細に説明する。サブマウント９０上にＡｕ−Ｓｎハンダ等の硬ハンダ材料を介して半導体チップ１０を載置した状態で加熱を行うと、初期状態においては当該ハンダ材料がまだ溶融されていないため、サブマウント９０と半導体チップ１０はそれぞれの線熱膨張係数に依存して自由膨張する。上述したように、半導体チップ１０の線熱膨張係数は、サブマウント９０の積層方向ｄ１の線熱膨張係数よりも低いため、半導体チップ１０の長手方向に関し、熱膨張に起因した半導体チップ１０の伸び量はサブマウント９０の伸び量よりも小さい。

加熱によりハンダ材料が溶融した後は、サブマウント９０と半導体チップ１０が固着して一体化される。ひとたび一体化した後は、半導体チップ１０よりも体積が十分に大きく構造体としての剛性が大きいサブマウント９０の線熱膨張係数に依存して、半導体チップ１０も膨張収縮する。その後の冷却工程においても、サブマウント９０のみならず、半導体チップ１０についてもサブマウント９０の線熱膨張係数に依存して収縮する。加熱前の温度下まで冷却されることで、サブマウント９０は加熱前の状態の位置まで収縮する。半導体チップ１０は、サブマウント９０と一体化されているため、冷却によってサブマウント９０と同等の量だけ収縮することとなる。

この結果、半導体チップ１０は、チップ面の長手方向に関し、加熱工程においてはサブマウント９０よりも膨張に伴う伸び量が小さく、冷却工程においては収縮に伴う縮み量がサブマウント９０と同程度となるため、冷却後の半導体チップ１０に対して圧縮応力が発生することとなる。

なお、接合材料としてインジウムハンダなどの軟ハンダを用いれば、接合時の熱応力を一定程度低減することはできるが、繰り返し応力によって塑性変形が進行しやすいため、接合箇所に対する信頼性が低下してしまうという課題がある。かかる観点から、半導体チップとサブマウントを接合させるための材料として、軟ハンダは適していないとされている。

本発明は、上記の課題に鑑み、製造時における加熱／冷却過程で半導体チップに対して加えられる応力を抑制しながらも、駆動時に半導体チップから生じる熱を効率的に排熱する機能を十分に発揮できる半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置は、半導体チップと、当該半導体チップを上面に載置するサブマウントを備え、
前記サブマウントは、
層状体が複数積層されてなる構成であって、積層方向に係る線熱膨張係数と層平面方向に係る線熱膨張係数のうちの一方が前記半導体チップの線熱膨張係数よりも低くて他方が前記半導体チップの線熱膨張係数よりも高く、
前記層状体の積層方向が、前記半導体チップのチップ面に対して傾斜しているか、又は前記チップ面の外縁に対して傾斜していることを特徴とする。

前記層状体は、積層方向と層平面方向とで線熱膨張係数の値が異なり、一方が半導体チップの線熱膨張係数よりも低く、他方が半導体チップの線熱膨張係数よりも高い。このような構成の下、例えば複数の層状体の積層方向が半導体チップのチップ面に対して傾斜するようにしてサブマウントを構成した場合について検討する。このとき、半導体チップのチップ面をＸＺ平面と定義し、厚み方向をＹ方向と定義すると、層状体の積層方向がＸＺ平面に対して傾斜していることになる。

層状体の積層方向がＸＺ平面に対して傾斜している場合、前記積層方向は、Ｘ方向及びＺ方向の一方又は双方に対して傾斜していることになる。

ここで、積層方向がＺ方向に対して傾斜している場合について検討すると、層状体の層平面方向は積層方向に直交する方向であるため、層平面とＹＺ平面の交線又は層平面とＸＺ平面の交線はＺ方向に対して傾斜する。つまり、Ｚ方向のサブマウントの線熱膨張係数は、層状体の積層方向に係る線熱膨張係数と、層状体の層平面方向に係る線熱膨張係数の両者がＺ方向に関してベクトル的に合成された値と見ることができる。

また、積層方向がＸ方向に対して傾斜している場合について検討すると、層状体の層平面方向は積層方向に直交する方向であるため、層平面とＸＹ平面の交線又は層平面とＸＺ平面の交線はＸ方向に対して傾斜する。つまり、Ｘ方向のサブマウントの線熱膨張係数は、層状体の積層方向に係る線熱膨張係数と、層状体の層平面方向に係る線熱膨張係数の両者がＸ方向に関してベクトル的に合成された値と見ることができる。

