JP6171043B2 - エピ応力が低減された発光デバイス - Google Patents

Description

本発明は、発光デバイスの分野に関し、特に、エピ応力が低減された発光デバイス（ＬＥＤ）の製造に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）の発光能力が改善され続けており、また、従来的な照明アプリケーションにおける使用が増加し続けているため、信頼性のある、長寿命の製品を費用効率の良い方法で供給する競争圧力も同様に増加し続けている。ＬＥＤ製品のコストは比較的低いが、ますます成長している当該デバイスの市場のために、デバイス当たりわずか数セントの節約が、利鞘に重大な影響を与え得る。

ＬＥＤデバイスのコストを減らすために、ＬＥＤダイのための電気的コンタクトに使用されるバルク金属として、金を銅で置き換えることができる。しかしながら、金は、フリップチップ構成において、ＬＥＤダイの上部層が取り付けられ、且つ、ＬＥＤからの光が反対側の面から放たれるサブマウントと、ＬＥＤとの間の、効率的且つ信頼性のある、電気的及び機械的な相互接続を提供するのに好ましい金属であることに変わりはない。

図１Ａは、発光デバイス１００の従来的なフリップチップサブマウント構成を示している。サブマウントは、コンタクト１２０が上面に形成されたベース１１０を含んでいてもよく、コンタクトは、フリップチップコンタクト１５０への接続１４５を促進するためにメッキ１２５されていてもよい。フリップチップは、成長基板１７０、発光素子１６０、相互接続層１６５、及び、コンタクト１５０を有していてもよい。一般的には、サファイア又は他の剛体材料である成長基板１７０は、フリップチップがサブマウントに取り付けられた後で除去されてもよい。

２つのコンタクト１２０が図１Ａに示されており、２つのコンタクト１２０は、２つのコンタクト１２０間に電気的な絶縁を与えるチャネル１３０によって分離されている。同様に、コンタクト１５０が、チャネル１３５によって分離されるように図示されている。コンタクト１５０によって相互接続層１６５及び発光素子１６０に与えられる支持量を増大させるため、チャネル１３５は、チャネル１３０よりも小さくてもよい。増大された支持は、成長基板１７０の除去の間、特に有益である。また、フリップチップがサブマウント上に置かれた場合の潜在的なアラインメント誤差を調整するために、チャネル１３０は、チャネル１３５よりも大きくてもよい。

図１Ｂは、成長基板１７０が除去された後で発光デバイス１００が高温に晒された場合に生じ得る熱変形１９０の一例を示している。この変形１９０は、製造中、及び、発光デバイス１００が一旦オフされて直ぐにオンされる毎に発生する可能性がある。当該変形１９０は、相互接続層１６５及び発光素子１６０に対して繰り返し応力を引き起こす可能性があり、また、デバイス１００の故障を早める可能性がある。さらに、発光デバイスの上部層１７５は、発光素子１６０の光抽出効率を増加させるためにエッチングされてもよいが、これにより、上部層１７５は、故障を引き起こす応力の影響を受けやすくなる。

熱サイクリングによって引き起こされる、発光デバイスにおける応力量を軽減することが好適であろう。発光デバイスのコストを著しく増加させることなく、当該応力を軽減することが好適であろう。

本発明のある実施形態では、熱サイクリングによって引き起こされる応力を減少させるために、発光デバイスに要素が加えられる。代替的に、又は、追加的に、発光デバイス内にコンタクトを形成するため、熱膨張係数及び相対的なコストに基づいて、材料が選択され、ここで、銅合金は、銅よりも小さい熱膨張係数を与える。発光デバイスの要素は、熱サイクリング中の応力を分散させるために構築されてもよい。

発光デバイスは、サブマウントと、チャネルによって分離されたコンタクトを具備する金属層を持つ発光構造体と、上記チャネルの近傍において、発光構造体に熱誘起応力を減少させるために追加された１又は複数の要素とを含んでいてもよい。追加された要素は、例えば、金属層と発光構造体の発光素子との間のバッファ層、金属層内の１又は複数のギャップ、チャネル内部の充填材、サブマウント上のコンタクト間の充填材、及び、チャネルに隣接する領域内の追加的なマイクロバンプを含んでいてもよい。

