JP5432234B2 - 半導体発光デバイス用の実装 - Google Patents

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Description

本発明は、発光ダイオードなどのフリップチップ・アーキテクチャ半導体発光デバイスの実装に関する。
発光ダイオード（「ＬＥＤ」）は、多数の利点を有するソリッドステート光源である。発光ダイオードは、高い輝度の光を確実に提供することができ、従って、とりわけ、ディスプレイ装置、交通信号、及び標識における用途が見出されている。発光ダイオードの重要な種類は、ガリウム、インジウム、又はアルミニウムなどの、１つ又はそれ以上のＩＩＩ族元素と、窒素のＶ族元素とから製造されている。これらのＩＩＩ族窒化物ＬＥＤは、可視スペクトル全般及びスペクトルの紫外領域内で発光可能であり、従って多くの有望な用途を有する。他の発光ダイオードは、ＩＩＩ族リン化物及びＩＩＩ族ヒ化物の材料系から作製することができ、これらは、スペクトルのアンバー色領域、赤色領域、及び赤外領域で発光する。
従来、ＬＥＤは、基板上にｎ型ドープ領域、活性領域、及びｐ型ドープ領域を堆積させることによって製造される。ある種のＬＥＤは、デバイスの一方側に形成されたｎ−コンタクトを有し、デバイスの反対側にはｐ−コンタクトが形成され、垂直デバイスを生成する。他のＬＥＤは、デバイスの同じ側に形成された両方のコンタクトを有し、コンタクトを通過して光が取出される。このような構造は、エピタキシーアップ・デバイスと呼ばれている。垂直デバイスとエピタキシーアップ・デバイスの両方において、活性領域によって生成された光の大半は、ｐ−コンタクトを通過してデバイスを出る。ｐ−コンタクトは、通常、電気導電特性を最適にするために、金属及び／又は半透明金属酸化物を含むので、該ｐ−コンタクトは一般的に光を完全には透過せず、設計上の問題を生じる。
この設計上の問題に対して、最近、フリップチップ・アーキテクチャが提案されている。図１に示されるように、フリップチップデバイス１００において、ダイ１１０は、サブマウント１１４上に実装され、コンタクトはサブマウントに面した状態にある。活性領域によって発生する光の大半は、コンタクトではなく基板を通過してデバイスを出る。電気コンタクトの全ては、フリップチップダイの底部に位置付けることができる。デバイスは、サブマウント１１４、該サブマウントに重なるハンダ付可能層１１８−１及び１１８−２、並びに該ハンダ付可能層上のハンダボール１２２−１及び１２２−２を形成して、次いでダイ１１０にハンダボール１２２を取付けて、ダイに対する電気コンタクトを形成することによって完成する。
既存の設計は、ハンダ付可能層を有する電気コンタクト内にワイヤボンドを取付けることによって電流経路を形成する。ワイヤボンドは、ハンダ付可能層上に形成され、ワイヤ１３０−１及び１３０−２が接続されるボール１２６−１及び１２６−２からなる。その結果、ワイヤは、発光デバイスのパッケージのパッケージリード線１３２−１及び１３２−２に接続可能となる。サブマウント及びダイ自体は、基板１３４に、ダイエポキシによって取付けられる。
米国特許第６，１５０，１９７号公報 米国特許第６，１１４，７１６号公報 米国特許出願２００３０００８５４１６公報 米国特許出願シリアル番号０９／６８８，０５３公報 米国特許第６，５７６，４８８号公報 ＰＣＴ公開特許ＷＯ９９／５９２０６公報
ワイヤボンドされたデバイスには、幾つかの欠点がある。第１に、ワイヤボンドは熱の影響を受けやすい。従って、ＬＥＤ設計の１つの制限は、ワイヤボンドが耐えることができる加熱の程度である。この問題は、より新しい世代のＬＥＤが、動作温度の上昇及び熱発生につながる、より高出力及び高温環境で作動するように設計されるにつれてより重要になる。ワイヤ内の電流はワイヤを加熱し、このプロセスはオーミック加熱と呼ばれる。オーミック加熱の程度は、とりわけ、電流密度によって決定される。高温及び反復熱サイクルは、ハンダ付可能層からのボールの分離、ワイヤの脆弱性、又は狭い断面での溶融によって引き起こされるワイヤの破断といったワイヤボンドの損傷につながる可能性がある。このような加熱の問題は、静電放電（"ＥＳＤ"）の場合、又はデバイスのオンオフ切り替えのような過渡期間でも発生する可能性がある。高温作動は、ボール１２６とハンダ付可能層１１８との間の界面での物理的脆弱性及び抵抗性合金相の成長が促進される可能性があり、最終的には界面での欠陥を生じる恐れがある。
第２に、ワイヤボンドはＬＥＤから多量の熱を除去しない。通常の作動の間、ＬＥＤ内部では熱が生成される。光は、ｎ−層からの電子とｐ−層からの正孔との再結合によってＬＥＤ内で生成される。この再結合の一部が発光し、光子の放出を生じる。しかしながら、再結合のかなりの部分は、非発光性であり、代わりに熱を生成する。従って、幾つかのデバイスにおいては、デバイス内部で生成される熱の少なくとも一部は、ＬＥＤの損傷を避けるためにダイから除去する必要がある。ワイヤボンドは、比較的小さい断面積を有し、従って、ダイから熱を除去するために顕著には寄与しない。