従って、上記の構成によれば、方向によっては半導体チップよりも高い線熱膨張係数を示すサブマウントを用いた場合であっても、半導体チップのチップ面に対して平行な方向、すなわちＸ方向及びＺ方向の一方又は双方について、サブマウントの線熱膨張係数の値を半導体チップの線熱膨張係数の値に近づけることができる。これにより、サブマウントと半導体チップの接合時における加熱過程とその後の冷却過程を経たときの、半導体チップに対する応力を緩和する効果が得られる。

なお、複数の層状体の積層方向が半導体チップのチップ面に対して平行であっても、当該チップ面の外縁に対して傾斜するようにしてサブマウントを構成した場合には、積層方向がＸ方向とＺ方向の一方又は双方に対して傾斜することになるため、上記と同様の理屈により、サブマウントと半導体チップの接合時における加熱過程とその後の冷却過程を経たときの、半導体チップに対する応力を緩和する効果が得られる。

このようなサブマウントとしては、層状体を構成するグラフェンシートが複数積層されたものを利用することができる。また、半導体チップとしては、主たる材料がＧａＡｓで構成されたものを利用することができる。この場合、層状体の層平面方向の線熱膨張係数が−０．６×１０^−６／Ｋ、層状体の積層方向の線熱膨張係数が２５×１０^−６／Ｋ、半導体チップの線熱膨張係数は５．６×１０^−６／Ｋ〜６．０×１０^−６／Ｋ程度である。

サブマウントは熱伝導率の高い材料を用いるのが好ましい。ここで、上記のようにサブマウントとして層状体が複数積層されてなるものが用いられる場合、層平面方向に係る熱伝導率が、積層方向に係る熱伝導率よりも高くなるのが一般的である。上記で例示したグラフェンシートもそのような性質を有する。このため、半導体チップの直下に位置する層状体は、サブマウントの上面から底面に達するように配置されているのが好ましい。このような構成とすることで、駆動時に半導体チップから生じる熱を、高い熱伝導率を有する層状体の層平面を通じてサブマウントの底面側へと排熱させることができる。

上記構成を示すサブマウントとしては、種々のパターンが考えられる。一例として、前記半導体チップのチップ面が第一方向と第二方向によって構成されるとした場合に、前記チップ面と前記層状体の層平面との交線が前記第一方向に対して平行であり、前記半導体チップの厚み方向及び前記第二方向で構成される平面と前記層状体の層平面との交線が前記厚み方向及び前記第二方向に対して傾斜するように配置して、上記サブマウントを実現することができる。

なお、半導体チップのチップ面が長方形状である場合においては、第一方向を短手方向、第二方向を長手方向とすることができる。上記にならって、第一方向をＸ方向、第二方向をＺ方向、厚み方向をＹ方向と記載する。この場合において、ＹＺ平面上において層状体の積層方向とＺ方向とのなす角度を４０°以上７０°以下とすることで、半導体チップに対する応力を緩和する効果が高められる。

別の一例としては、前記チップ面と前記層状体の層平面との交線が前記第一方向及び前記第二方向に対して傾斜し、前記半導体チップの厚み方向及び前記第二方向で構成される平面と前記層状体の層平面との交線が前記厚み方向に対して平行になるように配置して、上記サブマウントを実現することができる。

更に別の一例としては、前記チップ面と前記層状体の層平面との交線が前記第一方向及び前記第二方向に対して傾斜し、前記半導体チップの厚み方向及び前記第二方向で構成される平面と前記層状体の層平面との交線が、前記厚み方向及び前記第二方向に対して傾斜するように配置して、上記サブマウントを実現することができる。

上記構成においても、半導体チップのチップ面が長方形状である場合においては、第一方向を短手方向、第二方向を長手方向とすることができる。この場合、ＹＺ平面上において層状体の積層方向とＺ方向とのなす角度を３５°以上７０°以下とし、ＸＺ平面すなわち半導体チップのチップ面上において層状体の積層方向とＺ方向とのなす角度を６０°以下とすることで、半導体チップに対する応力を緩和する効果が高められる。

前記半導体チップは、前記第一方向及び前記第二方向に沿って配列された複数の発光部を有する構成としても構わない。

本発明の半導体装置によれば、サブマウントと半導体チップを接合する際における加熱／冷却過程で半導体チップに対して加えられる応力を抑制しながらも、駆動時に半導体チップから生じる熱を、サブマウントを介して効率的に排熱することが可能となる。

