JP4564726B2 - 大面積及び小面積半導体発光フリップチップ装置のための接触方式 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に発光ダイオードに関し、更に詳しくは発光ダイオードの接点に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光装置は、現時点で利用可能な最も効率的な光源の１つである。可視スぺクトル全体に亘って作動することができる高輝度ＬＥＤの製造において現在関連のある材料システムには、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、特に、ガリウム、アルミニウム、インジウム、及び、窒素から成るＩＩＩ族窒化物材料とも呼ばれる二元、三元、及び、四元合金、及び、ガリウム、インジウム、及び、燐から成るＩＩＩ族燐化物材料とも呼ばれる二元、三元、及び、四元合金が含まれる。金属有機化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）分子線エピタキシー（ＭＢＥ）又は他のエピタキシャル技術により、ＩＩＩ族窒化物装置は、サファイヤ、炭化ケイ素、又は、ＩＩＩ族窒化物の基板上にエピタキシャル成長させられ、ＩＩＩ族燐化物装置は、ガリウム砒素上にエピタキシャル成長させられることが多い。ｎ型層（又は複数の層）が基板上に堆積され、次に活性領域がｎ型層上に堆積され、その後にｐ型層が活性領域上に堆積されることが多い。層の順番は、ｐ型層が基板に隣接するように逆にすることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これらの基板のいくつかは、絶縁性又は不良導電性である。一部の例において、光学的な抽出を強化するために、ウインドウが半導体層に取り付けられる。不良導電性基板上で成長させたか、又は、それに付着させた半導体結晶から作られた装置は、装置の同じ側面上にエピタキシャル成長半導体との正負両極性の電気接点を有していなければならない。これとは対照的に、導電性基板上で成長させた半導体装置は、一方の電気接点がエピタキシャル成長材料上に形成され、他方の電気接点が基板上に形成されるように作ることができる。しかし、導電性基板上に作られた装置はまた、ＬＥＤチップからの光抽出を高めるために装置のエピタキシャル材料を成長させた同じ側に両方の接点を有するように設計されてもよい。同じ側に形成されたｐ及びｎ接点の両方を有する装置は２種類ある。第一の種類（フリップチップともいう）においては、光は、基板又はウインドウ材料を通じて抽出される。第２の種類（エピ・アップ構造ともいう）においては、光は、接点、装置の最上部半導体層、又は、装置の縁部を通じて抽出される。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の一実施形態によれば、発光装置は、基板、第１の導電型の層、発光層、及び、第２の導電型の層を含む。複数のヴィアが第２導電型層内で形成され、第１導電型層まで下がる。ヴィアは、例えば、エッチング、イオン注入、拡散、又は、少なくとも１つの第２導電型層の選択的な成長によって形成することができる。一組の第１の接点が、ヴィアを通じて第１導電型層に電気的に接続する。
第２の接点は、第２導電型層に電気的に接続する。一部の実施形態において、第２の接点の面積は、装置の面積の少なくとも７５％である。一部の実施形態において、ヴィアは、幅が約２ミクロンから約１００ミクロンの間であり、約５ミクロンと約１０００ミクロンの間で離間している。一部の実施形態において、ヴィアは、正方形アレー、六角形アレー、菱面体アレー、及び、任意の配置で形成される。
【０００５】
本発明による発光装置は、いくつかの利点を提供することができる。第一に、電流が半導体内で横方向に広がるべき距離が小さくなることから、装置の直列抵抗を小さくすることができる。第二に、活性領域の面積及び第２の接点の面積は、単一の第１の接点を有する装置よりも大きいことから、より多くの光を生成して装置から抽出することができる。第三に、本発明は、装置とサブマウントとの間の相互接続部の形状を簡素化することができ、例えば、低コスト半田堆積法の使用を可能にする。
【０００６】
一実施形態において、第１の接点は、一組の相互接続部によって接続される。
絶縁層が装置上に形成される。絶縁層の一部分上では、第２の接点と位置合わせされた開口部が絶縁層内に作られる。絶縁層の別の部分では、第１の接点及び相互接続部と位置合わせされた開口部が絶縁層内に作られる。半田などのサブマウント接続材料の第１の層が装置の一方の部分に堆積され、サブマウント接続材料の第２の層は、装置の他方の部分に堆積される。２つのサブマウント接続層は、その後に装置をサブマウントに接続するのに使用することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態によれば、発光ダイオードなどの発光装置は、複数のヴィアを有するｎ接点を用いて形成される。このような発光装置は、例えば、ＩＩ−ＶＩ族材料システムと、ＩＩＩ族窒化物、ＩＩＩ族燐化物、及び、ＩＩＩ族砒化物などのＩＩＩ−Ｖ族材料システムとを含む任意の適切な材料システムとしてもよい。
図１は、大面積ＩＩＩ族窒化物フリップチップ発光装置を示す。大面積装置は、約０．２平方ミリメートルに等しいか又はそれ以上の面積を有する装置であり、一方、小面積装置は、例えば約０．２平方ミリメートルよりも小さい面積を有する装置である。小面積装置は、例えば、０．３ミリメートル×０．４ミリメートルとすることができる。図１に示す装置は、例えば、一片１ミリメートルとすることができる。図１に示す装置は、本明細書において引用により組み込まれる、Ｋｒａｍｅｓ他に付与された１９９９年１２月２２日出願の「光生成能力を増したＩＩＩ族窒化物発光装置」という名称の米国特許出願一連番号０９／４６９，６５７に更に詳細に説明されている。図１に示す装置は、単一大型ｎ接点及び単一大型ｐ接点を有する。
【０００８】
ｐ型層の抵抗が大きいために、ＩＩＩ族窒化物発光装置は、ｐ側電流波及をもたらすためにｐ型層の上に重なる金属層を採用している。両方の接点が装置の同じ側に形成された時、ｎ側電流波及は、ｎ型ＩＩＩ族窒化物層を通じて起こらなければならない。また、導電性基板上に形成されたＩＩＩ族燐化物装置において、ｎ側電流波及は、基板を通じて発生してもよい。ＩＩＩ族窒化物、ＩＩＩ族燐化物の両方の装置において、長い距離に亘って電流波及を必要とすれば、抵抗が大きくなり電流密度の一貫性が損なわれることから、半導体内の電流波及が必要とされる距離は最小限に抑えるべきである。増加した駆動電圧は、ｎ型層の全ての点において所要電流密度を得るために、装置に印加しなければならない。図１に示すＩＩＩ族窒化物装置において、例えば、ｎ型層によって電流波及に必要とされる距離は、約２００ミクロンよりも小さく維持することができ、これは、ｐ接点のどの部分も最も近いｎ接点の部分から２００ミクロンを超えないことを意味する。
【０００９】
電流波及は、下層の半導体層における電流がある程度かなりの横方向距離に広がらなければならない大面積装置の場合には特別な問題になる可能性がある。この問題を回避するために、図１に示す電流波及フィンガを使用するという概念が提案されている。しかし、図１に示すように、電流波及フィンガがｎ接点上にある装置において、電流波及量増大のためにフィンガを設置するためには、かなりの活性領域を犠牲にしなければならない。小面積チップ、すなわち面積が０．２平方ミリメートルよりも小さい装置においては、効率的な電流波及は、大面積チップほどは問題にならないであろう。しかし、それでも、半導体層に接触するためにはＬＥＤ活性領域を犠牲にしなければならない。一般的に、このような接点を成すために必要とされる最小絶対面積は、チップと電気的に接触することが可能な最小サイズによって固定されるであろう。フリップチップの場合、半田バンプ部の最小製造可能サイズが、下に重なる接触面積の最小サイズを決めるであろう。エピ・アップ構造の場合、ワイヤボンドを再生可能に作ることができる最小面積で、この最小接触面積が決まるであろう。従って、ＬＥＤチップの面積が小さくになるにつれて、ｎ型半導体層との接触を成すために必要とされるチップの部分的面積が大きなり、ＬＥＤの部分的活性領域面積は小さくなる。
【００１０】
図２は、本発明に従って形成されたＬＥＤの一実施例の平面図を示す。図１に示した単一大型ｎ接点を使用するのではなく、図２の装置は、装置の活性領域とｐ層とを通してエッチングされた一連のヴィア１４を通じて装置のｎ層に接触する。