第３に、ワイヤは脆弱であって、従って、通常は、温度ショック、乱暴な取り扱い、及び高湿度環境などの過酷な作動条件下での１次故障の機構である。脆弱なワイヤボンドを保護するために、ＬＥＤは、エンドユーザにおいて実際に使用するものにするにはパッケージ内で組立てる必要がある。
第４に、ワイヤボンドは、ＬＥＤの実装面積の外側にサブマウント上のスペースを必要とし、結果としてより大きく高価なデバイスとなる。ＬＥＤによって放出され、大きいサブマウントに入射する光は、サブマウントから反射する可能性があり、光源の寸法が好ましくなく増大する。
最後に、ワイヤボンドは、後続のＬＥＤ封入中に、パッケージ内に空気を取り込む可能性があり、これにより屈折率の大きいステップが生成され、このステップは、ＬＥＤダイから外部への光の取出効率を低下させる可能性がある。
本発明の実施形態によれば、デバイスは、サブマウントと、フリップチップ・アーキテクチャ構成で該サブマウントの第１の側の第１及び第２の導電領域上に実装された半導体発光デバイスとを含む。サブマウントは、該サブマウントの第２の面上に第３及び第４の導電領域を有する。第３及び第４の導電性領域は、ワイヤボンドを使用することなく、基板などの構造体にサブマウントをハンダ付けするために使用することができる。第１及び第３の導電領域は、第１の導電層によって電気的に接続され、第２及び第４の導電領域は、第２の導電層によって電気的に接続される。第１及び第２の導電層は、サブマウントの外側上又はサブマウント内部に配置することができる。
ワイヤボンドを備えるＬＥＤの図である。 ハンダ付接合部を備える基板に接続されたＬＥＤサブマウント結合の図であ る。 サブマウント内に反射ウェルを備えるＬＥＤサブマウント結合の図である。 バイアを有するサブマウントのウェハーの図である。 サブマウント内のバイアに設けられた前面及び裏面サブマウントコンタクト 間の接続部を有するＬＥＤサブマウント結合の図である。 図５のサブマウント上にＬＥＤを形成して実装する方法の図である。 図５のサブマウント上にＬＥＤを形成して実装する方法の図である。 図５のサブマウント上にＬＥＤを形成して実装する方法の図である。 図５のサブマウント上にＬＥＤを形成して実装する方法の図である。 図５のサブマウント上にＬＥＤを形成して実装する方法の図である。 サブマウント内のバイアに設けられた前面及び裏面サブマウントコンタクト 間の接続部を有するＬＥＤサブマウント結合の別の実施形態の図である。 図７のサブマウント上に、ＬＥＤを形成して実装する方法の図である。 図７のサブマウント上に、ＬＥＤを形成して実装する方法の図である。 図７のサブマウント上に、ＬＥＤを形成して実装する方法の図である。 図７のサブマウント上に、ＬＥＤを形成して実装する方法の図である。
本発明の実施形態によれば、ＬＥＤが実装されるサブマウントは、ＬＥＤに相対する側に電気コンタクトを有し、これにより、ＬＥＤとサブマウントとが、基板などの他のデバイス上に、ワイヤボンドの代わりにハンダ接合によって表面実装可能となる。
図２には、ハンダ接合部を有する本発明の実施形態が示されている。発光デバイス１００のダイ１１０の電気コンタクトが、相互接続部１２２−１及び１２２−２をダイに結合することによって形成される。図示された実施形態はハンダボールを適用しているが、相互接続は、元素金属、金属合金、半導体金属合金、ハンダ類、熱伝導性及び導電性ペースト又は化合物（例えばエポキシ類）、ＬＥＤダイとサブマウント間の異種金属間の共融接合（例えば、Ｐｄ−Ｉｎ−Ｐｄ）、Ａｕスタッドバンプ、又は棒状体などのボール以外のハンダ構成で作製することができる。別の実施形態においては、ハンダボールの数を３つ又はそれ以上とすることができる。３つのハンダボール設計は、ダイ１１０用の安定した支持をもたらす。幾つかの実施形態においては、ｐ−層用のコンタクトを形成するハンダボールは、ｎ−層用のコンタクトを形成するハンダボールの数より多く、例えば２つのｐ−ハンダボールと１つのｎ−ハンダボールである。
ハンダボール１２２は、表面実装可能サブマウント１１４上の導電性表面１１８に電気的に結合され、該サブマウントは、例えばハンダ接合によって別の構造体に接続することができる。この実施形態において、下側の導電性表面１１８はハンダ付可能層又はハンダ付可能表面であり、他のデバイスにハンダ接合によって接続されているが、他の導電性表面及びハンダ以外の接合も適切であり、本発明の範囲内である。ハンダ接合部は、サブマウント１１４上に形成されたハンダ付可能層１１８−１及び１１８−２と、ハンダ領域１３８−１及び１３８−２とを含む。別の実施形態において、ハンダ付可能層及びハンダの数は、３つ又はそれ以上とすることができる。ハンダ付可能層１１８は、サブマウント１１４の少なくとも２つの表面上に形成することができる。幾つかの実施形態において、ハンダ付可能層は、上面と底面などのサブマウント１１４の両側表面を覆う。