(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長構造上に、ｐ型層及びｎ型層を含むＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造を堆積する段階と、
前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造の一部をエッチングにより除去して前記ｎ型層を露出させる段階と、
各々の接触層と電気的に接続されたｐ及びｎ電極を形成する段階と、を備え、
前記ｐ電極が、Ａｇからなり、
前記ｎ電極が、前記ｐ電極の間に差し挟まれた形態の複数のフィンガを備え、
更に、前記ｐ電極に障壁層を設ける段階と、
サブマウントを装置に取り付ける段階と、を備え、
前記サブマウントを取り付ける段階は、
前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造とサブマウントウェーハとの間に熱経路を提供する接合部を形成する段階を含み、
前記障壁層は、前記接合部を形成する段階の間、前記ｐ電極を保護する、
逆転発光装置を製造する方法。
【請求項２】
前記サブマウントを取り付ける段階は、
サブマウントウェーハにはんだを施す段階と、
前記サブマウントウェーハをダイシングする段階と、
前記サブマウントをパッケージに取り付ける段階と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記サブマウントを取り付ける段階は、前記サブマウントウェーハをダイシングする段階の前に、前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造と前記サブマウントウェーハとの間にアンダフィルを施こす段階を更に含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記接合部を形成する段階は、前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造と前記サブマウントとの間に共融接合を形成する段階を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記接合部を形成する段階は、前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造と前記サブマウントとの間にはんだ接合部を形成する段階を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記サブマウントを取り付ける段階は、
前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造にはんだを施す段階と、
前記サブマウントウェーハをダイシングする段階と、
前記サブマウントをパッケージに取り付ける段階と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の逆転発光装置を製造する方法。
【請求項７】
前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造とサブマウントとの間にアンダフィルを施こす段階を更に含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記接合部を形成する段階は、前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造と前記サブマウントとの間に共融接合を形成する段階を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記接合部を形成する段階は、前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造と前記サブマウントとの間にはんだ接合を形成する段階を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
金属間誘電体を堆積する段階が、前記障壁層を加える段階に先行し、前記ｐ電極は、反射性であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造にはんだ可能金属を加える段階と、
前記はんだ可能金属をパターン化してはんだ可能区域を形成する段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
誘電体を加える段階と、
前記誘電体をパターン化してはんだ可能区域を形成する段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造にはんだ可能金属を加える段階と、
誘電体を加える段階と、
前記誘電体をパターン化してはんだ可能区域を形成する段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記逆転発光装置と近接する逆転発光装置との間にトレンチを形成するようにＩＩＩ族窒化物材料をエッチングにより除去することにより、前記逆転発光装置を近接する逆転発光装置から電気的に分離する段階を更に含み、
前記サブマウントを取り付ける段階は、前記サブマウントを２つ以上の逆転発光装置に取り付ける段階を含み、
前記２つ以上の逆転発光装置は、前記サブマウント上で金属トレースにより互いに電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記ｐ電極は、１０−２Ωｃｍ２未満の固有接触抵抗を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記ｎ電極の複数のフィンガは、前記ｎ電極の複数のフィンガ間に挟まれた前記ｐ電極よりも幅が狭いことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記サブマウントを取り付ける段階は、前記ｐ電極と前記サブマウントとの間に配置された前記接合部を介して前記装置に取り付けることを含み、前記接合部は、前記ｐ電極の面積の少なくとも１５％の面積を有する、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光装置に関し、更に詳細には、改良された発光能力を持つＩＩＩ族窒化物に基づく発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