本発明の半導体装置の構成を示す模式的な斜視図である。 半導体装置の第一実施形態の構成を模式的に示す図面である。 実施例として想定した検証用素子の構成を模式的に示す図面である。 実施例の検証用素子及び比較例の検証用素子の半導体チップに対するＺ方向の垂直応力の分布を示すグラフである。 第一実施形態における角度θ１を説明するための図面である。 角度θ１の値を０°から８０°まで変化させたときの、検証用素子の半導体チップの基準位置におけるＺ方向の垂直応力の大きさの変化を示すグラフである。 半導体装置の第二実施形態の構成を模式的に示す図面である。 第二実施形態における角度θ１及び角度θ２を説明するための図面である。 角度θ１及びθ２の値を変化させたときの、検証用素子の半導体チップの基準位置における垂直応力の大きさの変化を示すグラフである。 実施例１、実施例２、及び従来例の各サブマウント上にそれぞれ複数の発光部を有する半導体チップを搭載して駆動したときの発光部の温度を比較したグラフである。 半導体装置の第三実施形態の構成を模式的に示す図面である。 半導体装置の別実施形態の構成を模式的に示す図面である。 従来のサブマウントの上面に載置された半導体チップを備えた半導体装置の模式図である。

本発明の半導体装置の各実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の図面では図面上の寸法比と実際の装置の寸法比は必ずしも一致していない。

図１は、半導体装置の模式的な斜視図である。半導体装置１は、ヒートシンク３上に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕハンダなどで構成された接合層５を介して固着されたサブマウント２と、このサブマウント２上に接合層（図１において不図示）を介して固着された半導体チップ１０を備える。半導体チップ１０には、複数の発光部７（光半導体素子）が搭載されている（例えば図２参照）。

本実施形態において、サブマウント２は層状体が複数積層されて構成されている。そして、層状体の積層方向に係る線熱膨張係数と層平面方向に係る線熱膨張係数のうちの一方が半導体チップ１０の線熱膨張係数よりも低くて他方が半導体チップ１０の線熱膨張係数よりも高い性質を有する材料が選択される。一例として、サブマウント２をグラフェンシートの積層体で構成し、半導体チップ１０の主たる材料をＧａＡｓで構成することができる。

ヒートシンク３は例えばＣｕ等の熱伝導率が高い材料で構成される。なお、ヒートシンク３の半導体チップ１０の搭載面と反対側の面には、必要に応じて排熱のための冷却手段（不図示）が設けられる。なお、図１ではヒートシンク３を図示しているが、半導体装置１としてヒートシンク３を有しない構成とすることも可能である。

以下、実施形態毎に構成の説明を行う。なお、各実施形態は、サブマウント２を構成する複数の層状体の層平面と半導体チップ１０のチップ面の位置関係が相互に異なっている。また、以下では、図１に示すように、半導体チップ１０を直方体形状とし、チップ面の短手方向をＸ方向、長手方向をＺ方向と、厚み方向をＹ方向と定義する。

［第一実施形態］
図２は、半導体装置の第一実施形態の構成を模式的に示す図面である。図２において、（ａ）は半導体装置１をＹ方向から見た図、すなわち半導体チップ１０のチップ面の図に対応し、（ｂ）は半導体装置１をＸ方向から見た図に対応し、（ｃ）は半導体装置１をＺ方向から見た図に対応する。

本実施形態では、各グラフェンシート２０の層平面方向ｄ２は、ＸＹ平面をＸ軸周りに９０°未満の所定の角度だけ回転させた平面に平行な方向を示す。つまり、各グラフェンシート２０の層平面方向ｄ２は、半導体チップ１０のチップ面すなわちＸＺ平面に対して所定の角度だけ傾斜している。より詳細には、ＸＺ平面とグラフェンシート２０の層平面との交線が、チップ面の短手方向（Ｘ方向）に対して平行であり（図２（ａ）参照）、半導体チップの厚み方向（Ｙ方向）とチップ面の長手方向（Ｚ方向）で構成される平面（ＹＺ平面）とグラフェンシート２０の層平面との交線が、Ｙ方向及びＺ方向に対して傾斜している（図２（ｂ）参照）。なお、ＸＹ平面とグラフェンシート２０の層平面との交線は、Ｘ方向に対して平行である（図２（ｃ）参照）。

また、各グラフェンシート２０の積層方向ｄ１は、この層平面方向ｄ２に直交する方向を示すため、やはりＹ方向及びＺ方向に対して平行方向でも直交方向でもない。

このように構成したとき、半導体チップ１０のチップ面の長手方向、すなわちＺ方向に平行に係るサブマウント２の線熱膨張係数の値は、グラフェンシート２０の積層方向ｄ１に係る線熱膨張係数と、グラフェンシート２０の層平面方向ｄ２に係る線熱膨張係数の両者がベクトル的に合成された値と見ることができる。より具体的には、グラフェンシート２０の積層方向ｄ１及び層平面方向ｄ２の双方につき、ベクトル的に分解することでＺ方向成分の大きさを算出し、これらをベクトル的に合計することで、Ｚ方向に係るサブマウント２の線熱膨張係数が規定される。