図２に示されるように、ハンダ付可能表面は、サブマウントの側部表面の周りに延びることができ、上面と底面とのハンダ付可能表面を接続する。これらの設計は、大きいハンダ付可能表面を提供し、この表面にハンダ１３８をハンダ付けすることができる。ハンダ１３８は、サブマウント１１４のすぐ底部のハンダ付可能表面に接触することができ、又は、ハンダ付可能表面がサブマウント１１４の側部に設けられている場合には、サブマウント１１４の側部に上方に延びることができる。ハンダ１３８は、プリント基板などの基板１３４上に形成される、パッケージリード線１３２−１及び１３２−２に電気的に結合される。パッケージリード線１３２は、種々の方法で形成することができ、例えば、基板の１つより多い表面を覆うことにより形成される。最後に、ダイ内で発生した光子の部分は、上部を通過する以外の方向に放出されるので、ＬＥＤ１１０に対面するサブマウント１１４及び基板１３４の１つ又はそれ以上の表面を反射性とすることができ、又は、図１に示されたリフレクタ１３３と同様のリフレクタを基板１３４に取付けることができる。該リフレクタは、反射性表面を有し、該表面は、これらの光子を、好ましい放出方向（多くは基板面に垂直な方向）に方向を変更するような位置決め及び形状にされる。
サブマウント１１４は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣ、サファイヤ、ＰＣＢ、ＡｌＮｘ、Ａｌ2Ｏ3、又は、関連の用途で使用される何れかの既知の材料から形成することができる。ハンダ１３８は、例えば、ＰｂＳｎ−又はＡｇＳｎ−の２成分、３成分、又は４成分系などのＳｎ含有合金、ＡｕＳｎ又はＡｕＧｅ２成分系などのＡｕ含有合金、１つ又はそれ以上のＩｎ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｃｕを含有する合金、或いは、Ａｕ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、又はＣｕなどの金属とすることができる。ハンダ付可能層１１８は、例えば、金、銀、ニッケル、銅、白金、又は関連する用途に適用される他の材料とすることができる。基板１３４は、例えば、プラスチック、Ａｌ2Ｏ3又はＡｌＮなどのセラミック、ＢＮ３００又はＦＲ４などの複合積層板、或いはＣｕ、Ｍｏ、Ｎｉ、又はＷを含有する金属基板から形成することができる。
幾つかの理由により、発光ダイオードは、基板１３４に直接ではなく、サブマウント１１４に結合される。第１に、ＥＳＤ保護回路は、例えば、Ｓｉサブマウントの場合には標準的な集積回路製造技術によってサブマウントに直接集積することができる。好適なＥＳＤ保護回路の実施例には、ＬＥＤに並列なコンデンサ、ツェナーダイオード又はショットキーダイオードなどの単一の逆並列ダイオード、及び向い合って結合された２つのツェナーダイオードが含まれる。第２に、サブマウントは、デバイスの良好な光反射に寄与する。第３に、基板上よりも小さい外観でサブマウント上に形成することができる。形状がより小さいことにより、ハンダボールをサブマウント上に互いに近接して位置付けることが可能となり、潜在的にデバイスの寸法が小さくなり、デバイスの冷却性能が改善される。
図３には、本発明の別の実施形態が示される。図３の設計は、図２の設計に類似したものである。ダイ１１０は、ハンダボール１２２によって導電層１１８に電気的に結合される。ハンダ１３８は、サブマウント上のハンダ付可能層を、プリント基板とすることができる基板１３４上に形成されたパッケージリード線１３２に電気的及び物理的に接続する。
この実施形態の態様は、効率的な反射器の形成である。反射ウェル１４６はサブマウントの一部として形成される。反射ウェルの表面の一部分は、ハンダ付可能層１１８によって覆われる。幾つかの実施形態においては、基本的に全体の反射ウェル１４６が、ハンダ付可能層１１８によって覆われる。ハンダ付可能層１１８は、好適な反射率を有する材料から形成され、そのため、入射光の大部分を反射する。このような材料には、金及び銀が含まれる。幾つかの実施形態においては、特に好適な反射特性を有するように、ハンダ付可能層１１８に重ねて反射層を形成することができる。反射ウェルは、好ましい発光方向で入射光を反射するような形状にされる。この方向は、サブマウントの平面に垂直であることが多いが、他の設計も同様に考えることができる。次いで、ダイが反射ウェル内に位置付けられ、ハンダボール１２２によってハンダ付可能層１１８に結合される。デバイスは、例えばエポキシ又はシリコーンなどの光結合材料１５０内に組み込むことができる。光結合材料１５０は、ダイ１１０を機械的及び熱的に保護する。光結合材料はまた、発生する光を好ましい方向に配向し、半導体から出る光を外部環境に効率的に結合させることができる。