図３は、軸線Ａを通して切り取った図２に示す装置の横断面である。図２及び図３において、わかりやすくするために金属接点ではなく半導体層のみが示されている。図３に示すように、１つ又はそれ以上のｎ型層１１は、基板１０上に形成される。活性領域１２は１つ又はそれ以上のｎ型層上に形成され、１つ又はそれ以上のｐ型層１３は、活性領域上に形成される。いくつかのヴィア１４は、例えば反応性イオンエッチを用いて、イオン注入、ドーパント拡散、又は、活性領域１２及びｐ型層１３の選択的な成長により、ｐ型層１３及び活性領域１２をエッチングで除去することによって装置内にｎ型層１１まで下って形成される。ヴィアの直径（図３の寸法ａ）は、例えば、約２ミクロンと約１００ミクロンの間とすることができ、通常、約１０ミクロンと約５０ミクロンの間である。ヴィア間の間隔（図３の寸法ｂ）は、例えば約５ミクロンと約１０００ミクロンの間とすることができ、通常、約５０ミクロンと約２００ミクロンの間である。図２に示す装置は、４×４矩形アレーのヴィアを有する。異なるサイズの矩形アレー（例えば６×６又は９×９）と同じく、六角形アレー、菱面体アレー、面心立方アレー、任意の配置、又は、他の適切な任意配置を使用してもよい。
【００１１】
ｐ接点は、ｐ型層１３の残りの部分上に形成され、ｎ接点は、ヴィア１４に堆積される。ｐ接点及びｎ接点は、通常、光吸収量が少なく接触抵抗が小さくなるように選択される。ＩＩＩ族窒化物装置については、ｐ接点は、例えばＡｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｒｈ、及び、Ｐｔから構成することができる。多層接点は、電流波及層として作用する厚い反射層と共に非常に薄い半透明オーム接触を含むことができる。オプションの障壁層は、オーム層と反射層との間に含められる。このようなｐ型多層接点の一例は、金／酸化ニッケル／アルミニウム接点である。この種の接点の一般的な厚みは、金が３０オングストローム、酸化ニッケルが１００オングストローム、及び、アルミニウムが１５００オングストロームである。ＩＩＩ族窒化物装置のｎ接点は、例えば、Ａｌ、Ａｇ、又は、多層接点とすることができる。適切なｎ型ＩＩＩ族窒化物多層接点は、チタン及びアルミニウムであり、一般的な厚みは、チタンが３０オングストローム、及び、アルミニウムが１５００オングストロームである。ＩＩＩ族燐化物装置については、ｐ接点は、例えば、Ａｕ：Ｚｎ、Ａｕ：Ｂｅ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、又は、Ａｇとすることができる。ＩＩＩ族燐化物装置のｎ接点は、例えば、Ａｕ：Ｔｅ、Ａｕ：Ｓｎ、Ａｕ：Ｇｅ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｒｈ、又は、Ｐｄとすることができる。
【００１２】
図４Ａから図４Ｅは、製作中の様々な段階における本発明の実施形態を示す。
図４Ａにおいて、１つ又はそれ以上のｎ型層１１は、基板１０上にエピタキシャル堆積される。ｎ型層は、例えば緩衝層、接触層、非ドープ結晶層、及び、様々な組成及びドーパント濃度のｎ型層を含むことができる。ｎ型層は、例えば、ＭＯＣＶＤによって堆積することができる。次に、活性領域１２がｎ型層１１上に形成される。活性領域１２は、例えば一組の障壁層によって分離された一組の量子井戸層を含むことができる。次に、１つ又はそれ以上のｐ型層１３が活性領域上に形成される。ｐ型層１３は、例えば、電子閉込め層、接触層、及び、様々な組成及びドーパント濃度の他のｐ型層を含むことができる。次に、電極を形成するか又はｐ型層１３に接触することになる１つ又はそれ以上のｐ型金属層２０が、ｐ型層１３上に堆積される。ｐ型金属層２０は、例えば、銀のような反射性の大きい金属とすることができる。銀がｐ型金属層２０として使用された時、オーム接触を作るためのニッケルのような薄い金属層がオプションとしてｐ型金属２０の下に堆積される。
ｐ型金属２０は、次に図４Ｂに示すように、例えば、エッチング又はリフトオフ処理と共に写真平版を使用してパターン化される。パターン化により、ｐ接点として使用されない全てのｐ型金属２０が取り除かれる。従って、パターン化は、図２及び図３に示すように、ヴィア１４の上に重なる全てのｐ型金属２０を取り除く。
【００１３】
図４Ｃにおいて、オプションの保護金属層５０が、残りのｐ型金属２０及び露出されたｐ型層１３の上に堆積される。保護金属層５０は、例えば、銀がｐ型金属層２０として使用される時に使用される。保護金属層５０は、銀のｐ型金属層２０が装置の他の部分に移動するのを防止する。次に、保護金属層５０は、パターン化され、１つ又はそれ以上のエッチング段階でエッチングされてヴィア１４を形成する。ヴィア１４は、エッチングではなくて、ヴィアが位置すべき場所にｐ型層が全く成長しないようにｐ型層１３を選択的に成長させることによって形成してもよい。あるいは、ヴィア１４は、ヴィアの位置のｐ型層及び活性領域をエッチングによって除去するのではなく、ｎ型領域をヴィアに形成するために、ｎ型イオンをヴィア内に位置するｐ型領域及び活性領域に注入又は拡散させることによって形成してもよい。従って、ヴィア１４は、必ずしもｐ型層１３及び活性領域１２に形成された開口部とは限らない。
【００１４】
図４Ｄにおいて、例えば酸化アルミニウムのような誘電体層２２が、ｐ型金属２０及び保護金属５０をヴィア１４内に堆積されるｎ型金属から絶縁するために堆積される。誘電体層２２は、誘電体層２２の両側の２つの材料を絶縁する任意の材料とすることができる。誘電体層２２は、ヴィア１４の底部でｎ型層１１を覆う誘電体層の部分を除去するためにパターン化される。誘電体層２２は、ｐ接点とｎ接点との間の短絡を防止するために低いピンホール密度を有するべきである。一部の実施形態においては、誘電体層２２は多重誘電体層である。
図４Ｅにおいて、ｎ型金属２１がヴィア１４に堆積される。各ヴィアに堆積されたｎ型金属を接続する相互接続部１５ａは、この時点で同じく堆積されてもよい。
【００１５】
図２に示すようなヴィア１４のアレーを使用して発光装置のｎ型層への接点を作ることは、いくつかの利点を提供することができる。第一に、ヴィアを使用すると、ｐ接点の下にある任意の点からｎ接点の下にある任意の点までの最大距離を小さくすることにより、装置内に必要とされる横方向の電流波及量が少なくなる。計算結果は、ヴィアのアレーで接触するｎ型層を有する大面積ＬＥＤのｎ型層における電流波及抵抗は、１／１０から１／２０に低減できることを示している。また、装置抵抗が小さくなると、装置の通常の作動電圧が小さくなり、これによって装置の壁コンセント効率が高められる。装置の壁コンセント効率は、装置に印加された電気的ワット数に対する出力された光学的ワット数の比と定義されている。従って、活性領域を通じて同じ電流密度を注入するためには、図２に示す装置のような装置の場合、図１に示す装置よりも小さい順電圧が必要とされるであろう。更に、電流波及がｎ型半導体層に発生して及ぶ距離が短くなると、活性領域内のより均一な電流密度をもたらし、その結果、装置のより均一な作動及び光出力が導かれる。更に、抵抗が小さくなるということは、装置内の発熱量が少なくなることを意味し、これによって接合部温度の低下を通じてより効率的な光生成もまたもたらされる。また、熱出力の低下は、サブマウントへの接続によって消散すべき熱が少なくなることから、サブマウントの設計を簡素化することができる。
【００１６】
第二に、図１及び図２に示す単一大型接点ではなく、ｎ型層との接触を行うためにヴィアが使用された時、装置の面積利用比が上がる。面積利用比は、接点が形成される装置の側の表面積に対するｐ型金属の面積の比と定義されている。面積利用比が上がるということは、活性領域はｐ型金属の下にあることから、装置はより多くの活性領域を有し、従ってより多くの光を生成することができることを意味する。面積利用比が上がるということはまた、高反射性のｐ接点の面積が増えることを意味する。従って、装置の接点側に入射する光のより多くの部分は、高反射性のｐ接点に入射し、その結果、装置内で発生する光の吸収量が少なくなる。ｎ接点に対してヴィアを使用する１平方ミリメートル装置の場合、面積利用比は、図１の装置で示すフィンガ接点方式では６８％であるのに対して、８０％を超えることができる。
【００１７】
第三に、大型ｎ接点ではなくヴィアを使用すると、ｐ型金属及びｎ型金属に対するサブマウント接続部の配置を任意にすることにより、サブマウントの設計を簡素化することができる。任意に配置されたサブマウント接続部を作る能力を図５、図６、及び、図７に示す。図５は、ヴィアを使用する大接合点装置（すなわち、０．２平方ミリメートルに等しいか又はそれ以上の面積）の平面図である。
