(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体チップの発熱を除熱することができ、しかも、半導体チップに生ずる熱応力を抑制することができる半導体装置を提供する。【解決手段】平面形状が矩形の半導体チップ１０と、半導体チップ１０が搭載されたサブマウント２０とを備えてなり、サブマウント２０は、複数のシート状グラファイト２１が、半導体チップ１０の厚み方向に略直交する方向に沿って積層されてなり、シート状グラファイト２１の積層面の面方向の線熱膨張係数α１と積層面の法線方向の線熱膨張係数α２とが互いに異なる値のものであり、半導体チップ１０の平面における長辺方向とシート状グラファイト２１の積層面の法線方向とのなす角度θが、３５〜６５°である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面形状が矩形の半導体チップと、この半導体チップが搭載されたサブマウントとを備えてなる半導体装置であって、
前記サブマウントは、複数のシート状グラファイトが、前記半導体チップの厚み方向に略直交する方向に沿って積層されてなり、当該シート状グラファイトの積層面の面方向の線熱膨張係数α１と積層面の法線方向の線熱膨張係数α２とが互いに異なる値のものであり、
前記半導体チップの平面における長辺方向と前記シート状グラファイトの積層面の法線方向とのなす角度θが、３５〜６５°であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体チップの主材料がヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）であり、前記半導体チップの平面における長辺方向と前記シート状グラファイトの積層面の法線方向とのなす角度θが、４０〜５５°であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記半導体チップの主材料がシリコン（Ｓｉ）であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップがサブマウント上に搭載されてなる半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置においては、その使用時に半導体チップに発熱が生じ、この発熱による温度変化によって、当該半導体チップの特性が変化する。例えば半導体レーザ装置においては、温度変化によって、発振波長が変化したり発光強度が変化したりする。そして、半導体レーザ装置においては、その使用時にレーザチップに生じる発熱を高い効率で放熱するために、当該レーザチップが搭載されるサブマウントを構成する材料として、熱伝導率の高い材料を用いる技術が知られている。例えば特許文献１には、ダイヤモンドよりなるサブマウントを有する半導体レーザ装置が開示されている。また、特許文献２には、複数のシート状グラファイトがレーザチップとの接触面と交差する面に沿って積層されてなるサブマウントを有する半導体レーザ装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１２７３７５号公報
【特許文献２】特開２０１１−２３６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、サブマウントを構成する材料としてダイヤモンドを用いる場合には、当該ダイヤモンドは、その線熱膨張係数がレーザチップを構成する材料、例えばヒ化ガリウム系化合物や窒化ガリウム系化合物の線熱膨張係数に対して差が大きいものである。そのため、半導体レーザ装置の製造工程において、例えばＡｕＳｎハンダによってレーザチップをサブマウントに接合する際の加熱によって、当該レーザチップには大きな熱応力が生ずる。
また、サブマウントを構成する材料としてシート状グラファイトの積層体を用いる場合においても、当該シート状グラファイトと、その面方向の線熱膨張係数と厚み方向の線熱膨張係数とが大きく異なるものであるため、レーザチップには大きな熱応力が生ずる。
そして、レーザチップに熱応力が生じると、レーザチップにクラックが生じたり、レーザ特性が損なわれたりする、という問題がある。
【０００５】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、半導体チップの発熱を除熱することができ、しかも、半導体チップに生ずる熱応力を抑制することができる半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の半導体装置は、平面形状が矩形の半導体チップと、この半導体チップが搭載されたサブマウントとを備えてなる半導体装置であって、
