JPH08321655A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】従来程度の構造、大きさで、放熱性の良い半導
体発光素子を得る。 【構成】熱伝導性の良いソルダによりフェイスダウンで
熱伝導性の良いサブマウント20にはんだ付けされた発光
素子のＬＤチップ10は、発熱領域である発光領域がはん
だ付けされた電極部分に近く、基板を介さずにヒートシ
ンク60に接近していることから、発光による熱エネルギ
ーは直ちに電極を介してサブマウント20に伝わり、そし
てヒートシンク60から放熱される。サブマウント20には
半導体チップ10の電極に通電するためのパターン202 が
設けてあり、半導体発光素子のチップ10の電極から取り
出された接続ランド部分にワイヤボンディングがなされ
て電極リード52が取り出される。サブマウント20は、熱
伝導性の良いソルダを用いてヒートシンク60に接着さ
れ、熱伝導率を良くしてある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、絶縁性の基板上に作成
された窒化ガリウム系等の半導体発光素子に関し、特
に、発光素子の半導体チップを放熱板の上に配置させて
ケーシングする半導体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電気的絶縁性に優れたサファイア
基板上に窒化ガリウム系の発光素子を形成して、その半
導体チップ(GaN半導体チップ）のサファイア基板をヒー
トシンク（放熱板）に接着させ、ケーシングして利用す
るものがある。サファイア基板は絶縁体なので、直接ヒ
ートシンクに接着でき、放熱が容易に実施できる。サフ
ァイア基板をアルミニウムなどのヒートシンクに接着さ
せるには、電気伝導性があって熱伝導性の良い銀(Ag)エ
ポキシ等で接着させている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、サファ
イア基板は熱伝導性が悪く、サファイア基板が薄く形成
されたとしても、放熱の効率が十分とは言いがたい、と
いう問題がある。

【０００４】従って本発明の目的は、従来と同等の構
造、大きさで放熱性の良い半導体発光素子を提供するこ
とである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め本発明の構成は、絶縁性の基板上に形成された発光素
子の半導体チップを放熱板に装着させて放熱させる構成
の半導体発光素子において、基板とは反対側の面に両電
極を有して、該両電極をフェイスダウンとして、電極取
り出し用にパターン形成がなされた熱伝導性の良い電気
的絶縁板上にはんだ付けされ、電気的絶縁板が放熱板に
熱伝導性の良い接着剤またはソルダで接着されているこ
とを特徴とする。又、他の特徴は、電気的絶縁板を人工
ダイヤモンド薄板又は酸化ベリリウム薄板とし、さらに
他の特徴は、基板をサファイア基板とし、発光素子を窒
化ガリウム系発光素子としたことである。

【０００６】

【作用】熱伝導性の良いソルダによりフェイスダウンで
はんだ付けされた発光素子の半導体チップは、発熱領域
である発光領域がはんだ付けされた電極部分に近く、放
熱板に接近していることから、発光による熱エネルギー
は直ちに電極を通じて、熱伝導性の良い電気的絶縁板に
伝わり、そして放熱板から放熱される。電気的絶縁板に
は半導体チップの電極に通電するためのパターンが設け
てあり、半導体チップの電極から取り出された接続ラン
ド部分にワイヤボンディングがなされて電極リードが取
り出される。電気的絶縁板は、やはり熱伝導性の良い接
着剤又はソルダを用いて放熱板に接着され、熱伝導を良
くしてある。

【０００７】

【発明の効果】発熱部分となる発光領域が、熱伝導性の
良い電気的絶縁板および放熱板に近い配置となり、熱エ
ネルギーが絶縁性の基板を介さずに、電極のソルダ部
分、及び熱伝導性の良い電気的絶縁板を介して放熱板か
ら放熱されるので、放熱効率が向上し、半導体発光素子
の発光効率や寿命等を向上させる。また電気的絶縁板上
のパターンでワイヤボンディングして電極リードを取り
出すので、この領域における発熱も直ちに放熱板側に伝
わる。またボンディング時に発光素子自身を損傷させる
ことがなく、発光素子の寿命を延ばす効果がある。電気
的絶縁板として人工ダイヤモンド薄板を用いる場合は、
熱伝導性が最も良く、放熱特性が優れている効果があ
る。