ヴィア１４は、水平方向接続部１５ａ及び垂直方向接続部１５ｂによって相互接続される。相互接続部１５ａ及び１５ｂは、例えば、幅１０ミクロンとすることができる。図５はまた、可能なサブマウント接続を示す。サブマウント接続層１６及び１７は、作動中の除熱用の熱経路を形成しながら発光装置とサブマウントとの間の電気接続を形成する。サブマウント接続層１６及び１７は、半田層としてもよく、又は、単体金属、金属合金、半導体／金属合金、熱的及び電気的伝導性ペースト又は混合物（例えば、エポキシ）、発光装置及びサブマウント間の異種金属間の共晶接合（例えば、Ｐｄ−Ｉｎ−Ｐｄ）、金のスタッドバンプ、又は、半田バンプなどのサブマウント及び装置間の他の任意の種類の導電接続としてもよい。サブマウント接続部１６は、装置のｐ型金属の部分と接続し、サブマウント接続部１７は、一部のヴィアに堆積されたｎ型金属とヴィアを接続する相互接続部１５ａ及び１５ｂとに接続する。
【００１８】
図５に示すように、相互接続されたヴィアは装置上で格子を形成する。ヴィア１４内のｎ型金属のみがｎ型層に接触するが、相互接続部１５ａ及び１５ｂは、ヴィアと電気的に接続され、従ってｎ型層と電気的に接続される。従って、ヴィア１４と相互接続部１５ａ及び１５とは、サブマウントに対するｎ接点として利用可能である。図１に示すｎ接点と異なり、ヴィア１４と相互接続部１５ａ及び１５ｂとは、両方ともチップ上の特定の区域に制限されるものではない。同様に、ヴィア１４と相互接続部１５ａ及び１５ｂとによって形成された格子は、サブマウントに対するｐ接点として利用可能な９つのｐ接点区域のアレーを取り囲む。ｐ接点区域は、ｎ接点と同様、チップ上の特定の区域に制限されるものではない。従って、ｐ接点及びｎ接点は、チップ上の多くの場所に配置されることから、サブマウント接続部は、ｐ接点及びｎ接点の形状及び位置による制限は受けない。
【００１９】
図６は、軸線ＡＡに沿って切り取られた図５に示す装置の横断面である。ｎ型層１１、活性領域１２、ｐ型層１３、及び、ｐ型金属２０は、例えば図４Ａ〜４Ｅを参照しながら説明したように形成される。オプションの保護層５０は、わかりやすくするために省略されている。ヴィアは、誘電体層２２によってｐ型層及びｐ型金属接点から隔離される。次に、ｎ型金属は、チップ全体に亘って堆積されてパターン化され、ヴィア１４と相互接続部１５ａ及び１５ｂとにｎ接点２１を形成することができる。水平方向相互接続部１５ａが図６に示されている。次に、第２の誘電体層２３がチップ上に堆積される。第２の誘電体層２３は、サブマウント接続部１６の下になった装置の側にｐ型金属領域２０と位置合わせされた第１の組の開口部を、また、サブマウント接続部１７の下になった装置の側にヴィア１４と相互接続部１５ａ及び１５ｂとに位置合わせされた第２の組の開口部を作るためにパターン化される。サブマウント接続部１６がサブマウントに対するｐ接点てあることから、誘電体層２３は、サブマウント接続部１６を相互接続部１５ａ及び１５ｂから隔離する。サブマウント接続部１７がサブマウントに対するｎ接点であることから、誘電体層２３は、サブマウント接続部１７がヴィア１４と相互接続部１５ａ及び１５ｂとに電気的に接続することができるように、層１７の下にある相互接続部及びヴィアから除去される。
【００２０】
図７は、軸線ＢＢに沿って切り取られた図５に示す装置の横断面である。サブマウント接続部１６は、ｐ型金属２０との接点を作るためのものであり、従って、サブマウント接続部１６の真下にある区域において、垂直方向相互接続部１５ｂを覆う部分を除いて誘電体層２３の全てが除去される。サブマウント接続部１７は、ｎ型金属及び相互接続部との接点を作るためのものであり、従って、サブマウント接続部１７の下にある区域において、誘電体層２３は、垂直方向相互接続部１５ｂの上面からのみ除去される。すなわち、ｐ型金属層２０は、誘電体層２３によってサブマウント接続部１７から隔離される。サブマウント接続部１６及び１７は、図５に示すように堆積させる必要はない。誘電体層２３を適切にパターン化することによって他の構成が可能である。
【００２１】
サブマウントとの任意の接点を作ることができることにより、いくつかの利点が得られる。図５に示す大型導電性サブマウント接続部の方が、１つ又は多重の小型サブマウント接続部よりも容易かつ安価に装置上に堆積させることができる。例えば、図５に示す装置において、半田層は、サブマウント接続部１６及び１７に対してスクリーン及びステンシル印刷により容易に堆積させることができる。これとは対照的に、図１に示す装置では、ｎ電極に接触させるために半田バンプから必要とされる。半田バンプは、経費が掛かる上に厳しい製造公差が必要であり、スクリーン印刷半田の方が比較的安価で簡単である。また、大型導電性サブマウント接続部は、小型の接続部よりもＬＥＤフリップチップからの熱をより消散させる。当業技術で公知のように、低温の発光装置は、一般に生成する光の量が高温装置よりも多く、作動寿命の延長が得られる。
【００２２】
図８は、ヴィアを用いる小接合点装置（すなわち、１平方ミリメートルよりも小さい面積）の平面図である。図９は、軸線ＣＣに沿って取られた図８に示す装置の横断面である。図８及び図９に示す装置は、ｎ型層１１まで下がってエッチングされた単一ヴィア１４を有する。ｎ接点２１は、ヴィア１４に堆積される。
ｎ型ヴィア１４は、電流及び発光の均一性の改善が得られるように装置の中央部に位置する。反射性の大きいｐ接点２０は、ｐ型層１３上に堆積される。オプションの保護金属層５０は、反射性のｐ型金属層２０を覆い、厚いｐ型金属層２０ａが保護金属層５０上に堆積される。ｎ接点２１は、１つ又はそれ以上の誘電体層２２によって３つのｐ型金属層２０、５０、及び、２０ａから分離される。ｐ型サブマウント接続部１６は、ｐ型金属層２０ａに接続し、ｎ型サブマウント接続部１７は、装置をサブマウントに結合するためにｎ型金属層２１に接続する。
【００２３】
図８に示すように、装置は、３つのサブマウント、２つのｐ型サブマウント接続部１６、及び、１つのｎ型サブマウント接続部１７によってサブマウントに結合される。ｎ型サブマウント接続部１７は、ｎ接点領域２１（絶縁層２２によって取り囲まれた）内のどこにでも位置することができ、ヴィア１４の真上に配置する必要はない。同様に、ｐ型サブマウント接続部１６は、ｐ型金属層２０ａ上のどこにでも配置することができる。その結果、装置のサブマウントへの接続は、ｐ接点２０ａ及びｎ接点２１の形状又は配置による制限は受けない。
【００２４】
大接合点又は小接合点装置において、ヴィアは、大型接点と共に使用することができる。図１５は、小接合点装置の平面図である。図１４は、図１５に示す装置の軸ＤＤに沿った横断面である。図１５に示すように、装置は、活性領域を取り囲む連続的なｎ接点リング２５と共に１つ又はそれ以上のヴィア２１を含むことができる。図１４は、ヴィア２１及びリング２５が、相互接続部１５ａによって電気的に接続されていることを示す。リング２５により、電流が横方向に波及すべき距離が短くなり、従って装置の直列抵抗が小さくなる。図１４及び図１５に示す装置は、単一ヴィアを有する小接合点装置を示す。図１４及び図１５のリング２５はまた、１つよりも多いヴィア２１を有する大接合点装置において使用することができる。
上述の実施例では発光装置ダイ及びサブマウント間の相互接続部が半田であると説明しているが、任意の適切な相互接続部を使用することができる。例えば、相互接続部は、単体金属、金属合金、半導体／金属合金、半田、エポキシのような熱的及び電気的伝導性ペースト又は混合物、Ｐｄ−Ｉｎ−Ｐｄのような共晶接合、Ａｕのスタッドバンプ、又は、半田バンプとすることができる。
【００２５】
図１０は、パッケージ化された発光装置の分解図である。放熱スラグ１００は、インサート成形リードフレーム１０６内に配置される。インサート成形リードフレーム１０６は、例えば、電気的経路を形成する金属フレームの周りに成形された充填式プラスチック材料である。スラグ１００は、オプションの反射カップ１０２を含むことができる。本明細書で説明する装置のいずれであってもよい発光装置ダイ１０４は、熱伝導性サブマウント１０３を通じてスラグ１００に直接又は間接的に取り付けられる。オプションのレンズ１０８を追加してもよい。
【００２６】
図１２は、パッケージ化された発光装置の代替実施形態を示す。本明細書で説明する装置のいずれでもあってもよい発光装置１０４は、ハウジング１３６内に配置されたサブマウント１０３上に取り付けられてそれと電気的に接続される。
電気リード線１３２により、サブマウント１０３の正及び負の端子はパッケージの正及び負の端子１３０に接続される。レンズ１３４で発光装置１０４を覆ってもよい。レンズ１３４及びハウジング１３６は、例えば、透明エポキシで形成することができる。