前記サブマウントは、複数のシート状グラファイトが、前記半導体チップの厚み方向に略直交する方向に沿って積層されてなり、当該シート状グラファイトの積層面の面方向の線熱膨張係数α１と積層面の法線方向の線熱膨張係数α２とが互いに異なる値のものであり、
前記半導体チップの平面における長辺方向と前記シート状グラファイトの積層面の法線方向とのなす角度θが、３５〜６５°であることを特徴とする。
【０００７】
本発明の半導体装置においては、前記半導体チップの主材料がヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）である場合には、前記半導体チップの平面における長辺方向と前記シート状グラファイトの積層面の法線方向とのなす角度θが、４０〜５５°であることが好ましい。
また、前記半導体チップの主材料がシリコン（Ｓｉ）であってもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の半導体装置によれば、サブマウントは、面方向の熱伝導率が高いシート状グラファイトが、半導体チップの厚み方向に略直交する方向に沿って積層されてなるものであるため、半導体チップの発熱を除熱することができる。
また、サブマウントは、シート状グラファイトの積層面の面方向の線熱膨張係数α１と積層面の法線方向の線熱膨張係数α２とが互いに異なる値のものであり、しかも、半導体チップの平面における長辺方向とシート状グラファイトの積層面の法線方向とのなす角度θが特定の範囲にあるため、半導体チップに生ずる熱応力を抑制することができる。従って、半導体チップにクラックが生じたり、半導体チップの特性が損なわれたりすることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る半導体レーザ装置の一例における構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す半導体レーザ装置の平面図である。
【図３】図２に示す半導体レーザ装置のＡ−Ａ断面図である。
【図４】実験例１において求めたレーザチップに生ずる垂直応力と、レーザチップの長辺方向とシート状グラファイトの積層方向とのなす角度との関係を示すグラフである。
【図５】実験例２において求めたレーザチップに生ずる垂直応力と、レーザチップの長辺方向とシート状グラファイトの積層方向とのなす角度との関係を示すグラフである。
【図６】実験例３において求めたレーザチップに生ずる垂直応力と、レーザチップの長辺方向とシート状グラファイトの積層方向とのなす角度との関係を示すグラフである。
【図７】実験例４において求めたレーザチップに生ずる垂直応力と、レーザチップの長辺方向とシート状グラファイトの積層方向とのなす角度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の半導体装置の実施の形態について、半導体レーザ装置として実施した場合を例に挙げて説明する。
図１は、本発明に係る半導体レーザ装置の一例における構成を示す斜視図、図２は、図１に示す半導体レーザ装置の平面図、図３は、図２に示す半導体レーザ装置のＡ−Ａ断面図である。
この半導体レーザ装置は、平面形状が矩形の板状のレーザチップ１０を有する。このレーザチップ１０は、矩形の板状のサブマウント２０の表面上に、例えばＡｕＳｎ共晶ハンダよりなる第１の接合層２５を介して接合されることによって搭載されている。サブマウント２０の裏面上には、例えば銅よりなるヒートシンク３０が、例えばＳｎＡｇＣｕ共晶ハンダよりなる第２の接合層２６を介して接合されている。
【００１１】
レーザチップ１０においては、平面形状が矩形の板状の基体１１の内部に、それぞれ光を出射する複数の平面円形の光エミッタ１５が、当該レーザチップ１０の長手方向に沿って一列に直線状に並ぶよう配置されている。このレーザチップ１０における基体１１の表面には、光エミッタ１５から出射される光を外部に取り出すための複数の光取り出し部１２が形成されている。これらの光取り出し部１２は、光エミッタ１５の各々に対応して、基体１１の長手方向に沿って一列に直線状に並ぶよう配置されている。
基体１１を構成する材料としては、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコン（Ｓｉ）などの半導体材料を用いることができる。
【００１２】
サブマウント２０は、複数のシート状グラファイト２１が半導体チップの厚み方向に略直交する方向に沿って積層されることによって構成されている。