ここで、グラフェンシート２０は、積層方向ｄ１には線熱膨張係数が半導体チップ１０よりも高く、層平面方向ｄ２には線熱膨張係数が半導体チップ１０よりも低い。そして、上述したように、本実施形態の構成によれば、Ｚ方向に関して、サブマウント２の線熱膨張係数は、積層方向ｄ１に由来する成分と層平面方向ｄ２に由来する成分のベクトル和によって規定される。つまり、図１３に示したように、積層方向ｄ１をチップ面の長手方向に平行にした場合と比べて、前記長手方向（Ｚ方向）に係るサブマウント２の線熱膨張係数を、半導体チップ１０の線熱膨張係数の値に近付けることができる。これにより、サブマウント２の上面に半導体チップ１０を載置して加熱接合し、その後の冷却工程を経ても、図１３に示す構成と比べて、半導体チップ１０に対するＺ方向への垂直応力が抑制されるため、半導体チップ１０に対する損傷や素子特性の劣化が防止できる。

なお、本実施形態の構成においては、半導体チップ１０のチップ面の短手方向（Ｘ方向）については、グラフェンシート２０の層平面方向ｄ２に平行であるため（図２（ａ）参照）、Ｘ方向に係るサブマウント２の線熱膨張係数は、グラフェンシート２０の層平面方向に係る線熱膨張係数に依存する。上述したように、この線熱膨張係数は半導体チップ１０の線熱膨張係数よりも低い。この結果、半導体チップ１０は、Ｘ方向に関して加熱工程においてはサブマウント２よりも膨張に伴う伸び量が大きく、冷却工程においては収縮に伴う縮み量がサブマウント２と同程度となるため、厳密には冷却後の半導体チップ１０に対してＸ方向に係る引張応力が発生することとなる。

しかし、半導体チップ１０のチップ面が矩形状である場合、半導体チップ１０の短手方向の膨張／収縮量は、半導体チップ１０の長手方向の膨張／収縮量に比べて十分に小さいものとなる。このため、線熱膨張係数差に起因したＸ方向の応力（ここでは引張応力）の大きさは、発光部７の素子特性を損なわない程度の範囲内に留められる。特に、図２に示すように、半導体チップ１０上に搭載される発光部７が、例えばＸ方向に１〜３個、Ｚ方向に１０個〜数十個配置されるような場合、すなわちＸ方向に配列される発光部７の数に対してＺ方向に配列される発光部７の数が十分多い場合、半導体チップ１０のチップ面の短手方向の長さは、長手方向の長さに比べて十分短くすることができる。このとき、半導体チップ１０に対するＸ方向に係る垂直応力は、発光部７の素子特性に影響を及ぼさない範囲内に留められる。

なお、本実施形態のようなサブマウント２を形成するに際しては、グラフェンシート２０が積層されてなる基板から、積層方向ｄ１に対して傾斜した角度で切り出された積層体をサブマウント２として利用すればよい。以下の実施形態においても同様である。

（実施例）
以下、本実施形態の半導体装置１の構成による半導体チップ１０への応力につき、実施例を参照して説明する。図３は、実施例として想定した検証用素子の構成を模式的に示す図面である。この実施例では、サブマウント２の上面に接合層６を介して半導体チップ１０を搭載する工程を想定している。

サブマウント２として、図２に示したグラフェンシート２０の積層体を用い、その外形寸法を、Ｚ方向×Ｘ方向×Ｙ方向に関して１２ｍｍ×３．５ｍｍ×０．８ｍｍとした。接合層６として、Ａｕ８０％Ｓｎ２０％ハンダを用い、その外形寸法を、Ｚ方向×Ｘ方向×Ｙ方向に関して８．３５ｍｍ×１．３５ｍｍ×５．６μｍとした。半導体チップ１０として、ＧａＡｓを用い、その外形寸法を、Ｚ方向×Ｘ方向×Ｙ方向に関して、８ｍｍ×１ｍｍ×７０μｍとした。

そして、サブマウント２の上面に形成された接合層６上に半導体チップ１０を載置した状態で温度２８０℃まで加熱して半導体チップ１０とサブマウント２を固着させ、その状態から−４０℃まで温度を低下させたときの、半導体チップ１０に対して加えられるＺ方向の垂直応力に関し、有限要素法による構造解析によって算出した。