図１１は、盤上に取り付けられた複数のＬＥＤの横断面を示す。本明細書で説明する装置のいずれでもあってもよいＬＥＤ１０４は、相互接続部１２２によって盤１２０に接続される。相互接続部１２２は、例えば半田であってもよい。盤１２０上のトレース１２４は、各ＬＥＤ１０４を電気的に接続する。
【００２７】
図１３は、波長変換層１３００を含む本発明の実施形態の横断面を示す。波長変換層１３００は、燐光体などの蛍光材料とすることができる。波長変換層１３００は、活性領域１２から発せられた光を吸収してその光の波長を変換する。図１３に示すような装置における燐光体などの波長変換材料の変換効率は、接点２０及び２１の反射率に依存する。波長変換層１３００は、全方向に光を発し、従って波長変換された光の多くの部分は、接点２０及び２１に入射する。光はまた、波長変換層１３００を出る時に光学的に散乱し、波長変換された光の多くの部分を同じく接点２０及び２１に向ける。すなわち、接点２０及び２１の全体的な反射率が大きいほど、装置から出る光の部分が大きくなる。
【００２８】
装置の全体的な反射率は、面積重み付け反射率として表現することができる。
面積重み付け反射率は、各接点の反射率にその接点で覆われた装置の面積の百分率を掛けたものの合計である。単一大型ｎ接点を有する装置は、例えば、装置面積の５０％を覆う銀ｐ接点（９２％反射率）と装置面積の２０％を覆うアルミニウムｎ接点（８２％反射率）とを有することができる。このような装置であれば、０．９２＊０．５＋０．８２＊０．２＝０．６２という面積重み付け反射率を有するであろう。これとは対照的に、ヴィア内に形成された多重ｎ接点を有する装置は、装置の８０％を覆う銀ｐ接点と装置の２％を覆う多重アルミニウムｎ接点とを有することができ、面積重み付け反射率は、０．９２＊０．８＋０．８２＊０．０２＝０．７５になる。０．６５を超えるいずれの面積重み付け反射率も、波長変換層を含む装置の変換効率を上げることができる。
【００２９】
本発明は説明のためにいくつかの特定の実施形態に関して記述されたが、本発明はそれらに限定されるものではない。様々な図の様々な構造の描写は例証的なものである。例えば、本発明は、ＩＩＩ族窒化物又はＩＩＩ族燐化物装置に限定されるものではなく、ｐ接点及びｎ接点の両方が装置の同じ側に形成される任意の装置と共に使用することができる。特許請求の範囲で規定される本発明の範囲から逸脱することなく、説明した実施形態の様々な特徴の様々な変更、適応、及び、組合せを実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】大接合点発光装置の例を示す図である。
【図２】ヴィアを有する大接合点発光装置の平面図である。
【図３】軸線Ａに沿った図２に示した装置の横断面図である。
【図４Ａ】製作中の様々な段階における本発明の実施形態を示す図である。
【図４Ｂ】製作中の様々な段階における本発明の実施形態を示す図である。
【図４Ｃ】製作中の様々な段階における本発明の実施形態を示す図である。
【図４Ｄ】製作中の様々な段階における本発明の実施形態を示す図である。
【図４Ｅ】製作中の様々な段階における本発明の実施形態を示す図である。
【図５】ヴィア及び半田接続部を有する発光装置の平面図である。
【図６】軸線ＡＡに沿った図５に示した装置の横断面図である。
【図７】軸線ＢＢに沿った図５に示した装置の横断面図である。
【図８】ヴィアを有する小接合点発光装置の平面図である。
【図９】軸線ＣＣに沿った図８に示した装置の平面図である。
【図１０】パッケージに組み込まれた発光装置の分解図である。
【図１１】盤上に取り付けられた複数の発光装置の横断面図である。
【図１２】パッケージに組み込まれた発光装置を示す図である。
【図１３】波長変換材料を有する発光装置を示す図である。
【図１４】小接合点発光装置の代替実施形態の横断面図である。
【図１５】小接合点発光装置の代替実施形態の平面図である。
【符号の説明】
１０ 基板
１１ ｎ型層
１２ 活性領域
１３ ｐ型層
１４ ヴィア
ａ ヴィアの直径
ｂ ヴィア間の間隔
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に発光ダイオードに関し、更に詳しくは発光ダイオードの接点に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光装置は、現時点で利用可能な最も効率的な光源の１つである。可視スぺクトル全体に亘って作動することができる高輝度ＬＥＤの製造において現在関連のある材料システムには、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、特に、ガリウム、アルミニウム、インジウム、及び、窒素から成るＩＩＩ族窒化物材料とも呼ばれる二元、三元、及び、四元合金、及び、ガリウム、インジウム、及び、燐から成るＩＩＩ族燐化物材料とも呼ばれる二元、三元、及び、四元合金が含まれる。金属有機化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）分子線エピタキシー（ＭＢＥ）又は他のエピタキシャル技術により、ＩＩＩ族窒化物装置は、サファイヤ、炭化ケイ素、又は、ＩＩＩ族窒化物の基板上にエピタキシャル成長させられ、ＩＩＩ族燐化物装置は、ガリウム砒素上にエピタキシャル成長させられることが多い。ｎ型層（又は複数の層）が基板上に堆積され、次に活性領域がｎ型層上に堆積され、その後にｐ型層が活性領域上に堆積されることが多い。層の順番は、ｐ型層が基板に隣接するように逆にすることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これらの基板のいくつかは、絶縁性又は不良導電性である。一部の例において、光学的な抽出を強化するために、ウインドウが半導体層に取り付けられる。不良導電性基板上で成長させたか、又は、それに付着させた半導体結晶から作られた装置は、装置の同じ側面上にエピタキシャル成長半導体との正負両極性の電気接点を有していなければならない。これとは対照的に、導電性基板上で成長させた半導体装置は、一方の電気接点がエピタキシャル成長材料上に形成され、他方の電気接点が基板上に形成されるように作ることができる。しかし、導電性基板上に作られた装置はまた、ＬＥＤチップからの光抽出を高めるために装置のエピタキシャル材料を成長させた同じ側に両方の接点を有するように設計されてもよい。同じ側に形成されたｐ及びｎ接点の両方を有する装置は２種類ある。第一の種類（フリップチップともいう）においては、光は、基板又はウインドウ材料を通じて抽出される。第２の種類（エピ・アップ構造ともいう）においては、光は、接点、装置の最上部半導体層、又は、装置の縁部を通じて抽出される。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の一実施形態によれば、発光装置は、基板、第１の導電型の層、発光層、及び、第２の導電型の層を含む。複数のヴィアが第２導電型層内で形成され、第１導電型層まで下がる。ヴィアは、例えば、エッチング、イオン注入、拡散、又は、少なくとも１つの第２導電型層の選択的な成長によって形成することができる。一組の第１の接点が、ヴィアを通じて第１導電型層に電気的に接続する。
第２の接点は、第２導電型層に電気的に接続する。一部の実施形態において、第２の接点の面積は、装置の面積の少なくとも７５％である。一部の実施形態において、ヴィアは、幅が約２ミクロンから約１００ミクロンの間であり、約５ミクロンと約１０００ミクロンの間で離間している。一部の実施形態において、ヴィアは、正方形アレー、六角形アレー、菱面体アレー、及び、任意の配置で形成される。
【０００５】
本発明による発光装置は、いくつかの利点を提供することができる。第一に、電流が半導体内で横方向に広がるべき距離が小さくなることから、装置の直列抵抗を小さくすることができる。第二に、活性領域の面積及び第２の接点の面積は、単一の第１の接点を有する装置よりも大きいことから、より多くの光を生成して装置から抽出することができる。第三に、本発明は、装置とサブマウントとの間の相互接続部の形状を簡素化することができ、例えば、低コスト半田堆積法の使用を可能にする。
【０００６】
一実施形態において、第１の接点は、一組の相互接続部によって接続される。