サブマウント２０の厚みは、０．５〜１．２ｍｍであることが好ましい。
サブマウント２０におけるシート状グラファイト２１の面方向の熱伝導率は、１５００Ｗ／ｍ℃以上であることが好ましい。この熱伝導率が過小である場合には、レーザチップ１０の発熱を高い効率で除熱することが困難となることがある。
サブマウント２０におけるシート状グラファイト２１の厚み方向の熱伝導率は、例えば５〜９Ｗ／ｍ℃である。
【００１３】
サブマウント２０は、シート状グラファイト２１の積層面の面方向の線熱膨張係数α１と積層面の法線方向の線熱膨張係数α２とが互いに異なる値のものである。
サブマウント２０におけるシート状グラファイト２１の積層面の面方向の線熱膨張係数α１は、例えば−１×１０-6〜１×１０-6Ｋ-1である。
また、サブマウント２０におけるシート状グラファイト２１の積層面の法線方向の線熱膨張係数α２は、例えば２０×１０-6〜３５×１０-6Ｋ-1である。
そして、レーザチップ１０の基体１１を構成する材料、例えばヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコン（Ｓｉ）などの線熱膨張係数は、上記線熱膨張係数α１より大きく、上記線熱膨張係数α２より小さい。
【００１４】
そして、本発明の半導体レーザ装置においては、レーザチップ１０の平面における長辺方向Ｘとシート状グラファイトの積層面の法線方向（以下、「積層方向」ともいう。）Ｓとのなす角度θが、３５〜６５°とされる。特に、レーザチップ１０の主材料、具体的には基体１１を構成する材料が、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）である場合には、レーザチップ１０の平面における長辺方向Ｘとシート状グラファイト２１の積層方向Ｓとのなす角度θが、４０〜５５°であることが好ましい。このなす角度θが過小または過大である場合には、レーザチップ１０に生ずる熱応力を抑制することが困難となる。その結果、レーザチップ１０に生ずる熱応力によって、レーザチップ１０にクラックが生じたり、レーザ特性が損なわれたりする。
【００１５】
このような半導体レーザ装置は、例えば以下のようにして製造することができる。
多数のシート状グラファイトが積層されてなる直方体状の積層体材料を作製する。次いで、この積層体材料における積層面に垂直な一側面を表面として、形成すべきサブマウント２０における積層方向Ｓと長手方向とが所要の角度、すなわちサブマウント２０上にレーザチップ１０を搭載したときに積層方向Ｓとレーザチップ１０の長辺方向Ｘとのなす角度θとなるよう、当該積層体材料を矩形の板状に切断する。その後、切断された積層体材料を研磨することにより、目的とするサブマウント２０が得られる。
【００１６】
次いで、サブマウント２０の表面上に、例えばＡｕＳｎ共晶ハンダ材料を介してレーザチップ１０を配置する。そして、ＡｕＳｎ共晶ハンダ材料を、その融点以上の温度例えば３２０℃に加熱して溶融した後、当該ＡｕＳｎ共晶ハンダ材料を冷却して固化することにより、サブマウント２０の表面上に第１接合層２５を介してレーザチップ１０を接合する。その後、サブマウント２０の裏面上に、ＳｎＡｇＣｕ共晶ハンダ材料を介してヒートシンク３０を配置する。そして、ＳｎＡｇＣｕ共晶ハンダ材料を、その融点以上の温度に加熱して溶融した後、当該ＳｎＡｇＣｕ共晶ハンダ材料を冷却して固化することにより、サブマウント２０の裏面上に第２接合層２６を介してヒートシンク３０を接合し、以て、図１に示す半導体レーザ装置が製造される。
【００１７】
以上において、サブマウント２０に対するレーザチップ１０の接合は、リフローあるいはダイボンディングなどの公知の方法によって行うことができる。
そして、レーザチップ１０の接合においては、ＡｕＳｎ共晶ハンダ材料と共に、レーザチップ１０およびサブマウント２０も加熱された後冷却される。このとき、レーザチップ１０およびサブマウント２０は、それぞれの熱膨張係数に応じて変形（膨張および収縮）する。そのため、冷却後のレーザチップ１０には、サブマウント２０との熱膨張係数の差に起因して熱応力が生じる。然るに、本発明に係る半導体レーザ装置によれば、レーザチップ１０の長辺方向Ｘとシート状グラファイト２１の積層方向Ｓとのなす角度θが特定の範囲にあるため、レーザチップ１０に生ずる熱応力が抑制される。
【００１８】