図４は、上記方法によって得られたＺ方向の垂直応力の分布を示すグラフである。より詳細には、半導体チップ１０の長手方向（Ｚ方向）の中心箇所を通る、短手方向（Ｘ方向）に平行な線を基準位置とし、この基準位置からＺ方向に平行な経路に沿って離れた位置におけるＺ方向の垂直応力を導出し、グラフ化したものである。横軸は、基準位置からの±Ｚ方向の離間距離（Ｚ方向位置）を指し、縦軸は当該距離だけ離れた位置でのＺ方向の垂直応力の大きさを指している。図４において、縦軸（垂直応力）の値が負であるものは圧縮応力であることを表しており、正であるものは引張応力であることを表している。また、図４において、横軸の値が負であるものは基準位置から−Ｚ方向に離れた位置に対応し、正であるものは基準位置から＋Ｚ方向に離れた位置に対応する。

ここで、比較例としては、サブマウント２を構成する複数のグラフェンシート２０の積層方向ｄ１が半導体チップ１０のチップ面の長手方向（Ｚ方向）に平行な半導体装置を想定した。この比較例は図１３の構成に対応する。また、実施例１としては、ＹＺ平面上において積層方向ｄ１とＺ方向のなす角度θ１が６０°であるサブマウント２を含む半導体装置１を想定した（図５参照）。図５は図２（ｂ）の図面に角度θ１を付した図面である。このとき、比較例はθ１が０°である場合に対応する。

図４を参照すると、実施例１の構成によれば、比較例の構成と比べて、半導体チップ１０のＺ方向に対する圧縮応力が大きく抑制されており、ほぼ応力がない状態が実現できていることが分かる。

図６は、角度θ１の値を０°から８０°まで変化させたときの、検証用素子が備える半導体チップ１０の前記基準位置におけるＺ方向の垂直応力の大きさの変化をグラフ化したものである。θ１＝０°のときが比較例に対応し、θ１≠０°のときが実施例１に対応する。

図６によれば、θ１を０°から徐々に上昇していくと、半導体チップ１０に与えられる応力が低下していき、θ１＝６０°のときに最も応力が小さくなる。その後、θ１＞６０°になると、θ１を上昇するに連れ引張応力としての応力が増加する。これは、θ１があまりに大きな角度になった場合、グラフェンシート２０の積層方向ｄ１がＸＺ平面に対して直交する方向に近づく、すなわち層平面方向ｄ２がＸＺ平面に対して平行に近づくため、Ｚ方向に係るサブマウント２の線熱膨張係数として、半導体チップ１０よりも低い線熱膨張係数を示す層平面方向ｄ２に係る線熱膨張係数が影響する度合いが高まるためと考えられる。角度θ１を２０°以上８０°以下とすることで、半導体チップ１０に対するＺ方向の応力を±１５０ＭＰａ以下に抑制することができる。なお、角度θ１を４０°以上７０°以下とすることで、半導体チップ１０に対するＺ方向の応力を±１００ＭＰａ以下に抑制することができる。

［第二実施形態］
図７は、半導体装置の第二実施形態の構成を示す模式的な図面である。図７は、図２と同様に、（ａ）は半導体装置１をＹ方向から見た図に対応し、（ｂ）は半導体装置１をＸ方向から見た図に対応し、（ｃ）は半導体装置１をＺ方向から見た図に対応する。

本実施形態では、各グラフェンシート２０の層平面方向ｄ２は、ＸＹ平面をＸ軸周りに９０°未満の所定の角度だけ回転させ、更にＹ軸周りにも９０°未満の所定の角度だけ回転させた平面に平行な方向を示す。つまり、各グラフェンシート２０の層平面方向ｄ２は、半導体チップ１０のチップ面すなわちＸＺ平面に対して所定の角度だけ傾斜しており、更にＹＺ平面に対しても所定の角度だけ傾斜している。より詳細には、ＸＺ平面とグラフェンシート２０の層平面との交線がＸ方向及びＺ方向に対して傾斜し（図７（ａ）参照）、ＹＺ平面とグラフェンシート２０の層平面との交線がＹ方向及びＺ方向に対して傾斜している（図７（ｂ）参照）。そして、ＸＹ平面とグラフェンシート２０の層平面との交線も、Ｘ方向及びＹ方向に対して傾斜している（図７（ｃ）参照）。

また、各グラフェンシート２０の積層方向ｄ１は、この層平面方向ｄ２に直交する方向を示すため、Ｘ方向及びＺ方向に対して平行方向でも直交方向でもない。

このように構成したとき、第一実施形態で上述したのと同様の理由により、半導体チップ１０のチップ面の長手方向、すなわちＺ方向に平行に係るサブマウント２の線熱膨張係数の値は、グラフェンシート２０の積層方向ｄ１に係る線熱膨張係数と、グラフェンシート２０の層平面方向ｄ２に係る線熱膨張係数の両者が合成された値と見ることができる。つまり、図１３に示したように、積層方向ｄ１をチップ面の長手方向に平行にした場合と比べて、長手方向（Ｚ方向）に係るサブマウント２の線熱膨張係数を、半導体チップ１０の値に近づけることができる。