絶縁層が装置上に形成される。絶縁層の一部分上では、第２の接点と位置合わせされた開口部が絶縁層内に作られる。絶縁層の別の部分では、第１の接点及び相互接続部と位置合わせされた開口部が絶縁層内に作られる。半田などのサブマウント接続材料の第１の層が装置の一方の部分に堆積され、サブマウント接続材料の第２の層は、装置の他方の部分に堆積される。２つのサブマウント接続層は、その後に装置をサブマウントに接続するのに使用することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態によれば、発光ダイオードなどの発光装置は、複数のヴィアを有するｎ接点を用いて形成される。このような発光装置は、例えば、ＩＩ−ＶＩ族材料システムと、ＩＩＩ族窒化物、ＩＩＩ族燐化物、及び、ＩＩＩ族砒化物などのＩＩＩ−Ｖ族材料システムとを含む任意の適切な材料システムとしてもよい。
図１は、大面積ＩＩＩ族窒化物フリップチップ発光装置を示す。大面積装置は、約０．２平方ミリメートルに等しいか又はそれ以上の面積を有する装置であり、一方、小面積装置は、例えば約０．２平方ミリメートルよりも小さい面積を有する装置である。小面積装置は、例えば、０．３ミリメートル×０．４ミリメートルとすることができる。図１に示す装置は、例えば、一片１ミリメートルとすることができる。図１に示す装置は、本明細書において引用により組み込まれる、Ｋｒａｍｅｓ他に付与された１９９９年１２月２２日出願の「光生成能力を増したＩＩＩ族窒化物発光装置」という名称の米国特許出願一連番号０９／４６９，６５７に更に詳細に説明されている。図１に示す装置は、単一大型ｎ接点及び単一大型ｐ接点を有する。
【０００８】
ｐ型層の抵抗が大きいために、ＩＩＩ族窒化物発光装置は、ｐ側電流波及をもたらすためにｐ型層の上に重なる金属層を採用している。両方の接点が装置の同じ側に形成された時、ｎ側電流波及は、ｎ型ＩＩＩ族窒化物層を通じて起こらなければならない。また、導電性基板上に形成されたＩＩＩ族燐化物装置において、ｎ側電流波及は、基板を通じて発生してもよい。ＩＩＩ族窒化物、ＩＩＩ族燐化物の両方の装置において、長い距離に亘って電流波及を必要とすれば、抵抗が大きくなり電流密度の一貫性が損なわれることから、半導体内の電流波及が必要とされる距離は最小限に抑えるべきである。増加した駆動電圧は、ｎ型層の全ての点において所要電流密度を得るために、装置に印加しなければならない。図１に示すＩＩＩ族窒化物装置において、例えば、ｎ型層によって電流波及に必要とされる距離は、約２００ミクロンよりも小さく維持することができ、これは、ｐ接点のどの部分も最も近いｎ接点の部分から２００ミクロンを超えないことを意味する。
【０００９】
電流波及は、下層の半導体層における電流がある程度かなりの横方向距離に広がらなければならない大面積装置の場合には特別な問題になる可能性がある。この問題を回避するために、図１に示す電流波及フィンガを使用するという概念が提案されている。しかし、図１に示すように、電流波及フィンガがｎ接点上にある装置において、電流波及量増大のためにフィンガを設置するためには、かなりの活性領域を犠牲にしなければならない。小面積チップ、すなわち面積が０．２平方ミリメートルよりも小さい装置においては、効率的な電流波及は、大面積チップほどは問題にならないであろう。しかし、それでも、半導体層に接触するためにはＬＥＤ活性領域を犠牲にしなければならない。一般的に、このような接点を成すために必要とされる最小絶対面積は、チップと電気的に接触することが可能な最小サイズによって固定されるであろう。フリップチップの場合、半田バンプ部の最小製造可能サイズが、下に重なる接触面積の最小サイズを決めるであろう。エピ・アップ構造の場合、ワイヤボンドを再生可能に作ることができる最小面積で、この最小接触面積が決まるであろう。従って、ＬＥＤチップの面積が小さくになるにつれて、ｎ型半導体層との接触を成すために必要とされるチップの部分的面積が大きなり、ＬＥＤの部分的活性領域面積は小さくなる。
【００１０】
図２は、本発明に従って形成されたＬＥＤの一実施例の平面図を示す。図１に示した単一大型ｎ接点を使用するのではなく、図２の装置は、装置の活性領域とｐ層とを通してエッチングされた一連のヴィア１４を通じて装置のｎ層に接触する。
図３は、軸線Ａを通して切り取った図２に示す装置の横断面である。図２及び図３において、わかりやすくするために金属接点ではなく半導体層のみが示されている。図３に示すように、１つ又はそれ以上のｎ型層１１は、基板１０上に形成される。活性領域１２は１つ又はそれ以上のｎ型層上に形成され、１つ又はそれ以上のｐ型層１３は、活性領域上に形成される。いくつかのヴィア１４は、例えば反応性イオンエッチを用いて、イオン注入、ドーパント拡散、又は、活性領域１２及びｐ型層１３の選択的な成長により、ｐ型層１３及び活性領域１２をエッチングで除去することによって装置内にｎ型層１１まで下って形成される。ヴィアの直径（図３の寸法ａ）は、例えば、約２ミクロンと約１００ミクロンの間とすることができ、通常、約１０ミクロンと約５０ミクロンの間である。ヴィア間の間隔（図３の寸法ｂ）は、例えば約５ミクロンと約１０００ミクロンの間とすることができ、通常、約５０ミクロンと約２００ミクロンの間である。図２に示す装置は、４×４矩形アレーのヴィアを有する。異なるサイズの矩形アレー（例えば６×６又は９×９）と同じく、六角形アレー、菱面体アレー、面心立方アレー、任意の配置、又は、他の適切な任意配置を使用してもよい。
【００１１】
ｐ接点は、ｐ型層１３の残りの部分上に形成され、ｎ接点は、ヴィア１４に堆積される。ｐ接点及びｎ接点は、通常、光吸収量が少なく接触抵抗が小さくなるように選択される。ＩＩＩ族窒化物装置については、ｐ接点は、例えばＡｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｒｈ、及び、Ｐｔから構成することができる。多層接点は、電流波及層として作用する厚い反射層と共に非常に薄い半透明オーム接触を含むことができる。オプションの障壁層は、オーム層と反射層との間に含められる。このようなｐ型多層接点の一例は、金／酸化ニッケル／アルミニウム接点である。この種の接点の一般的な厚みは、金が３０オングストローム、酸化ニッケルが１００オングストローム、及び、アルミニウムが１５００オングストロームである。ＩＩＩ族窒化物装置のｎ接点は、例えば、Ａｌ、Ａｇ、又は、多層接点とすることができる。適切なｎ型ＩＩＩ族窒化物多層接点は、チタン及びアルミニウムであり、一般的な厚みは、チタンが３０オングストローム、及び、アルミニウムが１５００オングストロームである。ＩＩＩ族燐化物装置については、ｐ接点は、例えば、Ａｕ：Ｚｎ、Ａｕ：Ｂｅ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、又は、Ａｇとすることができる。ＩＩＩ族燐化物装置のｎ接点は、例えば、Ａｕ：Ｔｅ、Ａｕ：Ｓｎ、Ａｕ：Ｇｅ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｒｈ、又は、Ｐｄとすることができる。
【００１２】
図４Ａから図４Ｅは、製作中の様々な段階における本発明の実施形態を示す。
図４Ａにおいて、１つ又はそれ以上のｎ型層１１は、基板１０上にエピタキシャル堆積される。ｎ型層は、例えば緩衝層、接触層、非ドープ結晶層、及び、様々な組成及びドーパント濃度のｎ型層を含むことができる。ｎ型層は、例えば、ＭＯＣＶＤによって堆積することができる。次に、活性領域１２がｎ型層１１上に形成される。活性領域１２は、例えば一組の障壁層によって分離された一組の量子井戸層を含むことができる。次に、１つ又はそれ以上のｐ型層１３が活性領域上に形成される。ｐ型層１３は、例えば、電子閉込め層、接触層、及び、様々な組成及びドーパント濃度の他のｐ型層を含むことができる。次に、電極を形成するか又はｐ型層１３に接触することになる１つ又はそれ以上のｐ型金属層２０が、ｐ型層１３上に堆積される。ｐ型金属層２０は、例えば、銀のような反射性の大きい金属とすることができる。銀がｐ型金属層２０として使用された時、オーム接触を作るためのニッケルのような薄い金属層がオプションとしてｐ型金属２０の下に堆積される。
ｐ型金属２０は、次に図４Ｂに示すように、例えば、エッチング又はリフトオフ処理と共に写真平版を使用してパターン化される。パターン化により、ｐ接点として使用されない全てのｐ型金属２０が取り除かれる。従って、パターン化は、図２及び図３に示すように、ヴィア１４の上に重なる全てのｐ型金属２０を取り除く。
【００１３】
図４Ｃにおいて、オプションの保護金属層５０が、残りのｐ型金属２０及び露出されたｐ型層１３の上に堆積される。保護金属層５０は、例えば、銀がｐ型金属層２０として使用される時に使用される。保護金属層５０は、銀のｐ型金属層２０が装置の他の部分に移動するのを防止する。次に、保護金属層５０は、パターン化され、１つ又はそれ以上のエッチング段階でエッチングされてヴィア１４を形成する。ヴィア１４は、エッチングではなくて、ヴィアが位置すべき場所にｐ型層が全く成長しないようにｐ型層１３を選択的に成長させることによって形成してもよい。あるいは、ヴィア１４は、ヴィアの位置のｐ型層及び活性領域をエッチングによって除去するのではなく、ｎ型領域をヴィアに形成するために、ｎ型イオンをヴィア内に位置するｐ型領域及び活性領域に注入又は拡散させることによって形成してもよい。従って、ヴィア１４は、必ずしもｐ型層１３及び活性領域１２に形成された開口部とは限らない。