そして、本発明に係る半導体レーザ装置においては、レーザチップ１０に電気エネルギーが供給されることにより、当該電気エネルギーの一部が光エネルギーに変換され、各光エミッタ１５から光が出射される。また、レーザチップ１０に供給された電気エネルギーの一部は熱エネルギーに変換され、これにより、レーザチップ１０に発熱が生じる。而して、シート状グラファイト２１は面方向の熱伝導率が高く、サブマウント２０は、シート状グラファイト２１が半導体チップの厚み方向に略直交する方向に沿って積層されてなるものである。そのため、レーザチップ１０に生じた熱は、サブマウント２０の厚み方向に伝導され、第２の接合層２６を介してヒートシンク３０に伝わり、当該ヒートシンク３０の底部から外部へ除熱される。
【００１９】
以上のように、本発明に係る半導体レーザ装置によれば、サブマウント２０は、面方向の熱電導率が高いシート状グラファイト２１が、レーザチップ１０の厚み方向に略直交する方向に沿って積層されてなるものであるため、レーザチップ１０に生じた熱を除熱することができる。
また、シート状グラファイト２１は、積層面の面方向の線熱膨張係数α１と積層面の法線方向の線熱膨張係数α２とが互いに異なる値であり、しかも、レーザチップ１０の平面における長辺方向とシート状グラファイト２１の積層面の法線方向とのなす角度θが特定の範囲にあるため、レーザチップ１０に生ずる熱応力を抑制することができる。従って、レーザチップ１０にクラックが生じたり、レーザチップ１０の特性が損なわれたりすることを防止することができる。
【００２０】
以上、本発明の半導体装置の実施の形態について、半導体レーザ装置として実施した場合を例に挙げて説明したが、本発明は、半導体レーザ装置に限定されず、例えばＬＥＤチップを備えた半導体装置、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワー半導体チップを備えた半導体装置に適用することができる。
【実施例】
【００２１】
〈実験例１〉
複数のシート状グラファイトが厚み方向に略直交する方向に沿って積層されてなるサブマウント上に、金とスズとの質量比が８０：２０のＡｕＳｎ共晶ハンダよりなる厚みが５μｍの層を介して、寸法が８ｍｍ×１ｍｍ×０．０７ｍｍで、寸法が１２ｍｍ×３．５ｍｍ×０．８ｍｍで、基体の材質がヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）であるレーザチップを配置した。
次いで、ＡｕＳｎ共晶ハンダを２８０℃（ＡｕＳｎ共晶ハンダの共晶点）に加熱した後、−４０℃に冷却にすることにより、レーザチップをサブマウント上に接合した。
以上において、サブマウントとしては、レーザチップの長辺方向とシート状グラファイトの積層方向とのなす角度θが、０°、１０°、２０°、３０°、４０°、４５°、５０°、６０°、７０°、８０°および９０°となるものを用いた。
また、レーザチップの基体を構成するヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、サブマウントおよびＡｕＳｎ共晶ハンダの物性を下記表１に示す。
そして、レーザチップにおけるサブマウントとの接合面において、２８０℃における応力を０として、−４０℃に冷却したときに当該レーザチップの長辺方向および短辺方向の各々に生ずる垂直応力を、有限要素法による構造解析から求めた。レーザチップに生ずる垂直応力と、レーザチップの長辺方向とシート状グラファイトの積層方向とのなす角度θとの関係を図４に示す。
【００２２】
〈実験例２〉
レーザチップとして、寸法が１２ｍｍ×３．５ｍｍ×０．８ｍｍで、基体の材質が窒化ガリウム（窒化ガリウム（ＧａＮ））であるものを用いたこと以外は実験例１と同様にして、レーザチップをサブマウント上に接合し、レーザチップの長辺方向および短辺方向の各々に生ずる垂直応力を求めた。レーザチップに生ずる垂直応力と、レーザチップの長辺方向とシート状グラファイトの積層方向とのなす角度θとの関係を図５に示す。
また、レーザチップの基体を構成する窒化ガリウム（ＧａＮ）の物性を下記表１に示す。
【００２３】
〈実験例３〉
レーザチップとして、寸法が１２ｍｍ×３．５ｍｍ×０．８ｍｍで、基体の材質がシリコン（Ｓｉ）であるものを用いたこと以外は実験例１と同様にして、レーザチップをサブマウント上に接合し、レーザチップの長辺方向および短辺方向の各々に生ずる垂直応力を求めた。レーザチップに生ずる垂直応力と、レーザチップの長辺方向とシート状グラファイトの積層方向とのなす角度θとの関係を図６に示す。
また、レーザチップの基体を構成するシリコン（Ｓｉ）の物性を下記表１に示す。
【００２４】
〈実験例４〉
