JPH05299699A - 半導体発光装置 - Google Patents

半導体発光装置

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JPH05299699A
JPH05299699A JP4105149A JP10514992A JPH05299699A JP H05299699 A JPH05299699 A JP H05299699A JP 4105149 A JP4105149 A JP 4105149A JP 10514992 A JP10514992 A JP 10514992A JP H05299699 A JPH05299699 A JP H05299699A
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JP
Japan
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solder
light emitting
emitting diode
sub
mount
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Withdrawn
Application number
JP4105149A
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English (en)
Inventor
Tomonobu Sugawara
智信 菅原
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体発光装置に関し、本発明は、発光ダイ
オード・チップの活性領域に加わる応力を低減し、スク
リーニングを行った際の歩留りを向上し得るようにす
る。 【構成】 鉄、或いは、鉄を主成分とする材料のTO−
18型(JIS規格品)パッケージに於けるステム11
上に半田(或いはAuSi)からなるソルダ12で取り
付けられた厚さが892〔μm〕乃至956〔μm〕
(或いは888〔μm〕乃至1007〔μm〕)である
AlNからなるサブ・マウント13並びにサブ・マウン
ト13上にAuSnからなるソルダ14で取り付けられ
た発光ダイオード・チップ15を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバを用いた光
通信、或いは、測定器などに用いられる半導体発光装置
に関する。
【0002】現在、0.8〔μm〕帯で用いるGaAs
系発光ダイオードは、多くの分野で使用されようとして
いる段階にあり、従って、更なる信頼性の向上と低価格
化が希求されている。
【0003】
【従来の技術】一般に、発光ダイオードに於いては、シ
リコン、或いは、窒化シリコンからなるサブ・マウント
を用いて組み立てられている。図6は標準的な構成の従
来例を説明する為の発光ダイオードを表す要部側面図で
ある。
【0004】図に於いて、1はステム、2はソルダ、3
はサブ・マウント、4はソルダ、5は発光ダイオード・
チップをそれぞれ示している。この発光ダイオードは、
サブ・マウント3上にソルダ4を用いて発光ダイオード
・チップ5をボンディングし、それをソルダ2を用いて
ステム1にボンディングして作成され、サブ・マウント
3としては、厚さ140〔μm〕のSiを用いたもの、
或いは、厚さ900〔μm〕のSiCを用いたものが知
られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】通常、発光ダイオード
に於いては、初期不良を排除する為、高温で大電流の通
電を行って発光ダイオード・チップを構成する結晶の弱
い部分から転位を発生させる、所謂、スクリーニングが
行われている。
【0006】然しながら、そのスクリーニングを行った
場合、発光ダイオードに於ける部材間、例えば、ステム
1とソルダ2との間、ソルダ2とサブ・マウント3との
間、サブ・マウント3とソルダ4との間、ソルダ4と発
光ダイオード・チップ5との間の熱膨張係数の差で発生
する応力が破壊応力、即ち、結晶内に転位が発生する臨
界応力を越えてしまう。
【0007】因に、結晶内に転位が発生した場合、その
転位は電流の注入に依って非発光センタとなり、時間の
経過と共に電位が成長して光出力を低下させることにな
る。従って、転位が発生することは、発光ダイオードが