図４には、図２及び図３の発光デバイスを形成する方法が示される。図４には、本発明の１つの実施形態による、ウェハー４００上のサブマウント１１４のアレイ配置が平面図で示されている。ウェハー４００は、後で個別のサブマウント１１４−１から１１４−Ｎ（Ｎは整数）を形成することになる領域に分割される。ｎ−ハンダ付可能層１１８−１が、サブマウント１１４−１の１つの領域に重なって形成され、各サブマウントの上側左コーナのマイナス符号によって識別される。ｎ−ハンダ付可能層に対して相補的な領域に重なって、サブマウント１１４上にｐ−ハンダ付可能層１１８−２が形成され、これは各サブマウントの下側右隅のプラス記号によって識別される。ハンダ付可能層１１８は、フリップチップダイ１１０の配置に対応するように形成される。
ハンダボール１２２によって、ハンダ付可能層１１８とダイ１１０との間の電気的結合が形成される。サブマウント１１４は、ハンダボール１２２を支持するように適合される。ｎ−濡れ性の金属層１５４が、ｎ−ハンダ付可能層１１８−１に重なって形成され、ｎ−ハンダボール１２２−１を支持する。Ｐ−濡れ性の金属層１５８−１及び１５８−２が、ｐ−ハンダ付可能層１１８−２に重なって形成され、ｐ−ハンダボール１２２−２及び１２２−３を支持する。濡れ性の金属層１５４及び１５８は、ハンダボール１２２−１から１２２−３までのハンダ付けに好適な区域を提供し、従って、ハンダ付可能層１１８とダイ１１０との間の電気的結合を生成する。幾つかの実施形態においては、ｐ−濡れ性の金属層１５８はｎ−濡れ性の金属層より数が多く、これは、活性領域内で発生した熱は、デバイスからｐ−コンタクトへの接続部を介して最も効率的に取出すことができ、従って、これらの接続部の表面積は最大化される場合が多いことによる。ｎ−コンタクトが形成される区域から活性領域が除去されるので、ｐ−層及びｐ−濡れ性の金属層は、デバイスから熱を取出すための最短ルートを形成することができる。
図４の実施形態は、３つのハンダボールを有する。この設計は高い機械的安定性がある。他の実施形態では、更に多くのハンダボール又はハンダ棒状体を使用することができる。更に、図４に示す実施形態においては、１つだけの発光デバイスが各サブマウントに接続されている。他の実施形態では、１つより多い発光デバイスを、個別のダイとして、又は単一のダイに形成された複数デバイスとして各サブマウント上に位置付けることができる。
ハンダ付可能層１１８は、幾つかの実施形態においては、隣接するサブマウント１１４−１と１１４−２との間のバイア１６２−１、１６２−２を形成することによって形成される。バイアは、ウェハー４００の貫通孔とすることができる。本発明の実施形態においては、バイア１６２−１、１６２−２は、サブマウント１１４−１と１１４−２との間の境界上に形成される。
幾つかの実施形態においては、バイア１６２の壁に導電性メッキ層１６６を形成することによってバイア１６２がメッキされる。メッキ層１６６は、金属層又は高度にドープされた半導体層とすることができる。幾つかの実施形態において、メッキ層１６６は、サブマウントの上面のハンダ付可能層１１８をサブマウントの底面上の導電層に電気的に結合する。本明細書では、サブマウント上面は、ダイ１１０がサブマウント１１４に結合される表面として定められる。このようなバイアを形成する１つの方法は、「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ Ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｍａｋｉｎｇ Ｔｈｅ Ｓａｍｅ」と題されたＰＣＴ公開特許ＷＯ９９／５９２０６に記載されている。
図５には、サブマウントの上面及び底面のハンダ付可能表面間の電気的接続が、サブマウントの外側ではなく内部に形成された本発明の実施形態が示されている。図５のデバイスにおいて、ハンダボール１２２−１及び１２２−２が配置されるサブマウント上部のハンダ付可能区域は、サブマウント内部の導電経路によってハンダ接合部１３８に取付けるサブマウント底部のハンダ付可能区域に電気的に接続される。サブマウント１１４は、例えば、幾つかの異なる領域を有するシリコン／ガラス複合材料サブマウントとすることができる。シリコン領域１１４−２は、サブマウントの上面と底面との間の導電経路を形成する、メタライゼーション１１８−１及び１１８−２によって取り囲まれる。ＥＳＤ保護回路などの回路は、メタライゼーション１１８−１及び１１８−２によって取り囲まれたシリコン領域１１４−２、又は他のシリコン領域１１４−３に形成することができる。このような他のシリコン１１４−３領域もまた、ダイ１１０又は基板１３４に電気的に接触することができる。ガラス領域１１４−１は、シリコンの異なる領域を電気的に絶縁する。ハンダ接合部１３８は、例えば誘電層又は空気とすることができる絶縁領域１３５によって電気的に絶縁される。図５のサブマウントは、図３に示された、一体化された反射カップを含むことができる。シリコン／ガラス複合材料サブマウントは、米国特許第６，１５０，１９７号及び第６，１１４，７１６号、並びに公開された米国特許出願２００３０００８５４１６でより詳細に記載されている。