【００１４】
図４Ｄにおいて、例えば酸化アルミニウムのような誘電体層２２が、ｐ型金属２０及び保護金属５０をヴィア１４内に堆積されるｎ型金属から絶縁するために堆積される。誘電体層２２は、誘電体層２２の両側の２つの材料を絶縁する任意の材料とすることができる。誘電体層２２は、ヴィア１４の底部でｎ型層１１を覆う誘電体層の部分を除去するためにパターン化される。誘電体層２２は、ｐ接点とｎ接点との間の短絡を防止するために低いピンホール密度を有するべきである。一部の実施形態においては、誘電体層２２は多重誘電体層である。
図４Ｅにおいて、ｎ型金属２１がヴィア１４に堆積される。各ヴィアに堆積されたｎ型金属を接続する相互接続部１５ａは、この時点で同じく堆積されてもよい。
【００１５】
図２に示すようなヴィア１４のアレーを使用して発光装置のｎ型層への接点を作ることは、いくつかの利点を提供することができる。第一に、ヴィアを使用すると、ｐ接点の下にある任意の点からｎ接点の下にある任意の点までの最大距離を小さくすることにより、装置内に必要とされる横方向の電流波及量が少なくなる。計算結果は、ヴィアのアレーで接触するｎ型層を有する大面積ＬＥＤのｎ型層における電流波及抵抗は、１／１０から１／２０に低減できることを示している。また、装置抵抗が小さくなると、装置の通常の作動電圧が小さくなり、これによって装置の壁コンセント効率が高められる。装置の壁コンセント効率は、装置に印加された電気的ワット数に対する出力された光学的ワット数の比と定義されている。従って、活性領域を通じて同じ電流密度を注入するためには、図２に示す装置のような装置の場合、図１に示す装置よりも小さい順電圧が必要とされるであろう。更に、電流波及がｎ型半導体層に発生して及ぶ距離が短くなると、活性領域内のより均一な電流密度をもたらし、その結果、装置のより均一な作動及び光出力が導かれる。更に、抵抗が小さくなるということは、装置内の発熱量が少なくなることを意味し、これによって接合部温度の低下を通じてより効率的な光生成もまたもたらされる。また、熱出力の低下は、サブマウントへの接続によって消散すべき熱が少なくなることから、サブマウントの設計を簡素化することができる。
【００１６】
第二に、図１及び図２に示す単一大型接点ではなく、ｎ型層との接触を行うためにヴィアが使用された時、装置の面積利用比が上がる。面積利用比は、接点が形成される装置の側の表面積に対するｐ型金属の面積の比と定義されている。面積利用比が上がるということは、活性領域はｐ型金属の下にあることから、装置はより多くの活性領域を有し、従ってより多くの光を生成することができることを意味する。面積利用比が上がるということはまた、高反射性のｐ接点の面積が増えることを意味する。従って、装置の接点側に入射する光のより多くの部分は、高反射性のｐ接点に入射し、その結果、装置内で発生する光の吸収量が少なくなる。ｎ接点に対してヴィアを使用する１平方ミリメートル装置の場合、面積利用比は、図１の装置で示すフィンガ接点方式では６８％であるのに対して、８０％を超えることができる。
【００１７】
第三に、大型ｎ接点ではなくヴィアを使用すると、ｐ型金属及びｎ型金属に対するサブマウント接続部の配置を任意にすることにより、サブマウントの設計を簡素化することができる。任意に配置されたサブマウント接続部を作る能力を図５、図６、及び、図７に示す。図５は、ヴィアを使用する大接合点装置（すなわち、０．２平方ミリメートルに等しいか又はそれ以上の面積）の平面図である。
ヴィア１４は、水平方向接続部１５ａ及び垂直方向接続部１５ｂによって相互接続される。相互接続部１５ａ及び１５ｂは、例えば、幅１０ミクロンとすることができる。図５はまた、可能なサブマウント接続を示す。サブマウント接続層１６及び１７は、作動中の除熱用の熱経路を形成しながら発光装置とサブマウントとの間の電気接続を形成する。サブマウント接続層１６及び１７は、半田層としてもよく、又は、単体金属、金属合金、半導体／金属合金、熱的及び電気的伝導性ペースト又は混合物（例えば、エポキシ）、発光装置及びサブマウント間の異種金属間の共晶接合（例えば、Ｐｄ−Ｉｎ−Ｐｄ）、金のスタッドバンプ、又は、半田バンプなどのサブマウント及び装置間の他の任意の種類の導電接続としてもよい。サブマウント接続部１６は、装置のｐ型金属の部分と接続し、サブマウント接続部１７は、一部のヴィアに堆積されたｎ型金属とヴィアを接続する相互接続部１５ａ及び１５ｂとに接続する。
【００１８】
図５に示すように、相互接続されたヴィアは装置上で格子を形成する。ヴィア１４内のｎ型金属のみがｎ型層に接触するが、相互接続部１５ａ及び１５ｂは、ヴィアと電気的に接続され、従ってｎ型層と電気的に接続される。従って、ヴィア１４と相互接続部１５ａ及び１５とは、サブマウントに対するｎ接点として利用可能である。図１に示すｎ接点と異なり、ヴィア１４と相互接続部１５ａ及び１５ｂとは、両方ともチップ上の特定の区域に制限されるものではない。同様に、ヴィア１４と相互接続部１５ａ及び１５ｂとによって形成された格子は、サブマウントに対するｐ接点として利用可能な９つのｐ接点区域のアレーを取り囲む。ｐ接点区域は、ｎ接点と同様、チップ上の特定の区域に制限されるものではない。従って、ｐ接点及びｎ接点は、チップ上の多くの場所に配置されることから、サブマウント接続部は、ｐ接点及びｎ接点の形状及び位置による制限は受けない。
【００１９】
図６は、軸線ＡＡに沿って切り取られた図５に示す装置の横断面である。ｎ型層１１、活性領域１２、ｐ型層１３、及び、ｐ型金属２０は、例えば図４Ａ〜４Ｅを参照しながら説明したように形成される。オプションの保護層５０は、わかりやすくするために省略されている。ヴィアは、誘電体層２２によってｐ型層及びｐ型金属接点から隔離される。次に、ｎ型金属は、チップ全体に亘って堆積されてパターン化され、ヴィア１４と相互接続部１５ａ及び１５ｂとにｎ接点２１を形成することができる。水平方向相互接続部１５ａが図６に示されている。次に、第２の誘電体層２３がチップ上に堆積される。第２の誘電体層２３は、サブマウント接続部１６の下になった装置の側にｐ型金属領域２０と位置合わせされた第１の組の開口部を、また、サブマウント接続部１７の下になった装置の側にヴィア１４と相互接続部１５ａ及び１５ｂとに位置合わせされた第２の組の開口部を作るためにパターン化される。サブマウント接続部１６がサブマウントに対するｐ接点てあることから、誘電体層２３は、サブマウント接続部１６を相互接続部１５ａ及び１５ｂから隔離する。サブマウント接続部１７がサブマウントに対するｎ接点であることから、誘電体層２３は、サブマウント接続部１７がヴィア１４と相互接続部１５ａ及び１５ｂとに電気的に接続することができるように、層１７の下にある相互接続部及びヴィアから除去される。
【００２０】
図７は、軸線ＢＢに沿って切り取られた図５に示す装置の横断面である。サブマウント接続部１６は、ｐ型金属２０との接点を作るためのものであり、従って、サブマウント接続部１６の真下にある区域において、垂直方向相互接続部１５ｂを覆う部分を除いて誘電体層２３の全てが除去される。サブマウント接続部１７は、ｎ型金属及び相互接続部との接点を作るためのものであり、従って、サブマウント接続部１７の下にある区域において、誘電体層２３は、垂直方向相互接続部１５ｂの上面からのみ除去される。すなわち、ｐ型金属層２０は、誘電体層２３によってサブマウント接続部１７から隔離される。サブマウント接続部１６及び１７は、図５に示すように堆積させる必要はない。誘電体層２３を適切にパターン化することによって他の構成が可能である。
【００２１】
サブマウントとの任意の接点を作ることができることにより、いくつかの利点が得られる。図５に示す大型導電性サブマウント接続部の方が、１つ又は多重の小型サブマウント接続部よりも容易かつ安価に装置上に堆積させることができる。例えば、図５に示す装置において、半田層は、サブマウント接続部１６及び１７に対してスクリーン及びステンシル印刷により容易に堆積させることができる。これとは対照的に、図１に示す装置では、ｎ電極に接触させるために半田バンプから必要とされる。半田バンプは、経費が掛かる上に厳しい製造公差が必要であり、スクリーン印刷半田の方が比較的安価で簡単である。また、大型導電性サブマウント接続部は、小型の接続部よりもＬＥＤフリップチップからの熱をより消散させる。当業技術で公知のように、低温の発光装置は、一般に生成する光の量が高温装置よりも多く、作動寿命の延長が得られる。