「ＩＩＩ族窒化物」材料システムは、グループＩＩＩ及びグループＶ元素の任意の組合せであり、窒素が主なグループＶの元素であって、電子又は光電子装置組立に使用される半導体を形成する。本材料システムは、非限定的に、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＡｓＮ、及び、ＧａＩｎＰＮを含む。ＩＩＩ族窒化物材料システムは、紫外線から赤色スペクトル波長の範囲の光子エネルギを持つ光を発生する発光装置（ＬＥＤ）の組立に適する。これらのＬＥＤは、発光ダイオードとレーザダイオードとを含む。
【０００３】
ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤは、一般に、例えば有機金属気相成長などの成長技術を通し、ｐ−ｎ接合を形成する適切な成長基板上に堆積するエピタキシャル層を含む。ＩＩＩ族窒化物半導体装置の製造には、ある独特の困難がある。ＩＩＩ族窒化物基板は、市販されていないので、エピタキシャル成長は、例えばサファイア又はＳｉＣなどの非格子適合基板上に発生せざるを得ない。従来のＩＩＩ族窒化物ＬＥＤダイのエピタキシ上向き配向は、光が上面から、すなわち、ｐ型ＩＩＩ族窒化物層を通って光が抽出される必要がある。しかし、ＧａＮなどのｐ型ＩＩＩ族窒化物層の高抵抗率は、十分な電流拡散をもたらすために、金属被覆がｐ型材料面上に堆積することを必要とする。こうした金属は光を吸収するので、極薄ｐ電極金属被覆（例えばＮｉ／Ａｕ）が一般に光が上面を通って逃げることができるように使用される。しかし、これらの薄い半透明層でさえ、かなりの量の光を吸収する。Ａｕの通常の厚さ１００オングストローム（Å）を仮定し、Ｎｉを無視すると（透明ＮｉＯXを形成するために酸化され得る）、本半透明ｐ電極に吸収される光の量は、λ＝５００ナノメートル（ｎｍ）で、パス毎に約２５％である。高電流密度において、金属被覆厚みは、活性領域内への一様な電流注入を維持するため、また、ほとんどの光がワイヤボンディングパッド近傍で発生することを防ぐために増加する必要があり得る。金属厚を増加すると、光吸収が増大し、装置の抽出効果が減少する。明らかに、本トレードオフは、高電流密度（＞４０アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ2）、これは、約０．３５ｘ０．３５平方ミリメートル（ｍｍ2）の接合領域内への約５０ミリアンペア（ｍＡ）に相当する）で作動するＩＩＩ族窒化物ＬＥＤ設計においては避けるべきである。
【０００４】
図１を参照すると、ナカムラらは、米国特許第５，５６３，４２２号で、サファイア基板を利用した通常の従来技術ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤを開示した。ドープ未処理及びドープ処理されたＩＩＩ族窒化物層は、活性領域を取囲む。基板が電気的に絶縁であるため、ｐ及びｎ領域両方への接触がＬＥＤの同じ側（上部）で起こる場所において、非平面的装置形状が必要である。また、２つのワイヤボンディングパッドが、装置上部に必要である。ｎ側ワイヤボンディングパッドはまた、ＩＩＩ族窒化物エピ層への電気接続を準備するオーミック電極である。ｐ型ＩＩＩ族窒化物層の高い抵抗率は、電気的にｐ型ＩＩＩ族窒化物層に接続されている薄い半透明（部分的に吸収する）ＮｉＡｕオーミック電極により、電流拡散がもたらされることを必要とする。光抽出効率は、このオーミック電極と各ボンドパッドとにより覆われている表面積により制限される。オーミックとボンドパッド金属層とに関連する光学損失は、サファイア基板（ｎが約１．８）上のＩＩＩ族窒化物材料（ｎが約２．４）の光誘導特性により強調される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
イノウエらは、欧州特許第０ ９２１ ５７７ Ａｌで、光がサファイア成長基板などの基板を通って主に上方に逃げるようなエピタキシ側下向き又は逆転構造を持つ従来技術ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤを開示した。該装置設計は、活性接合面積を維持し、可能な最小ダイ・サイズを準備する。ｐ電極は、可視光線に対してかなりの吸収を示すＮｉ及びＡｕからできている。本装置は、高反射ｐ電極金属被覆を欠いているので、光抽出効率の点で制限され、従来の（エピタキシ側上方）装置に比べて重要な改善を提供しない。また、装置が小型で（＜４００ｘ４００平方ミクロン（μｍ2））パッケージへのはんだ接続面積が小さいため、それらの発光能力に限界がある。最後に、本装置は、低屈折率サファイア上層基板のために誘導光がＩＩＩ族窒化物エピ層内で閉じこめられ、効率の点で欠点となっている。
【０００６】
コンドーらは、欧州特許第０ ９２６ ７４４ Ａ２で、サファイア上層基板を使用する従来技術の逆転ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤを開示した。ｐ型電極は銀で、可視光線に非常に反射的であり、イノウエらにより開示された装置と比較して、高い光抽出効率を持つ装置をもたらす。しかし、ＩＩＩ族窒化物材料へのＡｇ接着は弱い。焼きなましの際、Ａｇは固まり、シートのオーミック接触性と反射率との完全性を破壊する。装置が比較的小型で（＜４００ｘ４００μｍ2）、パッケージへのはんだ接続面積が小さいため、その発光能力には限界がある。最後に、本装置は、低屈折率サファイア上層基板のために誘導光がＩＩＩ族窒化物エピ層内で閉じこめられ、効率の点で欠点となっている。
【０００７】
メンツらは、「電子工学レター３３（２４）」のページ２０６６から２０８８において、サファイア上層基板を使用する従来技術の逆転ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤを開示した。本装置は、２層金属ｐ電極、Ｎｉ／Ａｌ及びＮｉ／Ａｇ、を利用し、Ｎｉ／Ａｕと比較すると改善された反射率をもたらす。しかし、本装置は、３５０ｘ３５０μｍ2の装置において２０ｍＡで４．９から５．１ボルト（Ｖ）の高い順電圧を示した。これは、良好なオーミック電極を持つ装置の３倍以上高い約１００Ωの直列抵抗を生じる。高い直列抵抗は、非常に電力変換効率を制限する。これらの装置が小型で（＜４００ｘ４００μｍ2）低い熱抵抗を備えていないので、それらの発光能力には限界がある。最後に、本装置は、低屈折率サファイア上層基板のために誘導光がＩＩＩ族窒化物エピ層内で閉じこめられ、効率の点で欠点となっている。