動作不能になる破壊と同義であると考えて良い。尚、発
光ダイオード・チップは、分離を良好にする為、発光ダ
イオード・チップの厚さ<<サブ・マウントの厚さ、に
しなければならないので、この条件の下では、発光ダイ
オード・チップの厚さを変えても、その厚さの如何が活
性領域に加わる応力に大きく影響することはない。
【0008】前記したようなことから、従来の発光ダイ
オードでは、スクリーニングを行うと、発光領域、即
ち、活性領域近傍にダーク・ラインやダーク・スポット
が発生し、製造歩留りは低いものになっいる。
【0009】本発明は、発光ダイオード・チップの活性
領域に加わる応力を低減し、スクリーニングを行った際
の歩留りを向上し得るようにする。
【0010】
【課題を解決するための手段】一般に、発光ダイオード
・チップの活性領域に加わる応力を低減する為の手段と
して、サブ・マウントの材料を選択すること、チップ−
サブ・マウント間、或いは、サブ・マウント−ステム間
に用いるソルダを選択することなどが考えられる。
【0011】活性領域に加わる応力は、諸材料の線膨張
係数、ヤング率、形成温度などから計算することがで
き、また、転位が発生する領域は極微小であることか
ら、無限平面を仮定したソウル(Saul)の理論式
(要すれば、「JAP.,Vol.40,No.8,p
p3273−3279,JULY 1969」、を参
照)を用いることが可能である。
【0012】図7はストレスを計算する為のモデルを解
説する説明図であって、最初、従来から多用されている
Si或いはSiCをサブ・マウントとし、また、半田或
いはAuSiをソルダとし、温度範囲は発光ダイオード
の動作温度として普遍的に適用される−40〔℃〕と1
20〔℃〕、そして、−10〔℃〕と130〔℃〕の場
合について計算した。
【0013】図8乃至図11はストレスとサブ・マウン
ト厚との関係を計算した結果を表す線図であり、縦軸に
ストレス〔ダイン/cm2 〕、横軸にサブ・マウント厚
〔μm〕をそれぞれ採ってある。
【0014】図8のデータを得た条件は、 サブ・マウント:Si チップ・ソルダ:AuSn 他のソルダ:半田 設定温度:−40〔℃〕及び120〔℃〕 であり、図9のデータを得た条件は、 サブ・マウント:SiC チップ・ソルダ:AuSn 他のソルダ:半田 設定温度:−40〔℃〕及び120〔℃〕 であり、図10のデータを得た条件は、 サブ・マウント:Si チップ・ソルダ:AuSn 他のソルダ:AuSi 設定温度:−10〔℃〕及び130〔℃〕 であり、図11のデータを得た条件は、 サブ・マウント:SiC チップ・ソルダ:AuSn 他のソルダ:AuSi 設定温度:−10〔℃〕及び130〔℃〕 である。
【0015】各図から明らかであるように、それぞれの
温度範囲に於いて、活性領域を構成している結晶内で転
位が発生するしきい値ストレスである1×109 〔ダイ
ン/cm2 〕(要すれば、「Kamejima et.
al J.J.A.P. Vol.16 No.2 p
p233−pp240」、を参照)以下となるような領
域では、許容できるサブ・マウント厚は存在しない。換
言すると、チップを取り付ける為のサブ・マウントが存
在すれば、活性領域には必ずしきい値ストレスを越える
ストレスが加わって転位が発生することになる。
【0016】前記したようなことから、本発明者は、種
々な条件も然ることがら、先ず、サブ・マウントの材料
としてSiやSiC以外のものを求めることとし、Al
Nを選択した。その理由は、AlNがチップの材料であ
る化合物半導体の線膨張係数に比較的近いそれを有して
いること、及び、放熱性が高いことなどに依る。そこ
で、サブ・マウントの材料にAlNを用いた場合につい
て、前記と同様な計算を行った。
【0017】図1及び図2はストレスとサブ・マウント
厚との関係を計算した結果を表した線図であり、縦軸に
はストレス〔ダイン/cm2 〕、横軸にはサブ・マウン
ト厚〔μm〕をそれぞれ採ってある。尚、図7にはサブ
・マウントにAlNを用いた場合のストレスを計算する
為のモデルが付記されている。図1のデータを得た設定
温度は−40〔℃〕であって、これは発光ダイオードの
最低動作温度に相当し、また、図2のデータを得た設定
温度は120〔℃〕であって、これは発光ダイオードの
最高動作温度、即ち、最大定格電流を流した際の最高温
度である。
【0018】各図から明らかなように、活性領域に加わ