【０００８】

【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。図１は、半導体発光素子１００の外観図であ
る。ただし、図示しない最外の蓋ケースを外して窒化ガ
リウム系半導体レーザダイオードのチップ（以下、ＬＤ
チップと記す）１０が直接見える状態として示してあ
る。ＬＤチップ１０は、基板にサファイア基板を用いた
ものである。図３に示すように、ＬＤチップ１０は人工
ダイヤモンド薄板のサブマウント（電気的絶縁板）２０
にソルダ３２で接着されており、ボンディングワイヤ４
０でステム５０とサブマウント２０とが接続されてい
る。又、サブマウント２０はヒートシンク（放熱板）６
０にソルダ３３で接合され、そのヒートシンク６０がケ
ース７０に接合されている。

【０００９】ヒートシンク６０が設置されているケース
７０の基台部分にはハメチックシール５１でステム５０
が必要本数設けられていて、ケース外部のリード５２か
らＬＤチップ１０に通電されるようになっている。ヒー
トシンク６０は放熱性の良いアルミニウムなどのブロッ
クでできており、その端面の一つにサブマウント２０が
ソルダ３３で固着されており、このサブマウント２０の
上にＬＤチップ１０が、ＬＤチップ１０からのレーザ光
が図１に示す矢印の方向に取り出せるように固定されて
いる。図２の（ｂ）に示すように、サブマウント２０の
上には所定パターンのメタル２０２が形成されており、
ＬＤチップ１０の電極３１ａ、３１ｂがサブマウント２
０に取り出されて、ボンディングワイヤ４０でステム５
０と電気的に接続されている。

【００１０】ＬＤチップ１０は図２(a) の斜視図に示す
ように、サファイア基板１０１の上に、ダブルヘテロ構
造のレーザダイオード１０２が形成され、図２(a) の端
面に示すように、層の半分を平面状に削ってｎ伝導型領
域１０３を露出させ、その露出面に金属のｎ電極３１ａ
を形成し、レーザダイオード１０２の最上層に金属のｐ
電極３１ｂが形成されている。そして、ＬＤチップ１０
の光軸方向の端面を共振反射面としてＬＤを構成してい
る。

【００１１】以下、このＬＤチップ１０を搭載した半導
体発光素子１００の構成の組み立てを説明する。 (1) 先ず、サファイア基板１０１上にAlGaInN 半導体層
を形成してＬＤチップ１０を形成した。光軸に垂直な端
面が研磨、アルミニウム(Al)蒸着により鏡面となり、フ
ァブリペロー共振器を形成し発光させるようになってい
る。

【００１２】(2) ＬＤチップ１０の半導体層の表面に
は、ｐ電極３１ｂとｎ電極３１ａとが設けられており、
それぞれの面にはAu-Sn(金錫）合金等のソルダ３４ａ、
３４ｂが2 〜3 μｍの厚さに予め塗布されている。ＬＤ
チップ１０はこのソルダ３４ａ、３４ｂを下側にしてフ
ェイスダウンの状態にして、図２(b) に示すサブマウン
ト２０にはんだ付けされている。

【００１３】(3) サブマウント２０は人工ダイヤモンド
で形成されており、ＬＤチップ１０をマウントする側の
表面に所定形状にパターンニングされたメタル２０２が
形成されている。このメタル２０２のＬＤチップ１０の
電極３１ａ、３１ｂとはんだ付けされる領域に予めAu-S
n(金錫）合金等のソルダ３２が配設されている。また、
サブマウント２０の下面は、そのサブマウント２０をヒ
ートシンク６０にはんだ付けさせるためにソルダ３３が
塗布されている。