【０００８】
エドモンドらは、世界知的所有権機構第ＷＯ９６／０９６５３号において、図２に示す伝導ＳｉＣ基板の垂直注入ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤを開示した。ＩＩＩ族窒化物層からＳｉＣ基板へのオーミック伝導に伝導バッファ層が必要である。伝導バッファ層に必要な成長条件は、その後の層に利用可能な成長条件を制限し、それでＩＩＩ族窒化物活性領域層の質を制限する。また、伝導バッファ層は、光学損失機構をもたらす可能性があるので、光抽出効率を制限する。更に、ＳｉＣ基板は、低い直列抵抗に対して高い電気伝導度（ｐ＜０．２オームセンチメートル（Ω・ｃｍ））をもたらすために、ドープ処理される必要がある。ＳｉＣ基板ドーパントから生じる光学吸収は、該装置の光抽出効率を制限する。これらの条件は、直列抵抗と光抽出効率との間のトレードオフを生じ、図２におけるＬＥＤの電気的から光学的への電力変換効率を制限する働きをする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、増強された全体的発光能力を持つ逆転ＩＩＩ族窒化物発光装置（ＬＥＤ）である。大面積（＞４００ｘ４００μｍ2）装置は、低い直列抵抗をもたらすためにｐ電極金属被覆の間に挿入される少なくとも１つのｎ電極を持つ。該ｐ電極金属被覆は、不透明、高反射率、オーミック（１０-2Ωｃｍ2未満の固有接触抵抗）であり、優れた電流拡散をもたらす。ＬＥＤ活性領域のピーク放出波長でのｐ電極の光吸収は、パス毎に２５％未満である。中間材料又はサブマウントは、ＬＥＤダイとパッケージとの間の電気的及び熱的接続を準備するために使用してもよい。該サブマウント材料は、電圧追従制限作動、静電気放電（ＳＥＤ）からの保護、直列連糸ＬＥＤアレー、及び、フィードバック制御光出力などの電子機能を備えるためにＳｉであってもよい。ＬＥＤサブマウント・インタフェースを含む装置全体は、高い電流密度作動を可能にするために低い熱抵抗に対して設計されている。最後に、該装置は、光抽出効率の更なる改善が得られる高屈折率（ｎ＞１．８）上層基板を含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】サファイア基板を持つ従来技術のＩＩＩ族窒化物発光装置を示す図である。
【図２】ＳｉＣ基板を持つ別の従来技術のＩＩＩ族窒化物発光装置を示す図である。
【図３】接合部から周辺への熱抵抗の関数としての最大順電流を示す図である。
【図４】ｐ電極吸収の関数としてのＬＥＤ光抽出効率を示す図である。
【図５】従来技術の発光装置に捕らえられた光を示す図である。
【図６ａ】本発明の実施形態の平面図である。
【図６ｂ】本発明の実施形態の断面図である。
【図７】本発明の実施形態を示す図である。
【図８】本発明の実施形態を示す図である。
【図９】本発明の実施形態を示す図である。
【図１０ａ】本発明の実施形態の平面図である。
【図１０ｂ】本発明の実施形態の断面図である。
【図１１ａ】図１０ａに示す実施形態の断面図である。
【図１１ｂ】図１０ｂに示す実施形態の断面図である。
【図１２ａ】本発明の実施形態の平面図である。
【図１２ｂ】本発明の実施形態の平面図である。
【図１３ａ】本発明の代わりの実施形態を示す図である。
【図１３ｂ】本発明の代わりの実施形態を示す図である。
【図１３ｃ】本発明の代わりの実施形態を示す図である。
【図１４】ＳｉＣ吸収係数の関数としてのＧａＮ／ＳｉＣ逆転ＬＥＤの抽出効率を示す図である。
【図１５】上層基板基板のための逆転ピラミッド設計を持つ実施形態を示す図である。
【図１６】サブマウントの代わりの実施形態を示す図である。
【図１７ａ】本発明による多重直列相互接続発光構造を示す図であり、該構造の平面図である。
【図１７ｂ】本発明による多重直列相互接続発光構造を示す図であり、図７ａに対応する概略図である。
【図１８】サブマウントに接続された多重直列相互接続発光構造を示す図である。
【図１９】ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤを製造するフローチャートを示す図である。
【図２０】ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤをサブマウントに取付けるフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
ＬＥＤ作動の１つの基本的制限条件は、最大接合温度である。最大接合温度Ｔjmaxは、破損又は破損がＬＥＤのある部分又はその外被で起こるｐ−ｎ接合領域の温度である。被包性エポキシやレンズのガラス転移温度が近づくと、この破損がよく起こり、透明性が損なわれ、最終的にこれらの材料の溶解が起こる。こうした限界が確立されると、周囲温度からＴjmaxへの温度上昇ΔＴjは、次式で表される（電力変換効率＜＜１００％と仮定するが、今日のＩＩＩ族窒化物装置に対しては当てはまる）。
【００１２】
【数１】
0005702711.tif 000002
（１）
【００１３】
ここで、Ｔ0は周辺温度、Ｉmaxは最大作動電流、Ｖfは、その電流での順電圧、及び、Θj-aはｐ−ｎ接合部から周辺への熱抵抗である。Ｖfに簡素化した表現を代入し、書き換えをすると次式を得る。
【００１４】
【数２】
0005702711.tif 000003
（２）
【００１５】
ここで、Ｖ0は入電源電圧（およそＩＩＩ族窒化物半導体禁止帯幅電圧）で、Ｒsは、装置の直列電気抵抗である。Ｉmaxについて解くと次式を得る。
【００１６】
【数３】
0005702711.tif 000004
（３）
【００１７】
式３は、Ｖ0＝２．５Ｖ（波長λが約５００ｎｍのエネルギ禁止帯幅に相当する）と、ＲSとΘj-aとの変動値に対してＴjmax＝１３０℃の場合について図３にプロットされている。これらのパラメータの数値範囲は、約１ｍｍ2のダイ寸法と、熱除去のためにうまく設計されているシステムとに一致する。ＲSとΘj-n間の重要性順位は、図３のグラフのどの部分がその適用例を支配するかにより判断される。しかし、図３のほとんどの場合、熱抵抗の約５℃／ワット（Ｗ）の減少は、直列抵抗における約０．５Ωの降下よりも、より効率的にＩmax（すなわち光出力）を増加する。直列抵抗は、有限接触抵抗と実用ドーピングレベルから派生するので、任意の低レベルまで減らすことは困難である。すなわち、熱抵抗は、Ｉmaxを増加する重要なてこの腕であり、発光能力を最大にするために最小にする必要があることは明らかである。