るストレスを1×109 〔ダイン/cm2 〕以下とする
には、−40〔℃〕では、サブ・マウント3の厚さを8
92〔μm〕乃至1570〔μm〕の範囲にしなければ
ならず、また、120〔℃〕では、サブ・マウント3の
厚さを152〔μm〕乃至956〔μm〕の範囲にしな
ければならない。
【0019】図1並びに図2のデータに依れば、−40
〔℃〕〜120〔℃〕の温度範囲でストレスが1×10
9 〔ダイン/cm2 〕以下となるサブ・マウント3の厚
さは892〔μm〕〜956〔μm〕の範囲であること
が看取される。
【0020】図1及び図2について説明した計算結果
は、ソルダ2及びソルダ4の材質に依存して変化する。
そこで、次に、ソルダ2としてAuSiを、また、ソル
ダ4としてAuSnをそれぞれ用いた場合の計算結果に
ついて説明するが、このように、ソルダの材質を変えた
場合、発光ダイオードの動作定格は変わり、低温側の動
作温度は−10〔℃〕となって30〔℃〕高くなり、ま
た、高温側の動作温度は130〔℃〕となって10
〔℃〕高くなる。
【0021】図3及び図4は、図1及び図2と同様、ス
トレスとサブ・マウント厚との関係を計算した結果を表
した線図であり、縦軸にはストレス〔ダイン/c
2 〕、横軸にはサブ・マウント厚〔μm〕をそれぞれ
採ってある。図3のデータを得た設定温度は−10
〔℃〕であって、前記のようにソルダを変えた発光ダイ
オードの最低動作温度に相当し、また、図4のデータを
得た設定温度は130〔℃〕であって、これも前記のよ
うにソルダを変えた発光ダイオードの最高動作温度、即
ち、最大定格電流を流した際の最高温度である。
【0022】各図から明らかなように、活性領域に加わ
るストレスを1×109 〔ダイン/cm2 〕以下とする
には、−10〔℃〕では、サブ・マウント3の厚さを8
88〔μm〕以上、そして、130〔℃〕では、サブ・
マウント3の厚さを1007〔μm〕以下にしなければ
ならない。
【0023】図3並びに図4のデータに依れば、−10
〔℃〕〜130〔℃〕の温度範囲でストレスが1×10
9 〔ダイン/cm2 〕以下となるサブ・マウント3の厚
さは870〔μm〕〜970〔μm〕の範囲であること
が看取される。
【0024】前記したところから、本発明に依る半導体
発光装置に於いては、 (1)鉄或いは鉄を主成分とする材料からなるステム
(例えばステム11)上に半田からなるソルダ(例えば
ソルダ12)で取り付けられた厚さが892〔μm〕乃
至956〔μm〕であるAlNからなるサブ・マウント
(例えばサブ・マウント13)及び該サブ・マウント上
にAuSnからなるソルダ(例えばソルダ14)で取り
付けられた発光ダイオード・チップ(例えば発光ダイオ
ード・チップ15)を備えてなるか、或いは、
【0025】(2)鉄或いは鉄を主成分とする材料から
なるステム上にAuSiからソルダで取り付けられた厚
さが888〔μm〕乃至1007〔μm〕であるAlN
からなるサブ・マウント及び該サブ・マウント上にAu
Snからなるソルダで取り付けられた発光ダイオード・
チップを備えてなる。
【0026】
【作用】前記手段を採ることに依り、発光ダイオード・
チップの活性領域に加わるストレスを1×109 〔ダイ
ン/cm2 〕を越えないようにすることが可能となり、
従って、結晶内に発生する転位が少なくなり、スクリー
ニング時に於ける歩留りは著しく高くなるので、信頼性
が高い発光ダイオードを安価に供給することができる。
【0027】
【実施例】図5は本発明に依る実施例を説明する為の発
光ダイオードを表す要部側面図である。図に於いて、1
1はステム、12はソルダ、13はサブ・マウント、1
4はソルダ、15は発光ダイオード・チップをそれぞれ
示している。
【0028】図示の発光ダイオードに於ける各部材に関
する主要なデータを例示すると次の通りである。即ち、 ステム11:鉄製TO−18型パッケージのステム(厚
さ1.1〔mm〕) ソルダ12:半田 サブ・マウント13:AlN(厚さ900〔μm〕) ソルダ14:AuSn である。尚、TO−18型パッケージは、勿論、JIS
規格に見られるものであって、鉄、または、鉄を主成分
とする材料で作られている。
【0029】この発光ダイオードを組み立てるには、従
来の技術をそのまま適用することができ、例えば、サブ
・マウント13上にソルダ14を用いて発光ダイオード