更に、本実施形態の構成の場合、第一実施形態と異なり、半導体チップ１０のチップ面の短手方向、すなわちＸ方向に平行に係るサブマウント２の線熱膨張係数の値についても、グラフェンシート２０の積層方向ｄ１に係る線熱膨張係数と、グラフェンシート２０の層平面方向ｄ２に係る線熱膨張係数の両者が合成された値と見ることができる。よって、サブマウント２の上面に半導体チップ１０を載置して加熱接合し、その後の冷却工程を経ても、図１３に示す構成と比べて、半導体チップ１０に対するＺ方向及びＸ方向への垂直応力が抑制されるため、半導体チップ１０に対する損傷や素子特性の劣化が防止できる。

（実施例）
以下、本実施形態の半導体装置１の構成による半導体チップ１０への応力につき、実施例を参照して説明する。なお、検証用に用いた素子の寸法及び材料は第一実施形態で説明したものと同一であり、検証方法は第一実施形態と同様の方法である。

ここで、本実施形態は、第一実施形態と異なり、グラフェンシート２０の積層方向ｄ１は、Ｚ方向及びＸ方向に対して傾斜している。ここで、第一実施形態と同様、ＹＺ平面上において積層方向ｄ１とＺ方向のなす角度をθ１とした。また、ＸＺ平面上において積層方向ｄ１とＺ方向のなす角度をθ２とした（図８参照）。図８は図７（ａ）の図面に角度θ２を付し、図７（ｂ）の図面に角度θ１を付した図面である。

図９は、これらの角度θ１及びθ２をそれぞれ変化させたときの、検証用素子が備える半導体チップ１０の基準位置における垂直応力の大きさの変化をグラフ化したものである。図９（ａ）は、図６と同様の方法によって、基準位置におけるＺ方向の垂直応力の大きさの変化をグラフ化したものである。また、図９（ｂ）は、半導体チップ１０の短手方向（Ｘ方向）の中心箇所を通る、長手方向（Ｚ方向）に平行な線を基準位置とし、この基準位置からＸ方向に平行な経路に沿って離れた位置におけるＸ方向の垂直応力を導出し、グラフ化したものである。なお、図９（ａ）において、θ２＝０°の場合は図６のグラフに対応する。

図９（ａ）によれば、角度θ１の値を固定した場合であっても、角度θ２の値を変化させることでＺ方向の垂直応力の大きさが変化することが分かる。なお、図９（ｂ）によれば、角度θ１の値はＸ方向の垂直応力の大きさにはあまり影響せず、ほとんど角度θ２の値に依存することが分かる。

図９（ａ）によれば、角度θ１を２０°以上８０°以下とすることで、角度θ２に関わらず半導体チップ１０に対するＺ方向の垂直応力を±１５０ＭＰａ以下に抑制することができる。また、角度θ１を３５°以上７０°以下とし、角度θ２を６０°以下とすることで半導体チップ１０に対するＺ方向の垂直応力をほぼ±１００ＭＰａ以下に抑制することができる。更に、図９（ｂ）によれば、角度θ２を０°を超えて６０°以下とすることで、半導体チップ１０に対するＸ方向の垂直応力をほぼ±５０ＭＰａ以下に抑制することができる。なお、角度θ２においては、２０°以上６０°以下とするのがより好ましい。

図１０は、第一実施形態のサブマウント２（実施例１）、第二実施形態のサブマウント２（実施例２）、及び一般的なＡｌＮ／Ｃｕサブマウント（従来例）を用い、各サブマウント上にそれぞれ複数の発光部７を有する半導体チップ１０を搭載して駆動したときの発光部７の温度（光エミッタ部温度）を比較したものである。

ここでは、半導体チップ１０が２４個の発光部７を有しており、各発光部７の出力を２Ｗ、サブマウント２の底面に配置されたヒートシンク３の温度を２２℃とした。また、従来例のサブマウントは、第一及び第二実施形態のサブマウント２とは異なり、複数の層状体が積層されてなる構成ではなく金属材料が一体的に構成されたものを想定している。

実施例１としては、角度θ２＝０°とし、角度θ１＝２０°、４０°、６０°、７０°、及び８０°とした場合の半導体装置１、すなわち第一実施形態の半導体装置１において角度θ１を変化させたものを想定し、各構成における発光部７の温度を図１０に示している。また、実施例２としては、θ１＝θ２＝４０°の第二実施形態の半導体装置１を想定し、この構成における発光部７の温度を図１０に示している。なお、比較例として、θ１＝θ２＝０°の場合の発光部７の温度も示している。