【００１８】
接合温度の限界により一定のＩmaxを用いて、最大発光能力は、式４で表される。
【００１９】
【数４】
0005702711.tif 000005
（４）
【００２０】
ここで、Ｌmaxは、ワットで表された最大光出力、ηはＷ／Ａで表されたＬＥＤの傾斜効率である。該傾斜効率は、次式によって外部量子効率に比例する。
【００２１】
【数５】
0005702711.tif 000006
（５）
【００２２】
ここで、ηintは内部量子効率、Ｃextは、ＬＥＤの光抽出効率である。このように、最大発光能力は、一定の活性領域効率（ηint）を用いて光抽出効率を最大化することにより得られる。
【００２３】
ＬＥＤダイの直列抵抗と熱抵抗との両方が接続面積に逆比例するので、Ｉmaxを増加するためにダイサイズを増加することが好ましい。任意にダイ形状を増大すると、１次及び２次の光学機器サイズと、発光システム内のＬＥＤパッケージの電力消散能力との実際的な限界に付き当たる。代わりに、ダイサイズは、ＬＥＤパッケージによりもたらされる許容電力消散の有効使用をするように選択されるべきである。通常のシステムにおいて、接合部から周辺への熱抵抗は、ホフラーらが「電子工学レター３４、１」（１９９８年）に記載しているように、約６０℃／Ｗである。ＬＥＤパッケージの電力消散の上限はすぐに計算される。４０℃の周辺温度及び１３０℃のＴjmaxを仮定すると、最大入力電力は、（１３０−４０）／６０＝１．５Ｗである。最大入力電力は、次式のように書くことができる。
【００２４】
【数６】
0005702711.tif 000007
（６）
【００２５】
ここで、ＪmaxはＡ／ｃｍ2で表された最大順電流密度、ｐsは、Ω・ｃｍ2で表されたダイ直列抵抗、及び、Ａdieは、ダイ面積（ｃｍ2で表された）である。効率的で費用効果的作動のために、合理的な高い順電流密度が必要とされる。適切な順電流密度は、５０Ａ／ｃｍ2である。３５０ｘ３５０μｍ2の装置において、通常の直列抵抗は約３０Ωであり、ρsが約４ｘ１０-2Ωｃｍ2程度の装置抵抗に相当する。式６に対してこれと同じ抵抗性を仮定し、Ｊmax＝５０Ａ／ｃｍ2及びＶ0＝２．５Ｖ（波長λが約５００ｎｍのエネルギ禁止帯幅に相当）を用いると、パッケージにより許容される最大入力電力を達成するのに必要なダイ面積は、６．７ｘ１０-3ｃｍ2、又は、約８００ｘ８００μｍ2である。これと同じ電力レベルでのより小さい装置は、順電圧を増加させ、それ故、同電流に対して低効率をもたらすであろう。同様に、より小型の装置は、増加するダイ熱抵抗のためにより高温で作動するであろう。
【００２６】
ｐ型ＩＩＩ族窒化物層の高抵抗性のため、ＬＥＤ設計は、ｐ側電流拡散をもたらすためにｐ型層に沿って金属被覆を利用する。従って、絶縁基板のために、ｎ側電流拡散がｎ型ＩＩＩ族窒化物層を通って起こる必要がある。これらの層は、一般に約２μｍ厚であり、約１０-3Ω・ｃｍの抵抗を持つ。通常の装置抵抗の無視できる部分を説明するためには、ｎ型層による電流拡散に必要な距離は、約２００μｍ未満に維持されるべきである。従って、４００ｘ４００μｍ2より大きな装置は、装置の直列抵抗を低く維持するために、ｐ電極の間に挟まれる多重ｎ電極フィンガが必要である。上記に示す通り、高い発光能力用の装置は、例えば、＞４００ｘ４００μｍ2のように大きくなければならない。そのため、これらの装置は、挿入ｎ電極設計を利用すべきである。この設計は、サブマウントとの接続においてｎ及びｐ電極の電気的分離を保つ必要があるため、逆転構造に関して重大な意味を持つ。
【００２７】
逆転設計のために高度に反射的な電極金属被覆を使用することは、抽出効率を改善するために決定的である。図４は、ＬＥＤ抽出効率に対する逆転ダイ設計用のｐ電極吸収を従来（エピタキシ側上方）装置と比較して示す。図４にプロットされた抽出効率は、ＬＥＤダイ構造（１ｘ１ｍｍ２）の光学光線追跡モデル化により測定され、全てのＬＥＤ材料の測定光学特性を含む。モデル化された逆転装置の全ては、サファイア上層基板を利用し、一方、従来装置（逆転なし）は、サファイア基板を使用する。ｐ電極吸収（ｘ軸）は、関心のある波長でのｐ電極近傍のＩＩＩ族窒化物エピ層内の等方性点光源からの照明を仮定して、パス毎に吸収される光の百分率比として定められる。ｐ電極は、ｐ−ｎ接合内へ一様電流の注入を準備するためにほぼ完全に活性領域に亘って延びるので、光抽出には支配的な要因である。更に、サファイア（ｎが約１．８）とＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層（ｎが約２．４）との間の屈折率の差は、活性領域から発生する光の多くの部分がサファイア／ＩＩＩ族窒化物インタフェースで完全に内部反射される結果となる。この導波管で捕らえられた光量は、活性領域からの等方性放出について、全発生光の約ｃｏｓ（（１．８／２．４）−１）＝６６％である。この光は、図５に示すように、捕らえられ、装置に沿ってダイの側面に向かって横方向へ誘導される。図５は、従来（エピタキシ上方）構造を示すが、導波効果は、ダイがエピタキシ上方であるか、逆転されているかにかかわらず存在する。しかし、ｐ電極による吸収のために、導波光のほとんどが装置を出る前に失われる。このため、抽出効率は、図４にプロットされたデータで示す通り、ｐ電極吸収に非常に敏感である。これは、逃げる前のｐ電極でのパス数が非常に大きいために、例えば＞４００ｘ４００μｍ２などの大面積ダイの場合、特に重要である。ｎ電極もまた光学損失機構であるが、覆う装置面積が狭いのであまり重要ではない。
【００２８】
図４に示す光線追跡モデル結果は、Ｎｉ、及び／又は、Ａｕ電極を持つ逆転ダイ設計は、３８から４７％（λ＝５０５ｎｍ）の抽出効率をもたらすことを示す。半透明ＮｉＡｕ電極を持つ従来のエピタキシ側上方の装置は、４３％の抽出効率を持つ。従って、逆転装置内のＮｉ、及び／又は、Ａｕのｐ電極は、従来設計と比較して、非常に改善された抽出効率は提供しない。しかし、Ａｇのｐ電極に対し、逆転ダイは、従来装置に比べて抽出効率において約１．７倍の利得を示す。図４に明らかに示す通り、従来技術の装置を超える増加した光抽出を準備するためには、逆転装置内のｐ電極吸収は、３５％未満にすべきである。好ましくは、ｐ電極吸収は２５％未満である。図４は、５０５ｎｍの場合でプロットされているが、ｐ電極吸収に対する抽出効率の傾向は、波長にかかわらず正しい。反射率が第１の考慮する点ではあるが、また接触抵抗もそうであることを指摘することも忘れてはならない。ｐ電極の接触抵抗が悪いと過度に高い直列抵抗を持つ装置を生じ、そのため、式３で説明されるように、発光能力が減少する。３５０ｘ３５０μｍ2装置に対して、通常の直列抵抗は約３０Ωであり、４ｘ１０-2Ωｃｍ2程度の装置抵抗に相当する。ｐ接触抵抗は、直列抵抗への影響を最小にするために、これよりかなり少なくなければならない。本発明において、ｐ固有接触抵抗は、１０-2Ωｃｍ2未満であることが好ましい。。