【００１４】(4) サブマウント２０は、ソルダ３３でヒ
ートシンク６０にはんだ付けされて固定される。そして
サブマウント２０上のそれぞれのメタル２０２にワイヤ
４０がワイヤボンディングされ、ＬＤチップ１０とステ
ム５０とが電気的に接続される。ここで、ワイヤは金(A
u)線で50μｍφが用いられている。

【００１５】ＬＤチップ１０のレーザダイオード１０２
からは、レーザ光が発せられるとともに発熱する。図３
の構造断面図に示すように、この熱エネルギーはレーザ
ダイオード１０２の上面、下面に伝達される。下面に伝
達された熱は、ｎ電極３１ａ、ｐ電極３１ｂ、ソルダ３
１ａ、３１ｂ、ソルダ３２、メタル２０２を介して、サ
ブマウント２０に伝達され、さらにソルダ３３を介して
ヒートシンク６０に伝達される。この結果、レーザダイ
オード１０２で発生した熱は、効率良くヒートシンク６
０に伝達される。

【００１６】また、ＬＤチップ１０は、ヒートシンク６
０に比べて十分小さく、また、発熱するレーダダイオー
ド１０２とヒートシンク６０との間にはサファイア基板
１０１が介在しないので、熱の伝導性が良く、レーダダ
イオード１０２の昇温が防止される。

【００１７】ここで用いたサブマウント２０の厚さは３
００μｍのものである。ダイヤモンドは硬質であり、容
易には壊れない上、熱伝導性が最も良い材料であるの
で、ベリリア（酸化ベリリウム）板よりも十分薄くさせ
ることができ、発熱部分を放熱性の最も良いアルミニウ
ムのヒートシンク６０により接近させることができる。

【００１８】また、ボンディングワイヤ４０を直接ＬＤ
チップ１０上の半導体層にボンディングする構造ではな
いため、ＬＤチップ１０のレーザダイオード１０２に対
してダメージを与えず、ＬＤチップ１０の寿命を増大さ
せることができる。

【００１９】なお、サブマウント２０としてベリリア
（酸化ベリリウム）の薄い板を利用してもよい。この材
料は熱伝導性が高く電気的絶縁性が良好なものである。

【００２０】尚、上記の実施例では、発光素子はレーザ
ダイオードであるが、発光ダイオードであっても良い。
発光ダイオードの場合は光の取り出し側はチップのサフ
ァイア基板面を通して、基板に垂直な方向となる。その
ため、LED チップの取り付けは図１の場合と異なり、図
１におけるケース７０基台面と平行なヒートシンク６０
上の面となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＬＤチップを搭載した半導体発光素子１００の
外観図。

【図２】ＬＤチップ及びサブマウントの構造を示した斜
視図。

【図３】ＬＤチップのサブマウントへの取付構造を示し
た断面図。

【符号の説明】

１００…半導体発光素子 １０…ＬＤチップ（半導体チップ） ２０…サブマウント（電気的絶縁板、人工ダイヤモンド
薄板） ４０…ボンディングワイヤ ６０…ヒートシンク（放熱板）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁性の基板上に形成された発光素子の半
   導体チップを放熱板に装着させて放熱させる構成の半導
   体発光素子において、 前記基板とは反対側の面に両電極を有して、該両電極を
   フェイスダウンとして、電極取り出し用にパターン形成
   がなされた熱伝導性の良い電気的絶縁板上にはんだ付け
   され、前記電気的絶縁板が前記放熱板に熱伝導性の良い
   接着剤またはソルダで接着されていることを特徴とする
   半導体発光素子。
2. 【請求項２】前記電気的絶縁板が人工ダイヤモンド薄板
   もしくは酸化ベリリウム薄板であることを特徴とする請
   求項１に記載の半導体発光素子。
3. 【請求項３】前記基板がサファイア基板であり、前記発
   光素子が窒化ガリウム系発光素子であることを特徴とす
   る請求項１または２に記載の半導体発光素子。