図１０によれば、θ１＝８０°の場合を除いては、実施例１及び実施例２の半導体装置１において従来例の構成よりも発光部７の温度が低くなっており、高い排熱性が維持できていることが分かる。なお、θ１＝８０°の場合は、従来例よりも発光部７の温度が高くなっており、排熱性能が低下していることが分かる。これは、角度θ１の値が９０°に極めて近くなったため、グラフェンシート２０の積層方向ｄ１がＹ方向（厚み方向）に近づいたことが原因であると考えられる。

すなわち、グラフェンシート２０の積層方向ｄ１に係る熱伝導率は、層平面方向ｄ２に比べて低いため、積層方向ｄ１がＹ方向に近づくことで、半導体チップ１０に対してＹ方向に位置するヒートシンク３側に高効率で排熱させることができなくなったものと考えられる。図１０の結果に鑑みれば、高い排熱性と半導体チップ１０に対する応力緩和を両立させるという観点からも、角度θ１を２０°以上８０°以下とするのが好ましい。

［第三実施形態］
図１１は、半導体装置の第三実施形態の構成を示す模式的図面である。図１１は、図２と同様に、（ａ）は半導体装置１をＹ方向から見た図に対応し、（ｂ）は半導体装置１をＸ方向から見た図に対応し、（ｃ）は半導体装置１をＺ方向から見た図に対応する。

本実施形態では、各グラフェンシート２０の層平面方向ｄ２は、ＸＹ平面をＹ軸周りに９０°未満の所定の角度だけ回転させた平面に平行な方向を示す。つまり、ＸＺ平面とグラフェンシート２０の層平面との交線が、チップ面の短手方向（Ｘ方向）及び長手方向（Ｚ方向）に対して傾斜しており（図１１（ａ）参照）、ＹＺ平面とグラフェンシート２０の層平面との交線はＹ方向に平行である（図１１（ｂ）参照）。そして、ＸＹ平面とグラフェンシート２０の層平面との交線は、Ｙ方向に平行である（図１１（ｃ）参照）。

また、各グラフェンシート２０の積層方向ｄ１は、この層平面方向ｄ２に直交する方向を示すため、やはりＸ方向及びＺ方向に対して平行方向でも直交方向でもない。

このような構成の場合でも、第一実施形態と同様に、半導体チップ１０のチップ面の長手方向、すなわちＺ方向に平行に係るサブマウント２の線熱膨張係数の値は、グラフェンシート２０の積層方向ｄ１に係る線熱膨張係数と、グラフェンシート２０の層平面方向ｄ２に係る線熱膨張係数の両者が合成された値と見ることができる。更に、第二実施形態と同様に、半導体チップ１０のチップ面の短手方向、すなわちＸ方向に平行に係るサブマウント２の線熱膨張係数の値についても、グラフェンシート２０の積層方向ｄ１に係る線熱膨張係数と、グラフェンシート２０の層平面方向ｄ２に係る線熱膨張係数の両者が合成された値と見ることができる。

つまり、図１３に示したように、積層方向ｄ１をチップ面の長手方向に平行にした場合と比べて、Ｚ方向及びＸ方向に係るサブマウント２の線熱膨張係数を、半導体チップ１０の値に近づけることができる。これにより、図１３に示す構成と比べて、半導体チップ１０に対するＺ方向及びＸ方向への応力が抑制されるため、半導体チップ１０に対する損傷や素子特性の劣化が防止できる。

［別実施形態］
以下、別実施形態について説明する。

〈１〉 図１２は、半導体装置の別実施形態の構成を示す模式的図面である。図１２は、図２と同様に、（ａ）は半導体装置１をＹ方向から見た図に対応し、（ｂ）は半導体装置１をＸ方向から見た図に対応し、（ｃ）は半導体装置１をＺ方向から見た図に対応する。

本実施形態では、各グラフェンシート２０の層平面方向は、ＹＺ平面をＺ軸周りに９０°未満の所定の角度だけ回転させた平面に平行な方向を示す。つまり、各グラフェンシート２０の層平面方向ｄ２は、半導体チップ１０のチップ面すなわちＸＺ平面に対して所定の角度だけ傾斜している。より詳細には、チップ面（ＸＺ平面）とグラフェンシート２０の層平面との交線が、チップ面の長手方向（Ｚ方向）に対して平行であり（図１２（ａ）参照）、ＸＹ平面とグラフェンシート２０の層平面との交線はＸ方向及びＹ方向に対して傾斜している（図１２（ｃ）参照）。そして、ＹＺ平面とグラフェンシート２０の層平面との交線は、Ｚ方向に平行である（図１２（ｂ）参照）。