【００２２】
図８は、ヴィアを用いる小接合点装置（すなわち、１平方ミリメートルよりも小さい面積）の平面図である。図９は、軸線ＣＣに沿って取られた図８に示す装置の横断面である。図８及び図９に示す装置は、ｎ型層１１まで下がってエッチングされた単一ヴィア１４を有する。ｎ接点２１は、ヴィア１４に堆積される。
ｎ型ヴィア１４は、電流及び発光の均一性の改善が得られるように装置の中央部に位置する。反射性の大きいｐ接点２０は、ｐ型層１３上に堆積される。オプションの保護金属層５０は、反射性のｐ型金属層２０を覆い、厚いｐ型金属層２０ａが保護金属層５０上に堆積される。ｎ接点２１は、１つ又はそれ以上の誘電体層２２によって３つのｐ型金属層２０、５０、及び、２０ａから分離される。ｐ型サブマウント接続部１６は、ｐ型金属層２０ａに接続し、ｎ型サブマウント接続部１７は、装置をサブマウントに結合するためにｎ型金属層２１に接続する。
【００２３】
図８に示すように、装置は、３つのサブマウント、２つのｐ型サブマウント接続部１６、及び、１つのｎ型サブマウント接続部１７によってサブマウントに結合される。ｎ型サブマウント接続部１７は、ｎ接点領域２１（絶縁層２２によって取り囲まれた）内のどこにでも位置することができ、ヴィア１４の真上に配置する必要はない。同様に、ｐ型サブマウント接続部１６は、ｐ型金属層２０ａ上のどこにでも配置することができる。その結果、装置のサブマウントへの接続は、ｐ接点２０ａ及びｎ接点２１の形状又は配置による制限は受けない。
【００２４】
大接合点又は小接合点装置において、ヴィアは、大型接点と共に使用することができる。図１５は、小接合点装置の平面図である。図１４は、図１５に示す装置の軸ＤＤに沿った横断面である。図１５に示すように、装置は、活性領域を取り囲む連続的なｎ接点リング２５と共に１つ又はそれ以上のヴィア２１を含むことができる。図１４は、ヴィア２１及びリング２５が、相互接続部１５ａによって電気的に接続されていることを示す。リング２５により、電流が横方向に波及すべき距離が短くなり、従って装置の直列抵抗が小さくなる。図１４及び図１５に示す装置は、単一ヴィアを有する小接合点装置を示す。図１４及び図１５のリング２５はまた、１つよりも多いヴィア２１を有する大接合点装置において使用することができる。
上述の実施例では発光装置ダイ及びサブマウント間の相互接続部が半田であると説明しているが、任意の適切な相互接続部を使用することができる。例えば、相互接続部は、単体金属、金属合金、半導体／金属合金、半田、エポキシのような熱的及び電気的伝導性ペースト又は混合物、Ｐｄ−Ｉｎ−Ｐｄのような共晶接合、Ａｕのスタッドバンプ、又は、半田バンプとすることができる。
【００２５】
図１０は、パッケージ化された発光装置の分解図である。放熱スラグ１００は、インサート成形リードフレーム１０６内に配置される。インサート成形リードフレーム１０６は、例えば、電気的経路を形成する金属フレームの周りに成形された充填式プラスチック材料である。スラグ１００は、オプションの反射カップ１０２を含むことができる。本明細書で説明する装置のいずれであってもよい発光装置ダイ１０４は、熱伝導性サブマウント１０３を通じてスラグ１００に直接又は間接的に取り付けられる。オプションのレンズ１０８を追加してもよい。
【００２６】
図１２は、パッケージ化された発光装置の代替実施形態を示す。本明細書で説明する装置のいずれでもあってもよい発光装置１０４は、ハウジング１３６内に配置されたサブマウント１０３上に取り付けられてそれと電気的に接続される。
電気リード線１３２により、サブマウント１０３の正及び負の端子はパッケージの正及び負の端子１３０に接続される。レンズ１３４で発光装置１０４を覆ってもよい。レンズ１３４及びハウジング１３６は、例えば、透明エポキシで形成することができる。
図１１は、盤上に取り付けられた複数のＬＥＤの横断面を示す。本明細書で説明する装置のいずれでもあってもよいＬＥＤ１０４は、相互接続部１２２によって盤１２０に接続される。相互接続部１２２は、例えば半田であってもよい。盤１２０上のトレース１２４は、各ＬＥＤ１０４を電気的に接続する。
【００２７】
図１３は、波長変換層１３００を含む本発明の実施形態の横断面を示す。波長変換層１３００は、燐光体などの蛍光材料とすることができる。波長変換層１３００は、活性領域１２から発せられた光を吸収してその光の波長を変換する。図１３に示すような装置における燐光体などの波長変換材料の変換効率は、接点２０及び２１の反射率に依存する。波長変換層１３００は、全方向に光を発し、従って波長変換された光の多くの部分は、接点２０及び２１に入射する。光はまた、波長変換層１３００を出る時に光学的に散乱し、波長変換された光の多くの部分を同じく接点２０及び２１に向ける。すなわち、接点２０及び２１の全体的な反射率が大きいほど、装置から出る光の部分が大きくなる。
【００２８】
装置の全体的な反射率は、面積重み付け反射率として表現することができる。
面積重み付け反射率は、各接点の反射率にその接点で覆われた装置の面積の百分率を掛けたものの合計である。単一大型ｎ接点を有する装置は、例えば、装置面積の５０％を覆う銀ｐ接点（９２％反射率）と装置面積の２０％を覆うアルミニウムｎ接点（８２％反射率）とを有することができる。このような装置であれば、０．９２＊０．５＋０．８２＊０．２＝０．６２という面積重み付け反射率を有するであろう。これとは対照的に、ヴィア内に形成された多重ｎ接点を有する装置は、装置の８０％を覆う銀ｐ接点と装置の２％を覆う多重アルミニウムｎ接点とを有することができ、面積重み付け反射率は、０．９２＊０．８＋０．８２＊０．０２＝０．７５になる。０．６５を超えるいずれの面積重み付け反射率も、波長変換層を含む装置の変換効率を上げることができる。
【００２９】
本発明は説明のためにいくつかの特定の実施形態に関して記述されたが、本発明はそれらに限定されるものではない。様々な図の様々な構造の描写は例証的なものである。例えば、本発明は、ＩＩＩ族窒化物又はＩＩＩ族燐化物装置に限定されるものではなく、ｐ接点及びｎ接点の両方が装置の同じ側に形成される任意の装置と共に使用することができる。特許請求の範囲で規定される本発明の範囲から逸脱することなく、説明した実施形態の様々な特徴の様々な変更、適応、及び、組合せを実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】大接合点発光装置の例を示す図である。
【図２】ヴィアを有する大接合点発光装置の平面図である。
【図３】軸線Ａに沿った図２に示した装置の横断面図である。
【図４Ａ】製作中の様々な段階における本発明の実施形態を示す図である。
【図４Ｂ】製作中の様々な段階における本発明の実施形態を示す図である。
【図４Ｃ】製作中の様々な段階における本発明の実施形態を示す図である。
【図４Ｄ】製作中の様々な段階における本発明の実施形態を示す図である。
【図４Ｅ】製作中の様々な段階における本発明の実施形態を示す図である。
【図５】ヴィア及び半田接続部を有する発光装置の平面図である。
【図６】軸線ＡＡに沿った図５に示した装置の横断面図である。
【図７】軸線ＢＢに沿った図５に示した装置の横断面図である。
【図８】ヴィアを有する小接合点発光装置の平面図である。
【図９】軸線ＣＣに沿った図８に示した装置の平面図である。
【図１０】パッケージに組み込まれた発光装置の分解図である。
【図１１】盤上に取り付けられた複数の発光装置の横断面図である。
【図１２】パッケージに組み込まれた発光装置を示す図である。
【図１３】波長変換材料を有する発光装置を示す図である。
【図１４】小接合点発光装置の代替実施形態の横断面図である。
【図１５】小接合点発光装置の代替実施形態の平面図である。
【符号の説明】
１０ 基板
１１ ｎ型層
１２ 活性領域
１３ ｐ型層
１４ ヴィア
ａ ヴィアの直径
ｂ ヴィア間の間隔
Claims (36)
- 基板と、
前記基板の上に重なる第１の導電型の層と、
前記第１導電型層の上に重なる発光層と、
前記発光層の上に重なる第２の導電型の層と、
装置の面全体にわたって所定のパターンでアレー状に配置されたヴィアであって、前記第２導電型層に形成された、前記第１導電型層まで延びる複数のヴィアと、
前記複数のヴィアを通じて前記第１導電型層と電気的に接触する複数の第１の接点と、
前記第２導電型層と電気的に接触する少なくとも１つの第２の接点と、