発光デバイスは、追加的に、又は、代替的に、金属層のために、比較的低い熱膨張率を有する合金を使用してもよい。例えば、ＣｕＮｉ、ＣｕＮｉＴｉ、ＣｕＷ、ＣｕＦｅ、及び、ＣｕＭｏを含む銅合金が使用されてもよい。合金の熱膨張率は、好ましくは、銅の熱膨張率（約１６ｐｐｍ／Ｋ）よりも低く、より好ましくは１０ｐｐｍ／Ｋよりも小さく、更に好ましくは８ｐｐｍ／Ｋよりも小さい。

本発明は、一例として、添付の図面を参照して、より詳細に説明される。
図１Ａは、サブマウント上にフリップチップ実装された発光デバイスの一例を示している。 図１Ｂは、サブマウント上にフリップチップ実装された発光デバイスの一例を示している。 図２は、金属層の上にバッファ層を有する発光デバイスの一例を示している。 図３は、チャネルに隣接する相互接続材料の密度が増加された発光デバイスの一例を示している。 図４は、ギャップが金属層に追加された発光デバイスの一例を示している。 各図面を通して、同一の参照符号は、同様の又は対応する特徴又は機能を示す。図面は、例示目的であって、本発明の範囲を限定する意図はない。

本発明の概念の深い理解を与えるため、以下の説明では、限定というよりはむしろ例示の目的で、特別な構造、インタフェース、技術などの特別な詳細が説明される。しかしながら、本発明が、これらの特別な詳細から逸脱した他の実施形態において実施され得ることは、当該分野における当業者にとって明らかである。同様に、当該説明の文章は、図面に描かれた例示的な実施形態を対象としており、請求項中に明確に含まれる限定から外れて本発明を限定するように意図されたものでない。単純化及び明確化のため、よく知られたデバイス、回路、及び、方法の詳細な説明は、不要な詳細によって本発明の説明を曖昧にしないように、省略されている。

応力は、発光素子１６０の最上／表面層１７５（以下、エピ層）において最も有意に現れるため、参照しやすいように、この開示は、エピ層１７５における応力に向けられるが、当該技術分野における当業者は、応力誘起の破損が発光素子１６０又は相互接続１６５内のどこでも生じ得ることを理解するであろう。従って、「エピ層をクラッキングする」などの用語は、「エピ層又はエピ層の下の任意の層をクラッキングする」と理解されるべきである。同様に、コンタクト１５０を有する層は、コンタクト以外の他の要素を含んでいてもよく、参照しやすいように、「金属層１５０」なる用語は、以下では、発光素子１６０に支持を与える金属の層を特定するために用いられる。

金は、図１Ａ及び図１Ｂの発光デバイスの金属層１５０を形成するために適した材料であることが分かっている。コストを減少するため、銅が、この金属層１５０のための金の代わりに用いることが提案されてきた。しかしながら、銅から銅への相互接続は、発光デバイス１００に対して所望の信頼性を与えず、従って、金が、マイクロバンプ層の形で、接続材料１４５として用いられ得る。当該態様において、金属層１２０のメッキ１２５も金である場合、金から金への相互接続が形成され、フリップチップとサブマウントとの間により信頼性の高い電気的及び／又は熱的な相互接続を与える。

銅は、１１０ＧＰａのヤング係数を持ち、これは、７７ＧＰａである金のヤング係数（アニールされた金線の２６ＧＰａ）よりも強い。さらに、銅は、金よりも極めて小さい塑性効果を持つ。従って、金属層１５０に銅を用いることは、成長基板１７０が除去された場合に、エピ層１７５のクラッキングの可能性を低減する。しかしながら、熱サイクリング中、銅の金属層は、金の金属層よりも著しく大きな変形１９０を生じさせ、これは、熱サイクリング中のエピ層のクラッキングの可能性を増大させ得る。