【００２９】
製造可能工程での低光学吸収と低接触抵抗との結合をＩＩＩ族窒化物装置で達成するのは困難である。例えば、Ａｇは、良好なｐ型オーミック接触を作り、非常に反射的であるが、ＩＩＩ族窒化物層への接着は弱く、湿った環境でのエレクトロマイグレーションの影響を受け易く、致命的な装置破損を招く可能性があるという欠点がある。Ａｌは、適度に反射的だが、ｐ型ＩＩＩ族窒化物材料へのオーミック接触が良くなく、一方、他の基本的金属は、わりと吸収的である（可視光波長範囲において、パス毎に＞２５％の吸収）。可能な解決法は、電流拡散層として働く厚い反射層と共に、極薄の半透明オーミック接触を含む多層接触を使用することである。光学障壁層が、オーミック層と反射層との間に含まれる。ｐ型多層接触の１つの例は、Ａｕ／ＮｉＯx／Ａｌである。この金属被覆構成の通常の厚みは、３０／１００／１５００Åである。同様に、適切なｎ型ＧａＮ多層接触は、３０／１５００Åの通常の厚みを持つＴｉ／Ａｌである。
【００３０】
ｐ電極反射率は、抽出効率の支配的要因なので、製造可能性の設計段階で妥協すべきではない。逆転ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤのウェーハ上試験が、不透明シート金属被覆により困難になるであろうが、こうした試験方法が、ｐ電極の反射特性を低下させることを要求してはならない。例えば、ウェーハ上試験の間、光が上方へ逃げることができるようにｐ電極に挿入される開口部や半透明領域は、効率的にｐ電極反射率を減少して、完成した装置の効率を低下するように働くのみである。ｐ電極反射率を妥協しない他の方法を使うべきである。本発明は、光抽出を増加する一方で、ｐ−ｎ接合から、ランプパッケージへの熱抵抗を減少することにより、最大発光能力を持つ、例えば＞４００ｘ４００μｍ2などの大面積及び高電力のＬＥＤを提供する。これを達成するため、本発明は、低抵抗、不透明、及び、高反射率のｐ電極を利用する逆転構造を使用する。第１実施形態は、図６ａ及び図ｂに示されている。
【００３１】
図６ｂに示す断面図を参照すると、該装置は、ＩＩＩ族窒化物エピタキシャルヘテロ構造ｎ型及びドープ未処理層１１とｐ型層１２とを含み、各々が活性領域１３に接触している。ＩＩＩ族窒化物層１１は、随意的に透明上層基板１０へ取付けられる。上層基板１０は、ＩＩＩ族窒化物層堆積のための成長基板になることができる。図６ａに示すＬＥＤダイの底部平面図を参照すると、装置の大面積（＞４００ｘ４００μｍ2）は、装置全体に一様に電流が拡散するために、ｐ電極金属被覆２０の間に挟まれるｎ電極２２の「フィンガ」を要求する。こうした電極配置は、低直列抵抗（低伝導性ＩＩＩ族窒化物層に打ち勝つため）をもたらす大面積装置において要求され、すなわち、式３に示すような高い最大駆動電流を準備する。このように、間に挿入されたｎ電極配置は、全体発光能力を最大にする大面積装置に必要である。該装置は、光が側壁のほか透明上層基板１０を通って取り出され得るように逆転され、高反射率及び厚いｐ電極金属被覆２０を使用することにより、良好な抽出効率をもたらす。ｐ電極の反射率は、上記の通り、ＬＥＤ放出波長でのｐ電極の吸収がパス毎に２５％未満になるように決まっている。電極金属被覆は、相互接続６０を介してサブマウント基板５０上でサブマウント電極５２に接続する。該相互接続は、作動中にＬＥＤからの熱除去用の熱経路を準備する一方で、ＬＥＤとサブマウントとの間を電気接続する。図示されている実施形態は、はんだ付けを適用しているが、相互接続は、基本的金属、金属合金、半導体金属合金、はんだ、熱的及び電気的伝導ペーストや化合物（例えば、エポキシ）、ＬＥＤダイ及びサブマウント間の異なる金属の間の共融接合（例えば、Ｐｄ−Ｉｎ−Ｐｄ）、Ａｕスタッドバンプ、又は、はんだバンプから作られてもよい。
【００３２】
相互接続は、伝導インタフェース４１及び５４を介してＬＥＤとサブマウントとに取り付けられる。はんだが相互接続として使用される場合、伝導インタフェースは可溶性金属である。適用工程は、最初に相互接続の厚みと面積とを決める。１つの利用できる技術は、ペーストがサブマウントウェーハ又はＬＥＤ上の区域を選択するために塗布されるスクリーン印刷処理である。他の技術は、電気めっき、リフトオフ、及び、リフローを含む。相互接続としてはんだを使用する実施形態において、最終的な相互接続厚さ及び面積は、ＬＥＤダイ上の可溶性金属４１及びサブマウント上の可溶性金属５４のほか、はんだ容積により決められる。ＬＥＤ上のはんだ可能区域は、可溶性金属のパターン化を通して、又は、ＬＥＤダイ上に設けられるパターン化された誘電不活性化層４２のバイアを通して形成される。該誘電不活性化層４２は、ｐ及びｎ電極間で電気的分離層として働き、はんだ層４１がｐ及びｎ電極の両方に亘って延びるので必要となる。サブマウント上のはんだ可能区域は、はんだ可能金属５４をパターン化することにより同様に形成される。代わりの実施形態において、金属被覆５４の可溶性区域は、パターン化された誘電体層により形成され得る。はんだ可能金属層５５の第２のセットは、パッケージへの取付けのためにサブマウントの裏に堆積してもよい。随意的に、適切なはんだをサブマウントの裏に直接堆積することもできる。ＬＥＤとサブマウントとの間のいかなるアンダフィル金属の熱伝導率も例えば＜２．０Ｗ／ｍＫなどと非常に小さいので、接合部からパッケージへの熱抵抗は、ダイ・サブマウントはんだ接合とサブマウント材料及び形状とにより主に支配される。ｐ電極金属被覆での熱発生と１次元流れとを仮定し、薄層とサブマウント−パッケージはんだ接合との熱抵抗を無視すると、接合部からパッケージへの熱抵抗は、次式で表すことができる。
【００３３】
【数７】
0005702711.tif 000008
（誘電体無視）  （７）
【００３４】