図６Ａから図６Ｅには、図５のサブマウント上のＬＥＤダイの形成及び取付けが示されている。図６Ａに示されるように、シリコンウェハー６０は、上述のＥＳＤ保護回路などの何らかの所望の回路を含むように成長される。孔６１が、従来型のマスキング及びエッチング方法によってウェハー６０内に形成される。図６Ｂに示されるように、金属などの導電層６３が、ウェハー６０を覆って孔６１内に形成される。次いで、導電層６３をパターン形成することができる。次に、ガラス６２層をウェハー６０を覆って孔６１内に形成する。
図６Ｃにおいて、ガラス層６２及びウェハー６０の一部が除去され、導電層６３が露出する。次いで、ウェハーの下側の導電層６３をパターン形成し、追加の導電層を付加してパターン形成することができ、結果として、図６Ｄに示されるサブマウントが得られる。異なる導電領域６３は、誘電層６４によって絶縁することができる。ウェハーの下側がパターン形成されると、ＬＥＤダイ１１０を、相互接続部１２２によって物理的及び電気的にサブマウント上の導電領域６３に接続することができる。
次に、図６Ｅに示されるように、実装されたＬＥＤデバイスは、任意選択的にルミネセンス材料層６６でコーティングすることができ、該ルミネセンス層は、蛍光体のなどのルミネセンス材料を含む。層６６は、例えば、ステンシリング、スクリーン印刷、塗装、電気泳動析出、スプレー塗装、又は静電析出法によって施すことができる。ステンシリングは、「Ｓｔｅｎｃｉｌｉｎｇ Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ｌａｙｅｒｓ ｏｎ Ｌｉｇｎｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ」と題され２０００年１０月１３日に出願された出願シリアル番号０９／６８８，０５３により詳細に記載されている。電気泳動析出は、「Ｕｓｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ ｔｏ Ｐｒｏｄｕｃｅ ａ Ｃｏｎｆｏｒｍａｌｌｙ Ｃｏａｔｅｄ Ｐｈｏｐｈｏｒ−Ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」と題され、２００３年６月１０日に公布された米国特許第６，５７６，４８８号により詳細に記載されている。両特許は引用により本明細書に組み込まれる。ルミネセンス材料を封止又は保護するための任意選択的なコーティング６７を、層６６を覆って形成することができる。任意選択的なコーティング６７は、例えば、エポキシ、シリコーン、又はスピンオンガラスとすることができる。実装されたＬＥＤダイを覆って所望の層を施工した後、シリコン／ガラス複合材料サブマウントは、図６Ｅの矢印によって示された領域内でＬＥＤの間をダイシングすることにより、個別のデバイスにダイスカットすることができる。
図７には、サブマウントの上面及び底面のハンダ付可能表面の間の電気的接続が、サブマウントの外側ではなく内部に形成されている、サブマウントの別の実施形態が示されている。図７のデバイスにおいて、ダイへの電気的接続の下にあるサブマウントの領域１１４−２は、例えば銅などの導電性材料のプラグである。導電性プラグは、例えばシリコンの領域１１４−３及び１１４−１によって電気的に絶縁される。ＥＳＤ保護回路などの回路は、シリコン領域１１４−１及び１１４−３内に形成することができる。図７のサブマウントは、図３に示された集積反射カップを含むことができる。
図８Ａ−図８Ｄには、図７のサブマウント上のＬＥＤダイの形成及び取付けが示されている。上述のＥＳＤ保護回路などの所望の回路を含んで作製されたシリコンウェハーが図８Ａに提供される。図８Ｂに示されるように、貫通孔８１が、ウェハー８０内の、図７の導電性プラグが配置されることになる領域に形成される。次いで、貫通孔８１は、図８Ｃで示されるように、導電性材料で充填される。次に、ＬＥＤダイ１１０を、ウェハー８０に実装することができる。幾つかの実施形態においては、導電性プラグ８２が、ウェハー８０の上面を覆って延び、相互接続部１２２を使用することなく、ＬＥＤダイ１１０に直接に接続される。
本発明の幾つかの実施形態において、上述の表面実装可能サブマウントに実装されたＬＥＤは高出力デバイスであり、このことは、該デバイスが高い電流密度で動作することを意味する。高出力デバイスは、約４００×４００μｍ2より大きい面積を有することができ、且つ少なくとも５０Ａ／ｃｍ2の電流密度で動作できる。高出力デバイスの一般的な寸法は、１×１ｍｍ2以上の面積であり、電力消費は１Ｗ以上である。このようなデバイスにおいて、ＬＥＤとサブマウントの間、及びサブマウントとサブマウントが実装されるデバイスとの間の相互接続部は、ＬＥＤによって発生する熱に耐性があるが、ＬＥＤを損傷する可能性がある温度でのリフローを必要としないよう注意深く選択される必要がある。更に、通常、ＬＥＤはサブマウントに実装され、該サブマウントは別の段階で他の構造体に実装される。ＬＥＤとサブマウントとの間の接続は、サブマウントと該サブマウントが実装されるデバイスとの間の接続が確実に行われるのに必要な温度に耐性があるように選択される必要がある。ＬＥＤとサブマウントとの間の好適な相互接続部の実施例には、Ａｕ−Ａｕ相互接続、８０％Ａｕ２０％Ｓｎハンダ、８８％Ａｕ１２％Ｇｅハンダ、９７％Ａｕ３％Ｓｉハンダ、９５％Ｐｂ５％Ｓｎハンダ、及び９０％Ｐｂ１０％Ｓｎハンダが含まれ、これらは５００゜Ｆを越えるリフロー温度を有する。サブマウントと該サブマウントが実装されるデバイスとの間の好適な相互接続の実施例には、Ｐｂ−Ｓｎ共晶ハンダ、Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｎハンダ、及びＰｂ−Ｉｎベースのハンダが含まれ、これらは５００゜Ｆより低いリフロー温度を有する。