さらに、金のマイクロバンプ１４５が銅の金属層１５０とサブマウントとの間に用いられた場合、金は、比較的コンプライアンスの高い材料であり、チャネル１３５における銅の金属層１５０の端部が更に持ち上がることを可能とするため、銅の金属層１５０によって引き起こされる変形１９０の量は、より大きいものとなるであろう。

ある実施形態では、金属層１５０のために選択される材料は、当該材料の熱膨張係数（ＣＴＥ：Coefficient of Thermal Expansion）に基づいて選択される。とりわけ、銅よりも低い熱膨張係数を持つ合金が、金属層１５０を形成するために使用され得る。例えば、当該合金は、ＣｕＮｉ、ＣｕＮｉＴｉ、ＣｕＷ、ＣｕＦｅ、ＣｕＭｏなどを含んでいてもよい。ＮｉＴｉ合金は、負の熱膨張係数を持つため、極めて効果的である。

銅は、２０℃乃至２５０℃の温度範囲で、１６〜１８．５ｐｐｍ／Ｋの熱膨張係数を持つ。この熱膨張係数は、発光デバイスを形成するために用いられる他の材料の大部分よりも極めて高く、サブマウントとして使用され得るアルミナの１０ｐｐｍ／Ｋよりも小さい熱膨張係数よりも極めて高い。銅を、低い又は負の熱膨張係数の材料と合金化することは、銅よりも小さい熱膨張係数を有する合金を与えるであろう。

有限要素解析（ＦＥＡ：Finite Element Analysis）は、金属層の熱膨張係数が１８ｐｐｍ／Ｋから８ｐｐｍ／Ｋまで低減された場合、熱サイクリングによって引き起こされる最大応力が１４８１ＭＰａから３８４．５ＭＰａに低減可能であることを実証した。８ｐｐｍ／Ｋの熱膨張係数を達成すべく、メッキ工程が、Ｎｉ、ＴｉＮｉ、Ｗ、Ｆｅ、Ｍｏなどの銅合金を形成するために使用され得る。とりわけ、Ｔｉ_{０．５０７}Ｎｉ_{０．４９３}合金は、−２１ｐｐｍ／Ｋという負の熱膨張係数を持つので、最も有効である。

図２に示されるように、代替的に、又は、追加的に、金又はアルミニウムなどのコンプライアント金属化層２１０が、金属層１５０と相互接続１６５との間のバッファとして機能し、熱サイクリングによって引き起こされる応力の幾らかを吸収するため、金属層１５０と相互接続１６５との間に導入されてもよい。

金又はアルミニウムなどのより柔軟な層２１０が、金属層１５０を作るために使用されるパターンに対応して付与されてもよい。この層２１０は、金属層１５０と上層１６０，１６５との間の熱膨張係数の不整合を緩和するためのバッファとして機能する。１μｍの厚さの金の層が、エピ層１７５内の最大主応力を４２％も減らし、３μｍの厚さの金の層が、エピ層１７５内の最大主応力を４９％減少させ得ることが推定されている。このコンプライアント材料の連続層の代わりに、マイクロバンプの層が、このバッファ層のコンプライアンスを更に高めるために使用されてもよい。

また、代替的に、又は、追加的に、マイクロバンプ層１４５のコンプライアンスが低減されてもよい。熱サイクリングによって引き起こされる変形の一部を吸収するためにバッファを導入するのと同じように、マイクロバンプ層のコンプライアンスを低減することは、この歪みを制限するのに役立つ。例えば、コンプライアンスは、マイクロバンプ層１４５の高さを減らすことによって、あるいは、図３の符号３１０において示されるように、とりわけチャネル１３５の近傍で、マイクロバンプの密度又は大きさを増加させることによって、低減され得る。

代替的に、又は、追加的に、チャネル領域１３０又は１３５は、金属層１５０の材料に近い熱膨張係数を持つ材料で満たされてもよく、この結果、より熱的に適応した層を与え、歪み１９０を低減する。