ここで、ｔs及びｔsmは厚み、ρs及びρsmは、各々はんだとサブマウントとの熱伝導率、及び、Ａsは、はんだの全断面面積である。式６に示すように、はんだ面積Ａsは熱抵抗を制御する。従って、はんだでＬＥＤダイの全表面を覆うことが必要である。しかし、電気的分離がＬＥＤのｐ及びｎ電極領域の間で必要なため、これは不可能である。また、ｎ及びｐはんだ可能金属の間のこの隙間幅は、ダイをサブマウントに取付ける時の許容値である必要がある。それでも尚、図６ａの実施形態は、約８５％はんだ被覆範囲（ｐ電極面積２０に対するはんだ可能金属面積４１の比として定められる）をもたらす。
【００３５】
図６ａから図ｂに示すものに対する代わりの実施形態は、ｐ電極２０の一部分を含んでｎ電極２２の下方部分に延びるシート反射器を含む。金属間誘電体は、ｎ電極及びシート反射器のこれらの領域の間に形成される。該金属間誘電体は、これらの領域において、ｎ及びｐ電極間の電気的分離を準備する。ｎ電極の他の部分は、誘電体によって覆われず、サブマウントへの電気接触が可能である。この実施形態は、図６ａから図６ｂに示す実施形態と比較して、この光を上方へ反射することにより、ＬＥＤ金属被覆の隙間を通って下方へ漏れる光を減少する。
【００３６】
はんだが、リフロー・オーブンに、はんだ合金の固体温度を超える温度で置かれると、ＬＥＤとサブマウントとの間の相互接続が作られる。リフローの間、毛細管力と表面張力とは、はんだ可能金属区域をはんだシートへ配列する傾向がある。これにより、ＬＥＤダイのサブマウントウェーハへのいくらかの自己再配列が可能となる。この自己再配列は、高速ダイ取付け機械の使用を通して活用することができ、初期のダイ取付け精度を犠牲にしてスピードを取ることを可能にする。更に、ｐ及びｎはんだシートの各々を多くのシートへ分割すると、自己再配列が改善される。図７を参照すると、図の実施形態は、ｐ及びｎはんだパッド４１を対で示す。はんだシート間の隙間は、ダイ取付け機械の精度により決められる。図７の実施形態は、ｘ及びｙ方向に優れた自己再配列特性を持つが、一方、図６ａの実施形態は、主にｙ方向に自己再配列特性を持つ。
【００３７】
図８を参照すると、代わりの実施形態は、同面積のはんだ「棒」としてはんだ可能金属４１を示す。この設計は、リフローの間、はんだ可能金属の一様な溶解と共に良好な自己再配列の利点を持つ。一様な溶解が起こるのは、ダイとサブマウントとの間に作用する力がはんだ溶解面積に比例するからである。一様な溶解は、同等面積の領域から成る可溶性金属パターンを使って達成される。一様な溶解は、リフローとそれに続く冷却の間、ＬＥＤダイが傾くのを防ぐ。平面のＬＥＤ取付け処理を維持することは、例えばＬＥＤダイの部分がサブマウント上の金属被覆区域のきわめて近傍にある場合に現れるｐ−ｎ接合の短絡など、破損機構を被る可能性が小さいことを意味する。また、傾いていないＬＥＤダイの方向は、ＬＥＤランプ又はシステムの他の光学構成要素への改善された光結合を準備する。
【００３８】
図９を参照すると、別の実施形態は、はんだ「バンプ」用のパッドに変化したｎ領域はんだ可能金属を示す。ｎ及びｐ電極間の分離がｎはんだパッド近傍で必要でなくなり、それ故、誘電不活性化層４２の必要性を排除するので、ウェーハ製造工程が簡素化される。はんだバンプの製作は業界標準工程であり、ｎ電極でのはんだ接続を十分に確立された製造技術を通して準備することが可能である。
【００３９】
図１０ａ及び図１０ｂに各々示す平面及び断面図に表された代わりの実施形態において、全はんだ取付インタフェースは、バンプ用はんだパッドにより準備される。熱抵抗を最小にするために、最終はんだ厚を最小にしながら、最終はんだ接合断面面積を増やすためにバンプ数が最大にされる。バンプ数は、所定のバンプ直径に対してはんだバンプのピッチを制限する、はんだバンプ形成の最新技術により指令される。通常のピッチは、１００μｍ直径のバンプに対し、２００μｍである。１ｍｍ2のダイに対し、５列の１００μｍ直径のバンプが実現可能である。図１０ａを参照すると、ｎパッドに対して１列は２つのバンプである。ｎ電極フィンガは、ｐ電極金属被覆に沿うバンプの列数を４に制限する。この設計において、はんだ区域の断面は、ｐ電極区域の少なくとも１５％に維持される。はんだ面積の範囲は、可溶性金属表面区域を個々のバンプに必要な小さなバイアの先まで拡張することにより増加できる。例えば、ＬＥＤダイの可溶性金属パターンは、図８に示すように、各棒から成り得るのに対し、サブマウントのはんだバンプはなお、ｐ電極用に４ｘ４のアレー及びｎ電極用にそれプラス２の形をとる。図１１ａ及び図１１ｂは、本実施形態の断面図を示す。図１１ａは、ＬＥＤダイ上のはんだパッド４１用のパターン化された誘電体４２内にバイアを含む実施形態を示す。同様に、パターン化された誘電体５３には、サブマウント上のはんだパッド５４用にバイアが設けられる。図１１ｂに示す実施形態において、ＬＥＤダイ上のはんだ可能金属４１は、はんだが広がってその個々の直径がもたらすであろうよりもかなり広い範囲を溶解できるように、はんだバンプよりも大きく作られる。この結果、はんだ面積範囲が図１１ａの個々のバンプの合計を超えることとなる。また、はんだ厚は事実上減少する。これらの両方の結果は、はんだ接合の熱抵抗を減らし、ＬＥＤダイが増加した光出力のためにより高い電流密度まで駆動されることを可能にする。
【００４０】
図１２ａから図１２ｂに示す通り、サブマウントへの優れた熱接触を持つ装置へ準備するため、ＬＥＤの可溶性金属パターンに適合する、バンプ以外の任意形状にはんだを形成することが更に可能である。図１２ａは、ＬＥＤ底部の平面図である。はんだ可能金属４１は、ｐ電極２０及びｎ電極２２金属被覆上にパターン化され、リフローの間のはんだの溶解区域を形成する。代わりに、図６から図８に示すように、溶解区域は、誘電不活性層４２にから形成され得る。図１２ｂは、サブマウントの平面図を示す。横方向のサブマウント形状は任意であるが、六角形設計が示されている。サブマウントは、例えばＳｉなどの基板５０を含む。例えばＳｉＯ2などの随意的な誘電体層５１は、ＬＥＤダイとサブマウント基板との間の電気的分離のために含まれてもよい。代わりに、サブマウント基板は、サブマウント基板内に組立られた電子回路と一体化するため、ＬＥＤダイと電気的に接続されてもよい。Ａｇ又はＡｌなどの金属被覆５２は、ワイヤボンディングとしてのほか、ＬＥＤダイから下方に放出された光に対する反射器として設けられる。金属被覆５２の裂け目は、取付後、ＬＥＤダイのｐ及びｎ領域を電気的に分離するために設けられる。