レーザチップとして、寸法が６ｍｍ×３．５ｍｍ×０．８ｍｍで、基体の材質がヒ化ガリウム（ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ））であるものを用いたこと以外は実験例１と同様にして、レーザチップをサブマウント上に接合し、レーザチップの長辺方向および短辺方向の各々に生ずる垂直応力を求めた。レーザチップに生ずる垂直応力と、レーザチップの長辺方向とシート状グラファイトの積層方向とのなす角度θとの関係を図７に示す。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
図４〜図７に示すグラフにおいて、横軸はレーザチップの長辺方向とシート状グラファイトの積層方向とのなす角度θを示し、縦軸は垂直応力の値を示す。
これらの図に示す結果から明らかなように、レーザチップの接合面の長辺方向においては、θの値が０°のときには、マイナスの垂直応力すなわち圧縮応力が生じる。これは、２８０℃から−４０℃に冷却したときに、レーザチップの基体における長辺方向の収縮率が、サブマウントにおける長辺方向（シート状グラファイトの積層方向）の収縮率より小さいからである。一方、レーザチップの接合面の短辺方向においては、θの値が０°のときは、プラスの垂直応力すなわち引張応力が生じる。これは、２８０℃から−４０℃に冷却したときに、レーザチップの基体における短辺方向の収縮率が、サブマウントにおける短辺方向（シート状グラファイトの面方向）の収縮率より大きいからである。
【００２７】
そして、θの値が０°から大きくなるに連れて、レーザチップの接合面の長辺方向に生ずる圧縮応力が小さくなり、その後、プラスの垂直応力すなわち引張応力が生じる。そして、θの値が９０°に近づくに連れて、レーザチップの接合面の長辺方向に生ずる引張応力が大きくなる。
また、θの値が０°から大きくなるに連れて、レーザチップの接合面の短辺方向に生ずる引張応力が小さくなり、その後、マイナスの垂直応力すなわち圧縮応力が生じる。そして、θの値が９０°に近づくに連れて、レーザチップの接合面の短辺方向に生ずる圧縮応力が大きくなる。
【００２８】
そして、図４に示す結果から、基体がヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）よりなるレーザチップをサブマウント上に搭載した場合には、θの値が約４０°のときに、レーザチップの接合面の長辺方向に生じる垂直応力が０となる。また、θの値が約５５°のとき、レーザチップの接合面の短辺方向に生じる垂直応力が０となる。従って、θの値が３５〜６５°、特に４０〜５５°の範囲であれば、レーザチップに生ずる応力が抑制され、レーザチップにクラックが生じたり、レーザチップの特性が損なわれたりすることを防止することができることが理解される。
【００２９】
また、図５に示す結果から、基体が窒化ガリウム（ＧａＮ）よりなるレーザチップをサブマウント上に搭載した場合には、基体がヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）よりなるレーザチップを搭載した場合と同様に、θの値が３５〜６５°、特に４０〜５５°の範囲であれば、レーザチップに生ずる応力が抑制され、レーザチップにクラックが生じたり、レーザチップの特性が損なわれたりすることを防止することができることが理解される。
【００３０】
また、図６に示す結果から、基体がシリコン（Ｓｉ）よりなるレーザチップをサブマウント上に搭載した場合には、θの値が約３５°のときに、レーザチップの接合面の長辺方向に生じる垂直応力が０となる。また、θの値が約６５°のとき、レーザチップの接合面の短辺方向に生じる垂直応力が０となる。従って、θの値が３５〜６５°の範囲であれば、レーザチップに生ずる応力が抑制され、レーザチップにクラックが生じたり、レーザチップの特性が損なわれたりすることを防止することができることが理解される。
【００３１】
また、図４および図７に示す結果から、レーザチップにおける長辺の寸法と短辺の寸法の比が異なる場合でも、θの値が３５〜６５°、特に４０〜５５°の範囲であれば、レーザチップに生ずる応力が抑制され、レーザチップにクラックが生じたり、レーザチップの特性が損なわれたりすることを防止することができることが理解される。
【符号の説明】
【００３２】
１０  レーザチップ
１１  基体
１２  光取り出し部
１５  光エミッタ
２０  サブマウント
２１  シート状グラファイト
２５  第１の接合層
２６  第２の接合層
３０  ヒートシンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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