・チップ15をボンディングし、それをソルダ12を用
いてステム11にボンディングして作成すれば良い。
【0030】このようにして得られた発光ダイオードで
は、−40〔℃〕〜120〔℃〕の温度範囲でスクリー
ニングした場合の歩留りは著しく高くなり、実験に依れ
ば、転位発生に依る不良率の平均値は14〔%〕であっ
た。
【0031】通常、発光ダイオードに於いては、チップ
の結晶内に基本的にもっている転位に依る不良率が〜1
0〔%〕程度であるから、本実施例に依るスクリーニン
グ歩留りは極めて良好と言える。因に、従来の技術に依
る発光ダイオードに於ける転位発生に依る不良率は55
〔%〕である。
【0032】また、前記実施例に関する諸条件のうち、
ソルダ12のみをAuSiに変えることができ、その実
施例に於いては、−10〔℃〕〜130〔℃〕の温度範
囲でスクリーニングした場合の歩留りが前記実施例と同
様に高い値を示すことが実験で確認されている。
【0033】
【発明の効果】本発明に依る半導体発光装置では、鉄或
いは鉄を主成分とする材料からなるステム上に半田(或
いはAuSi)からなるソルダで取り付けられた厚さが
892〔μm〕乃至956〔μm〕(或いは888〔μ
m〕乃至1007〔μm〕)であるAlNからなるサブ
・マウント及び該サブ・マウント上にAuSnからなる
ソルダで取り付けられた発光ダイオード・チップを備え
る。
【0034】前記構成を採ることに依り、発光ダイオー
ド・チップの活性領域に加わるストレスを1×10
9 〔ダイン/cm2 〕を越えないようにすることが可能
となり、従って、結晶内に発生する転位が少なくなり、
スクリーニング時に於ける歩留りは著しく高くなるの
で、信頼性が高い発光ダイオードを安価に供給すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ストレスとサブ・マウント厚との関係を計算し
た結果を表した線図である。
【図2】ストレスとサブ・マウント厚との関係を計算し
た結果を表した線図である。
【図3】ストレスとサブ・マウント厚との関係を計算し
た結果を表した線図である。
【図4】ストレスとサブ・マウント厚との関係を計算し
た結果を表した線図である。
【図5】本発明に依る実施例を説明する為の発光ダイオ
ードを表す要部側面図である。
【図6】標準的な構成の従来例を説明する為の発光ダイ
オードを表す要部側面図である。
【図7】ストレスを計算する為のモデルを解説する説明
図である。
【図8】ストレスとサブ・マウント(Si)厚との関係
を計算した結果を表す線図である。
【図9】ストレスとサブ・マウント(SiC)厚との関
係を計算した結果を表す線図である。
【図10】ストレスとサブ・マウント(Si)厚との関
係を計算した結果を表す線図である。
【図11】ストレスとサブ・マウント(SiC)厚との
関係を計算した結果を表す線図である。
【符号の説明】
1 ステム 2 ソルダ 3 サブ・マウント 4 ソルダ 5 発光ダイオード・チップ 11 ステム 12 ソルダ 13 サブ・マウント 14 ソルダ 15 発光ダイオード・チップ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】鉄或いは鉄を主成分とする材料からなるス
    テム上に半田からなるソルダで取り付けられた厚さが8
    92〔μm〕乃至956〔μm〕であるAlNからなる
    サブ・マウント及び該サブ・マウント上にAuSnから
    なるソルダで取り付けられた発光ダイオード・チップを
    備えてなることを特徴とする半導体発光装置。
  2. 【請求項2】鉄或いは鉄を主成分とする材料からなるス
    テム上にAuSiからなるソルダで取り付けられた厚さ
    が888〔μm〕乃至1007〔μm〕であるAlNか
    らなるサブ・マウント及び該サブ・マウント上にAuS
    nからなるソルダで取り付けられた発光ダイオード・チ
    ップを備えてなることを特徴とする半導体発光装置。
JP4105149A 1992-04-24 1992-04-24 半導体発光装置 Withdrawn JPH05299699A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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