幾つかの実施形態において、上述の表面実装可能サブマウントに実装されたＬＥＤは、約４００×４００μｍ2より小さい面積を有し、約５ｍＡから約１００ｍＡの電流で動作することができる。
図２、図３、図５、及び図７で上述されたサブマウントなどの、ハンダ接続により他のデバイスに表面実装可能なＬＥＤサブマウントには、幾つかの利点がある。表面実装可能サブマウントは、ワイヤボンドサブマウントよりも、熱特性が改善され、より堅牢で、より小型で、組立てがより簡単である。
サブマウントと該サブマウントが実装されるデバイスとの間のハンダ接合は、ＬＥＤ−サブマウント結合の熱特性を改善することができる。市販用ＬＥＤは、通常、ＩＩＩ族−Ｖ族材料から形成される。ＩＩＩ族窒化物デバイスの場合、従来、十分に高品質のＩＩＩ族窒化物を作製することが困難であることから、デバイスの寸法、デバイスによって許容される最大電流密度、及びデバイスによって生成される光量は極めて小さなものであった。製作技法が改善されると、より高い電流密度で動作可能なより大きいデバイスが出現してきた。通常、こうしたデバイスに供給される電流の量が増加するにつれて、好ましくはＬＥＤによって生成される光の量が増大する。しかしながら、ＬＥＤに供給される電流量が増大するにつれて、デバイス内で発生する熱の量もまた大きくなる。ＩＩＩ族−Ｖ族ＬＥＤの内部温度が上昇すると、結晶欠陥移動、暗線形成、成長基板の亀裂、半導体デバイス層の割れ、及びデバイスコンタクトの層間剥離などの、最終的には故障となるメカニズムが観察される可能性がある。従って、付加的な熱の発生を回避するため、又はＬＥＤから効率的に熱を放散させるための、特定のＬＥＤサブマウント又はパッケージの機能により、電流密度が制限され、従って、ＬＥＤによって生成される光の量が制限される。上述の表面実装可能サブマウントは、ＬＥＤ−サブマウント結合の熱特性を、少なくとも２つの方法で改善することができる。
第１に、サブマウントと該サブマウントが実装されるデバイスとの間の大きなハンダ接続部が、ワイヤボンドで可能な表面より大きい表面にわたって発光デバイスに供給される電流を拡散し、接続部での電流密度を低下させる。電流密度が低い程、生成されるオーム加熱が少ない。従って、同じ材料から、高出力のＬＥＤを形成することができる。
第２に、ハンダ接続部は、ダイ内部の非放射再結合によって生成される熱を放出する有効なチャネルを提供し、デバイスの動作温度を更に低下させる。ＬＥＤからの有効に熱を放出することにより、ハンダ接合部は、ＬＥＤが作動することができる電流密度を増加させることができ、これはＬＥＤによって生成される光の量を増大させることができる。加えて、ワイヤボンド自体が、温度による影響を受けやすい。ワイヤボンドの代わりにハンダ接合部の使用は、ワイヤボンドに関連する種々の故障機構を低減又は除去することができる。とりわけ、ハンダ接続部は、そのコンタクトが、ワイヤボンドのように容易に離れることがなく、ハンダ接続部が脆くならず、且つ電気経路の切断を生じる溶融を起こすことがない
別の利点は、ハンダ接合部が脆弱でなく、多湿環境、温度ショック、及び乱暴な取り扱いを含む、極端な動作条件による悪影響がずっと少ないことである。ハンダ接合部を有するＬＥＤは、脆弱なワイヤボンドを保護するためのパッケージを必要とするワイヤボンドデバイスなどのパッケージ内で組立てることを必要としない。むしろ、該ＬＥＤは、パッケージされない形態でエンドユーザに供給することができ、エンドユーザは、これらを、例えば、特定用途において基板に直接ハンダ付けすることによって、直接これらの製品に組み込むことができる。
ハンダ接合部は、実装用に特別なスペースを必要としないが、ワイヤボンドは特別のサブマウントのスペースを必要とする。例えば、各ワイヤボンドはＬＥＤで覆われるサブマウントの部分を超える、サブマウント上の円形ボンドパッドを必要とし、並びに、例えば６角形又は長方形のダイシングが容易な形状のサブマウントを生成するために、円形ボンドパッドを取り囲む追加のサブマウント材料を必要とする。通常、スペースの各円は約１５０μｍの直径である。ワイヤボンドパッドをなくすことにより、かなり小さいデバイスの形成が可能となり、すなわち、同じサイズのウェハー上により多数のデバイスを形成することが可能となり、製造工程の収率が増大する。小さなデバイスでは、サブマウントの反射が少なく、その結果、好ましいより小さな光源の寸法が得られる。加えて、小さいサブマウントは必要なシリコンが少なくて済み、これはサブマウントのコストが低下する。幾つかの実施形態において、サブマウントは、該サブマウントに実装されるＬＥＤの実装面積よりも小さくすることができる。