また、各グラフェンシート２０の積層方向ｄ１は、この層平面方向ｄ２に直交する方向を示すため、やはりＸ方向及びＹ方向に対して平行方向でも直交方向でもない。

このような構成の場合、半導体チップ１０のチップ面の短手方向、すなわちＸ方向に平行に係るサブマウント２の線熱膨張係数の値は、グラフェンシート２０の積層方向ｄ１に係る線熱膨張係数と、グラフェンシート２０の層平面方向に係る線熱膨張係数の両者が合成された値と見ることができる。ただし、半導体チップ１０のチップ面の長手方向、すなわちＺ方向に平行に係るサブマウント２の線熱膨張係数は、グラフェンシート２０の層平面方向ｄ２に係る線熱膨張係数に依存する。このため、この構成では、短手方向に係る応力は緩和できるものの、長手方向に係る応力を緩和させる効果は得られない。第一実施形態の項で上述したように、長手方向に係る応力は短手方向に係る応力よりも問題となるため、第一実施形態の構成と比べると、半導体チップ１０に対する応力緩和効果は低くなる。

〈２〉 上述の各実施形態では、サブマウント２は層状体を構成するグラフェンシート２０が複数積層されて構成されており、半導体チップ１０は主たる材料がＧａＡｓで構成されているものとして説明した。しかし、本発明は、これらの材料に限られず、積層方向に係る線熱膨張係数と層平面方向に係る線熱膨張係数のうちの一方が半導体チップの線熱膨張係数よりも低くて他方が半導体チップの線熱膨張係数よりも高い性質を有するような、層状体及び半導体チップであれば、どのような材料で構成されていても適用可能である。

１ ： 半導体装置
２ ： サブマウント
５ ： 接合層
７ ： 発光部
１０ ： 半導体チップ
２０ ： グラフェンシート
９０ ： 従来のサブマウント
ｄ１ ： グラフェンシートの積層方向
ｄ２ ： グラフェンシートの層平面方向

Claims (7)

1. 半導体チップと、当該半導体チップを上面に載置するサブマウントを備えた半導体装置であって、
   前記サブマウントは、
   層状体が複数積層されてなる構成であって、積層方向に係る線熱膨張係数と層平面方向に係る線熱膨張係数のうちの一方が前記半導体チップの線熱膨張係数よりも低くて他方が前記半導体チップの線熱膨張係数よりも高く、
   前記層状体の積層方向が、前記半導体チップのチップ面に対して傾斜しているか、又は前記チップ面の外縁に対して傾斜していることを特徴とする半導体装置。
2. 前記半導体チップのチップ面が第一方向と第二方向によって構成され、
   前記チップ面と前記層状体の層平面との交線が前記第一方向に対して平行であり、
   前記半導体チップの厚み方向及び前記第二方向で構成される平面と前記層状体の層平面との交線が前記厚み方向及び前記第二方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記半導体チップのチップ面は第一方向と第二方向によって構成され、
   前記チップ面と前記層状体の層平面との交線が前記第一方向及び前記第二方向に対して傾斜し、
   前記半導体チップの厚み方向及び前記第二方向で構成される平面と前記層状体の層平面との交線が前記厚み方向に対して平行であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記半導体チップのチップ面は第一方向と第二方向によって構成され、
   前記チップ面と前記層状体の層平面との交線が前記第一方向及び前記第二方向に対して傾斜し、
   前記半導体チップの厚み方向及び前記第二方向で構成される平面と前記層状体の層平面との交線が、前記厚み方向及び前記第二方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記半導体チップのチップ面は第一方向と第二方向によって構成され、
   前記半導体チップは、前記第一方向及び前記第二方向に沿って配列された複数の発光部を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記第一方向は前記半導体チップのチップ面の短手方向であり、前記第二方向が前記チップ面の長手方向であり、
   前記半導体チップの厚み方向及び前記第二方向で構成される平面上において前記層状体の積層方向と前記第二方向とのなす角度が４０°以上７０°以下であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
7. 前記第一方向は前記チップ面の短手方向であり、前記第二方向が前記チップ面の長手方向であり、
   前記半導体チップの厚み方向及び前記第二方向で構成される平面上において前記層状体の積層方向と前記第二方向とのなす角度が３５°以上７０°以下であり、前記前記半導体チップのチップ面上において前記層状体の積層方向と前記第二方向とのなす角度が６０°以下であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。

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