はんだ可能金属５４は、リフローの間のはんだの溶解区域を形成するためにワイヤボンディング金属被覆５２の上部にパターン化される。これらのパターンは、ＬＥＤダイのはんだ可能金属被覆４１のそれと合致する。ＬＥＤダイに関しては、図１０ｂに示すように、サブマウントの溶解区域は、誘電不活性層５３により形成され得る。はんだ材料６０は、サブマウントはんだ可能金属被覆５４に堆積される。代わりに、はんだ材料６０は、ＬＥＤダイに堆積されてもよい。はんだの縁部は、はんだ可能金属パターン５４の縁部から少し後退してもよい。溶解区域４１及び５４とはんだパターン６０とにより形成されたはんだ割り付けの制御は、はんだ適用工程に左右される。できるだけ多くのｐ電極２０が、リフロー後にはんだで覆われることが好ましい。図１２ａから図１２ｂの溶解区域は、ｐ電極２０の約６６％にはんだを供給する。図１２ａから図１２ｂのはんだ割り付けは、各棒から成っているが、任意パターンがもちろん可能であり、ｐ電極のはんだ面積範囲が更に増加できる。
【００４１】
ＬＥＤとサブマウントとの間の適切な相互接続により、ＬＥＤの最大作動温度を通常の最大定格である１３０℃を超えて増加することが可能になる。これは、相互接続が１３０℃を超える温度で、熱的に安定している場合である。それ故、はんだの場合、例えば９５／５ Ｐｂ／Ｓｎ、ＡｕＳｎ、ＡｕＳｉ、及び、ＡｌＳｉなどの高温はんだをこのインタフェースに使用することが必要である。高温相互接続は、ＬＥＤの最大接合温度を上昇し、最大駆動電流のかなりの増加、すなわち発光能力の増加をもたらす。はんだリフローの間、ｐ電極の完全性を維持することが重要である。すなわち、この層の反射率と接触抵抗とは、はんだ可能金属層やはんだ自身の存在によって低下されるべきではない。こうした低下は、ｐ電極とはんだ可能金属層との間の金属相互混合や、層間剥離などの歪みの誘発効果により起こり得る。このため、ｐ電極とはんだ可能金属との間に障壁層が必要であろう。適切な障壁層は、非限定的に、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、及び、Ｔｉを含む。
【００４２】
ＬＥＤダイ寸法が大きいものに対しては、ＬＥＤダイ、サブマウント、及び、ケーシングの間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の相違は、疲労を引き起こし、熱循環応力状態のもとで、ＬＥＤ／サブマウント取付インタフェースにおいて最終的に破損を起こす可能性がある。ＣＴＥ問題は、小さいシート（又は、棒やバンプ）に対してよりも、大きな、シート・はんだ取付設計に対して最も起こりやすい。従って、より大きなＬＥＤダイを取付けるのには、より小さいはんだ形状のほうが好ましい方法であり得る。また、より厚いはんだシートや、より高いはんだバンプの方が、ＬＥＤとサブマウントとの間に、より大きなコンプライアンスをもたらし、破損の危険性を小さくし得る。最小熱抵抗とＣＴＥ問題の始まりとの間のここでのトレードオフは、所定のＬＥＤダイサイズに対する最適はんだ取付設計に導く。１ｍｍ2のダイと１５％のはんだ面積範囲とに対し、はんだ厚は、温度循環応力状態の間、破損を起こすことなく最低２０μｍまで薄くすることができる。
【００４３】
ＬＥＤの光抽出は、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造のインタフェースの１つにおいて質感表面を準備することにより増加できる。質感化は、不規則でも規則的でもよい。これは、図１３ａから図１３ｃに示されている。図１３ａは、サファイア上層基板を利用する逆転装置を示す。サファイア上層基板とＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層との間の屈折率の不釣合が大きい（ｎが約０．６）と、活性領域から発生する大部分の光がサファイア・ＩＩＩ族窒化物インタフェースで完全に内部に反射されることになる。この光は捕らえられ、装置に沿って横方向へ、ダイの側面に向かって誘導される。しかし、ＩＩＩ族窒化物エピ層と電極とに存在する多くの損失機構のために、導波光のほとんどは、装置から逃げる前に失われる。図１３ｂにおいて、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造とサファイア上層基板との間のインタフェースが、光をＩＩＩ族窒化物層から散乱させるために質感化される。これにより、ヘテロ構造内の平均光子路程長が減少して内部吸収効果が減少し、すなわち、光抽出が改善される。同様な効果は、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造の底面、又は、ヘテロ構造内のインタフェースの１つにおいて質感化することにより達成できる。多くのインタフェースは、光抽出の更なる増大と関連して質感化され得る。
【００４４】
代わりの実施形態において、サファイア（ｎが約１．８）よりもＩＩＩ族窒化物層（ｎが約２．４）により近く屈折率が適合する高屈折率（ＨＲＩ）（ｎ＞１．８）の上層基板を含む逆転ダイ構成を準備することにより、光抽出は改善される。光発生領域を作っているＩＩＩ族窒化物層へのより近い屈折率適合により、より多くの光が厚い上層基板内に結合することを可能にし、光が、ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層内又は周りに存在する多くの損失機構の１つにおいて吸収される前に周辺内へ逃げることを可能にする。図１３ｃは、ＳｉＣ上層基板が使用された、こうした実施形態を示す。ＳｉＣの屈折率は約２．６で、サファイアよりもかなり密接にＧａＮに適合する。従って、完全内部反射の確率は非常に低く、結果的にＩＩＩ族窒化物層内に導波管は形成されない。実際上活性領域から発生した全ての光は、上層基板内に結合され、５つの露出した上層基板表面の１つを通って逃げる確率が高い。ＨＲＩ上層基板を用いてさえ、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造の１つ以上のインタフェースを質感化することにより、光抽出の更なる改善を得ることができる。
【００４５】