最後に、蛍光体変換ＬＥＤがワイヤボンドサブマウントに実装される場合、サブマウント上のワイヤボンドパッドは、蛍光体層と同じサブマウント側に存在する。従って、蛍光体がＬＥＤの上に堆積された後、蛍光体層は、ワイヤボンドパッドを覆る蛍光体を除去するようにパターン形成される必要がある。これに対し、表面実装可能サブマウントのコンタクトは、蛍光体層と反対のサブマウント側にある。従って、表面実装可能サブマウントの使用は、ＬＥＤを蛍光体でコーティングする工程を大きく単純化することができ、これは蛍光体層がボンディングパッドを露出させるためのパターン形成を必要としないことによる。
上で論じられた実施形態は、単に例示的なものであり、限定を意図するものではない。当業者であれば、説明された実施形態からの変形形態を認識するであろうが、これらもまた本発明の範囲内にあることが意図される。従って、本発明は添付の請求項によってのみ限定される。
最後に、本発明のいくつかの実施態様を、以下に項別記載する。
（１）半導体発光デバイスとサブマウントとを備えるデバイスであって、
前記半導体発光デバイスが、
ｎ型層と、
ｐ型層と、
前記ｎ型層と前記ｐ型層との間に配置される活性領域と、
前記ｎ型層に電気的に接続されるｎ−コンタクトと、
前記ｐ型層に電気的に接続され、前記ｎ−コンタクトが形成される前記半導体発光デバイスの側と同じ側に形成されるｐ−コンタクトと、
を備え、
前記サブマウントが、前記サブマウントの第１の側の第１及び第２の導電領域と、前記サブマウントの第２の側の第３及び第４の導電領域とを備え、
前記半導体発光デバイスのｎ−コンタクト及びｐ−コンタクトが、フリップチップ構成の状態で、前記サブマウントの第１及び第２の導電領域に電気的及び物理的に接続されることを特徴とするデバイス。
（２）前記第１及び第２の導電領域が、金、銀、ニッケル、白金、及び銅からなる群から選択される材料を含むことを特徴とする実施態様項１に記載のデバイス。
（３）前記第１及び第３の導電領域が、第１の導電層によって電気的に接続され、前記第２及び第４の導電領域が、第２の導電層によって電気的に接続されることを特徴とする実施態様項１に記載のデバイス。
（４）前記第１及び第２の導電層が、金属層であることを特徴とする実施態様項３に記載のデバイス。
（５）前記第１及び第２の導電層が、高度にドープされた半導体層であることを特徴とする実施態様項３に記載のデバイス。
（６）前記第１及び第２の導電層が、前記サブマウントの外側に配置されることを特徴とする実施態様項３に記載のデバイス。
（７）前記第１及び第２の導電層が、前記サブマウント内部に配置されることを特徴とする実施態様項３に記載のデバイス。
（８）前記第１及び第２の導電層が各々、前記サブマウントの半導体材料の領域を少なくとも部分的に取り囲むことを特徴とする実施態様項７に記載のデバイス。
（９）前記第１及び第２の導電層が銅を含むことを特徴とする実施態様項７に記載のデバイス。
（１０）前記半導体発光デバイスが、前記サブマウント上に形成されたウェル内に実装されることを特徴とする実施態様項１に記載のデバイス。
（１１）前記ウェルの側部及び底部の少なくとも一部分が、前記半導体発光デバイスにより放出された光に対して反射性があることを特徴とする実施態様項１０に記載のデバイス。
（１２）前記ウェルが、少なくとも部分的に光結合材料で充填されていることを特徴とする実施態様項１０に記載のデバイス。
（１３）前記サブマウントが、半導体領域と非半導体領域とを備えることを特徴とする実施態様項１に記載のデバイス。
（１４）前記半導体領域に形成された回路を更に備えることを特徴とする実施態様項１３に記載のデバイス。
（１５）前記非半導体領域がガラスを含むことを特徴とする実施態様項１３に記載のデバイス。
（１６）基板と、
前記基板を前記第３及び第４の導電領域に接続するハンダ接合部と、
を更に備える実施態様項１に記載のデバイス。
（１７）前記半導体発光デバイスが、約４００×４００μｍ2より大きい面積を有することを特徴とする実施態様項１に記載のデバイス。
（１８）前記半導体発光デバイスが、少なくとも５０Ａ／ｃｍ2の電流密度で動作可能であることを特徴とする実施態様項１に記載のデバイス。
（１９）前記半導体発光デバイスが、約１×１ｍｍ2以上の面積を有することを特徴とする実施態様項１に記載のデバイス。
（２０）前記半導体発光デバイスが、１Ｗ以上の電力消費で動作可能であることを特徴とする実施態様項１に記載のデバイス。
（２１）前記第１及び第２の導電領域を含む前記サブマウントの表面にワイヤボンドパッドがないことを特徴とする実施態様項１に記載のデバイス。
（２２）サブマウントの反対側の半導体発光デバイスの表面に重なるルミネセンス材料層を更に備える実施態様項１に記載のデバイス。