ＬＥＤ１００は、レンズを形成するためにモールド又は成形されたシリコン樹脂で外側被覆されてもよい。レンズ外側被覆材料は、チャネル１３０，１３５の中へ流れ込むことが期待され、さらに、約２００ｐｐｍ／Ｋの熱膨張係数を持ち得るため、レンズ外側被覆材料の熱膨張は、金属層１５０の歪みとエピ層１７５での対応する応力とを更に増加させるであろう。サブマウント側のチャネル１３０をより低い熱膨張係数を有する材料で満たすことによって、チャネル内の熱膨張と、この膨張に起因する影響とが低減されるであろう。また、チャネル１３５を金属層１５０の熱膨張係数に近い熱膨張係数を持つ材料で満たすことによって、金属層１５０の膨張又は反りが低減されるであろう。

図４に示されるように、代替的に、又は、追加的に、金属層１５０は、熱サイクリングによって引き起こされる応力を低減させるために、構築又はパターン化されてもよい。

例えば、金属層１５０を作るために用いられるマスクは、小さいギャップ又は溝３１０、即ち金属化されていない領域を含んでいてもよく、当該領域は、金属層１５０と上層１６０，１６５との間の熱膨張係数の不整合の影響を再分配するのに役立つ。これらのギャップ３１０は、層１５０の熱膨張のために上層１６０，１６５において発生する横応力及び横歪みを分割し、この結果、チャネル１３５の上の領域における応力を同様に緩和する。

本発明は、図面及び上記説明において詳細に図示及び説明されてきたが、かかる図示及び説明は、一例であって、本発明を限定するものではないと考えられるべきであり、本発明は、開示された実施形態に限定されない。

開示された実施形態に対する他の変形が、当該技術分野における当業者によって、本発明を実施する際、図面、開示、及び、添付の請求項の研究から、理解及び実施され得る。請求項中、「有する」なる用語は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数を除外しない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、請求項に記載された幾つかの項目の機能を果たしてもよい。特定の特徴が相互に異なる従属項で言及されているという単なる事実は、これらの特徴の組み合わせが好適に用いられないということを示すものではない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアとともに、又は、他のハードウェアの一部として供給された光ストレージ媒体又は固体媒体などの適切な媒体に格納／配布されてもよいが、インターネット、あるいは、他の有線又は無線の遠隔通信システムを介してなど、他の形式で配布されてもよい。請求項中の任意の参照符号は、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (7)

1. 少なくとも１つの第１のチャネルによって分離された第１のコンタクトを持つサブマウントと、
   少なくとも１つの第２のチャネルによって分離された第２のコンタクトを具備する金属層を持つ発光構造体と、
   マイクロバンプであり、前記第２のコンタクトの各々が、前記第２のチャネルに隣接する前記第２のコンタクト上の領域に配列された当該マイクロバンプのうちの第１の複数のマイクロバンプと、前記第２のチャネルから離れた領域の前記第２のコンタクト上に配列された当該マイクロバンプのうちの第２の複数のマイクロバンプとによって、対応する第１のコンタクトに結合され、前記第１の複数のマイクロバンプの密度は、前記第２の複数のマイクロバンプの密度よりも大きい、マイクロバンプと、
   を有する発光デバイス。
2. 前記発光構造体は、フリップチップ構造を有する、請求項１記載の発光デバイス。
3. 前記金属層は、合金を有する、請求項１記載の発光デバイス。
4. 前記合金は、銅合金を有する、請求項３記載の発光デバイス。
5. 前記銅合金は、ＣｕＮｉ、ＣｕＮｉＴｉ、ＣｕＷ、ＣｕＦｅ、及び、ＣｕＭｏのうちの少なくとも１つを有する、請求項４記載の発光デバイス。
6. 前記銅合金は、ＣｕＮｉＴｉを有する、請求項４記載の発光デバイス。
7. 前記第２のチャネル内の充填材、を更に有する請求項１記載の発光デバイス。

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