を含むことを特徴とする発光装置。 - 前記第１導電型層及び前記第２導電型層は、ガリウム及び窒素を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 前記第１導電型層及び前記第２導電型層は、アルミニウム及び燐を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 前記複数のヴィアの軸に垂直な方向（横方向）の最大寸法は、２ミクロンから１００ミクロンの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 前記複数のヴィアの軸に垂直な方向（横方向）の最大寸法は、１０ミクロンから５０ミクロンの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 前記複数のヴィアは、別の最も近いヴィアから５ミクロンから１０００ミクロンの間の間隔を空けて配置されることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 前記複数のヴィアの各々は、別の最も近いヴィアから５０ミクロンから２５０ミクロンの間の間隔をあけて配置されることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 前記複数のヴィアは、矩形、六角形、菱面体、面心立方から成る群から選択された配置で形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 前記複数の第１接点及び前記第２接点上に形成された第１の絶縁層と、
前記複数のヴィアに位置合わせされた、前記第１絶縁層内の第１の複数の開口部と、
前記複数の第１接点を接続する、前記第１絶縁層上に形成された複数の相互接続部と、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。 - 前記第１絶縁層及び前記複数の相互接続部上に形成された第２の絶縁層と、
装置の第１の部分上に位置し、前記第２接点の少なくとも一部分と位置合わせされた、前記第２絶縁層内の少なくとも１つの第１の開口部と、
装置の第２の部分上に位置し、前記複数の相互接続部及び前記複数のヴィアの少なくとも一部分に位置合わせされた、前記第２絶縁層内の少なくとも１つの第２の開口部と、
を更に含むことを特徴とする請求項９に記載の発光装置。 - 装置の前記第１の部分の上に重なる第１のサブマウント接続部と、
装置の前記第２の部分の上に重なる第２のサブマウント接続部と、
を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の発光装置。 - 前記第１サブマウント接続部と前記第２サブマウント接続部とに接続されたサブマウントと、
前記サブマウントに接続された複数のリード線と、
前記サブマウントの下に重なるレンズと、
を更に含むことを特徴とする請求項１１に記載の発光装置。 - 前記リード線と前記サブマウントとの間に配置されたヒートシンク、
を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の発光装置。 - 前記第２導電型層と前記複数の第１接点との間に形成された絶縁層を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 前記第２接点は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｕ：Ｚｎ、Ａｕ：Ｂｅ、及び、Ｐｄから成る群から選択された材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 前記第１接点の少なくとも１つは、Ａｕ：Ｔｅ、Ａｕ：Ｓｎ、Ａｕ：Ｇｅ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｒｈ、及び、Ｐｄから成る群から選択された材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 前記第２接点の面積は、装置面積の少なくとも７５％を構成することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 前記基板の少なくとも一部分の下に重なる波長変換層を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 各接点の反射率にその接点で覆われた装置の面積の百分率を掛けたものの合計である面積重み付け反射率が０．６５よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 前記発光層を取り囲み、前記第１導電型層と電気的に接触する連続的な接点を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 前記連続的な接点は、前記複数の第１接点と電気的に接続されることを特徴とする請求項２０に記載の発光装置。
- 基板を準備する工程と、
前記基板の上に重なる第１の導電型の層を形成する工程と、
前記第１導電型層の上に重なる活性領域を形成する工程と、
前記活性領域の上に重なる第２の導電型の層を形成する工程と、
装置の面全体にわたって所定のパターンでアレー状に配置されたヴィアであって、前記第２導電型層に前記第１導電型層と接触する複数のヴィアを形成する工程と、
前記ヴィアを通じて前記第１導電型層と接触する複数の第１の接点を形成する工程と、
前記第２導電型層上に第２の接点を形成する工程と、
を含むことを特徴とする、発光装置を形成する方法。 - 前記複数のヴィアを形成する工程は、前記第２導電型層の一部分をエッチングで除去する工程を含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
- 前記エッチングする工程は、反応性イオンエッチを使用する工程を含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
- 前記複数のヴィアを形成する工程は、第１導電型のイオンを前記第２導電型層の一部分に注入する工程を含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
- 第２導電型層を堆積させる工程及び複数のヴィアを形成する工程は、少なくとも１つの第２導電型層を前記第１導電型層の一部分上に選択的に成長させる工程を含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
- 前記複数のヴィアを形成する工程は、第１導電型の原子種を前記第２導電型層の一部分に拡散させる工程を含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
- 基板と、
前記基板の上に重なる第１の導電型の層と、
前記第１導電型層の上に重なる発光層と、
前記発光層の上に重なる第２の導電型の層と、
装置の面全体にわたって所定のパターンでアレー状に配置されたヴィアであって、前記第２導電型層に形成された、前記第１導電型層まで延びるヴィアと、
前記ヴィアを通じて前記第１導電型層と電気的に接触する第１の接点と、
前記第２導電型層と電気的に接触する第２の接点と、
前記第１接点と電気的に接続し、少なくとも一部分が前記第２接点の上に重なるサブマウント相互接続部と、
を含むことを特徴とする発光装置。 - 前記サブマウント相互接続部と前記第２接点との間に挿入された絶縁層を更に含むことを特徴とする請求項２８に記載の発光装置。
- 前記サブマウント相互接続部は、半田を含むことを特徴とする請求項２８に記載の発光装置。
- 前記サブマウント相互接続部に接続されたサブマウントと、
前記サブマウントに結合されたリードフレームと、
前記サブマウントの下に重なるレンズと、
を更に含むことを特徴とする請求項２８に記載の発光装置。 - 前記リードフレームは、
２つの脚部を含む第１極性のリード線と、
２つの脚部を含む第２極性のリード線と、
を含むことを特徴とする請求項３１に記載の発光装置。 - 前記サブマウントの上に重なる本体を更に含み、
前記本体及び前記レンズは透明なエポキシを含むことを特徴とする請求項３１に記載の発光装置。 - 前記第１サブマウント接続部及び前記第２サブマウント接続部の一方に結合されたトレースを含み、前記第１サブマウント接続部及び前記第２サブマウント接続部に接続された盤、
を更に含むことを特徴とする請求項２８に記載の発光装置。 - ０．２平方ミリメートルよりも小さい面積を有することを特徴とする請求項２８に記載の発光装置。
- 前記第１導電型層と電気的に接触し、前記発光層を取り囲んで前記第１接点と電気的に接続された連続的な接点を更に含むことを特徴とする請求項２８に記載の発光装置。
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