（２３）前記ルミネセンス材料層が、前記半導体発光デバイスの側部表面に重なることを特徴とする実施態様項２２に記載のデバイス。
（２４）前記第１、第２、第３、及び第４の導電領域が各々、ハンダ付可能層を備える実施態様項１に記載のデバイス。
（２５）前記半導体発光デバイスが、約４００×４００μｍ2より小さい面積を有することを特徴とする実施態様項１に記載のデバイス。
（２６）前記半導体発光デバイスが、約５ｍＡから約１００ｍＡの電流で動作可能であることを特徴とする実施態様項１に記載のデバイス。
１００ フリップチップデバイス
１１０ ダイ
１１４ 表面実装可能サブマウント
１１８−１ ｐ−ハンダ付可能層
１１８−２ ｎ−ハンダ付可能層
１２２−１、１２２−２ 相互接続部
１３２−１、１３２−２ パッケージリード線
１３８−１、１３８−２ ハンダ領域

Claims (13)

  1. 半導体発光デバイスとサブマウントとを備えるデバイスであって、
    前記半導体発光デバイスが、
    ｎ型層と、
    ｐ型層と、
    前記ｎ型層と前記ｐ型層との間に配置される活性領域と、
    前記ｎ型層に電気的に接続されるｎ−コンタクトと、
    前記ｐ型層に電気的に接続され、前記ｎ−コンタクトが形成される前記半導体発光デバイスの側と同じ側に形成されるｐ−コンタクトと、
    を備え、
    前記サブマウントが、前記サブマウントの第１の側の第１及び第２の導電領域と、前記サブマウントの第２の側の第３及び第４の導電領域とを備え、
    前記半導体発光デバイスのｎ−コンタクト及びｐ−コンタクトが、フリップチップ構成の状態で、前記サブマウントの第１及び第２の導電領域に電気的及び物理的に接続され、
    前記半導体発光デバイスが、前記サブマウントの一部として形成されたウェル内に実装され、
    前記ウェルの表面の一部分が、前記第１及び第２の導電領域によって覆われ、
    前記ウェルの側部及び底部の、前記第１及び第２の導電領域によって覆われた少なくとも一部分が、前記半導体発光デバイスにより放出された光に対して反射性があり、
    前記第１及び第３の導電領域が、第１の導電層によって電気的に接続され、前記第２及び第４の導電領域が、第２の導電層によって電気的に接続され、
    前記第１及び第２の導電層が、前記サブマウント内部に配置され、
    前記第１及び第２の導電層が各々、前記サブマウントの半導体材料の領域を少なくとも部分的に取り囲む、ことを特徴とするデバイス。
  2. 前記ウェルが、少なくとも部分的に光結合材料で充填されていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
  3. 前記第１及び第２の導電領域が、金、銀、ニッケル、白金、及び銅からなる群から選択される材料を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のデバイス。
  4. 前記第１及び第２の導電層が、金属層であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のデバイス。
  5. 前記第１及び第２の導電層が銅を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のデバイス。
  6. 前記サブマウントが、半導体領域と非半導体領域とを備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のデバイス。
  7. 前記半導体領域に形成された回路を更に備えることを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
  8. 前記非半導体領域がガラスを含むことを特徴とする請求項６または７に記載のデバイス。
  9. 基板と、
    前記基板を前記第３及び第４の導電領域に接続するハンダ接合部と、
    を更に備える請求項１乃至８のいずれか１項に記載のデバイス。
  10. 前記第１及び第２の導電領域を含む前記サブマウントの表面にワイヤボンドパッドがないことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のデバイス。
  11. サブマウントの反対側の半導体発光デバイスの表面に重なるルミネセンス材料層を更に備える請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のデバイス。
  12. 前記ルミネセンス材料層が、前記半導体発光デバイスの側部表面に重なることを特徴とする請求項１１に記載のデバイス。
  13. 前記第１、第２、第３、及び第４の導電領域が各々、ハンダ付可能層を備える請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のデバイス。
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