ＨＲＩ上層基板の全ての恩恵を導くため、該上層基板は、吸収がほとんどない本質的に透明でなければならない。このように、ＳｉＣに対しては、上層基板は、僅かにドープ処理されているか、又は、全くされていないかであるべきであり、成長方法により、ＬＥＤ装置に対して低損失の光学窓と備えるために、比較的不純物がない上層基板を準備する必要がある。６Ｈ ＳｉＣに対して、抵抗が０．５Ωｃｍより大きい場合、上記はほぼ当てはまる。ＳｉＣ内の吸収損失効果は、図１４に量的に表され、抽出効率（サファイア上層基板を使用する装置に対して正規化）が、ＳｉＣ上層基板内の分配損失（ｃｍ-1で表された吸収係数）の関数としてプロットされる。本結果は、ＬＥＤ装置構造の光線追跡モデル化により得られる。ＳｉＣの３つの異なる厚さが示されている。厚さ約１００μｍのＳｉＣ上層基板に対して、吸収係数は、３ｃｍ-1未満であるべきであり、より厚い基板では、吸収係数は、より低くなるはずである。無損失ＳｉＣ上層基板の場合は、抽出効率の利得は、本発明中の以前の実施形態に比べて１．２倍より大きい。
【００４６】
ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤの光抽出効率を高めるのに適する多くのＨＲＩ上層基板がある。多くの異なるポリタイプ（２Ｈ、４Ｈ、６Ｈ、ｃ及びａ軸の両方、３Ｃ等）におけるＳｉＣに加え、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＹＡＧ、又は、ＺｎＯ等の他の材料も使用できる。ＨＲＩ上層基板は、ＩＩＩ族窒化物エピ層の成長基板として働き、又は、ボンディングや第２成長段階によってＩＩＩ族窒化物エピ層に取り付けることができる。抽出効率への重要な恩恵は、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造上又は内部の１つ以上のＨＲＩ上層基板表面においても同様に、光無作為化表面を設けることにより得ることができる。こうした表面は、例えばのこで引くなどにより装置側壁に自然にもたらされるか、又は、例えばエッチングなどの他の方法により達成され得る。また、クラメスらが、「応用物理学レター７５」の２３６５ページから２３６７ページに記載しているように、上層基板は、改善された抽出効率を準備するために形作られてもよい。こうした形状の１つは、上層基板の上面がその底面より大きい表面積を持つような逆転ピラミッド設計である。この実施形態は、図１５に示されている。
【００４７】
サブマウントは、機能性をもたらし、性能に影響することができる。サブマウントは、ＬＥＤからの熱除去用の熱経路にあるので、サブマウント材料は、高い熱伝導率を持つべきである。適切な材料は、Ｓｉ、ＡｌＮ、及び、ＢｅＯを含む。サブマウントは、熱抵抗を小さくするために比較的薄くなければならない。例えば、Ｓｉサブマウントは、２５０μｍ未満でなければならない。Ｓｉは、約１００Ｗ／ｍＫでというその良好な熱伝導性と、統合電子機器能力とのために、サブマウント材料として魅力的である。サブマウントは、ＬＥＤとパッケージとの間に電気的分離を準備してもよい。この場合、陰極と陽極との２つの接続がサブマウントの上面でパッケージ導線に対して必要である。代わりに、パッケージの電気的分離が不要で、かつサブマウントが伝導性の場合、１つの電極がサブマウントを通ってパッケージに接触することができる。そのため、サブマウント上部から対向する導線へ、ただ１つの相互接続のみが必要となる。サブマウントの上面金属被覆は、下方に伝達する光を上方へと、高い効率で再方向付けするためにワイヤボンディング可能でかつ反射的であるべきである。従って、Ａｇ及びＡｌは、サブマウントの上面金属被覆にとって適切な選択である。
【００４８】
サブマウント上面の反射金属被覆の鏡面性のほか、サブマウント形状は、ＬＥＤの見かけの光源サイズに影響してＬＥＤ発光システムの光学に影響を与えることができる。ＬＥＤのほとんどは、ダイから主に横方向に放出された光を上方へ、そして有用な放射パターン内へと再方向付けするために反射カップを必要とする。この反射カップが大きい必要があればある程、１次及びどの２次レンズも大きくなくてはならない。光学の費用は、必要とする材料の容量に比例するので、反射カップの半径を最小にする必要がある。サブマウントを含むと、ワイヤボンディング接続に余分な空間が必要なため、ＬＥＤダイのサイズが実際上増大する。通常のワイヤボンディング許容範囲は、信頼できるワイヤボンディングのために、ＬＥＤダイを超えて約４００μｍの材料が延びることを要求する。また、サブマウントウェーハのダイシングには、隣接するＬＥＤダイ間に約１００μｍの空間が必要である。これらの許容範囲により、ＬＥＤダイサイズがかなり実際上増大する結果となる。例えば、１ｘ１ｍｍ2のＬＥＤダイは、サブマウントのために矩形形状を使用して１．８ｘ１．１ｍｍ2の区域が必要であろう。このサブマウントの最大の広がりは、（１．８2＋１．１2）1/2＝２．１１ｍｍに等しい対角線であり、反射カップの直径の下限を定める。代わりに、サブマウントが円盤のような形の場合、サブマウントの最大の広がりは、僅か１．８ｍｍである。このように、円盤形サブマウントにより、反射カップの直径を非常に小さくできる。円形裁断は、製造が困難であり得るので、円形円盤に近似の他の幾何学形が好ましい。例えば、六角形サブマウントは、マルチパス引きのこ（２パスの代わりに３パス）により製作でき、正方形や矩形サブマウントより好ましい。これらの考案は、図１６に示される。ＬＥＤダイより大きなサブマウントの面に仮想光源を作り出さないため、サブマウントの上の反射金属被覆は、できるだけ鏡面的であるべきである。ＬＥＤダイより大きいサイズの仮想光源は、ＬＥＤの放射パターンに有害な影響を及ぼし、修正にはより大きな光学が必要になるであろう。
【００４９】
図６ｂ、図９ｂ、及び、図１２ｂに示すサブマウントにより、ＬＥＤ内の電子機能が可能になる。ＩＩＩ族窒化物装置は、静電放電（ＥＳＤ）被害を受け易く、アントルらが米国特許第５，９４１，５０１号に記載しているように、ＬＥＤに電気的に接続された電力分巻部材により保護されてもよい。本発明に対しては、Ｓｉサブマウントを全体ＥＳＤ保護のために回路に内蔵することができる。この場合、例えばツェナーダイオード等の保護回路は、ＬＥＤダイと並行に接続される。代わりに、ＬＥＤが交流電源により駆動できるように、背中合わせのツェナーダイオードは、ＬＥＤダイと並行に製作されてもよい。例えば、光出力を監視する光検出器や、電流、及び／又は、電圧を監視する抵抗器など、他の電子装置もサブマウント内に含まれ得る。こうした装置は、一体化システムが一定した光出力作動を維持するための閉ループフィードバック制御をもたらすことを可能にするであろう。
【００５０】
サブマウントは、図１７ａに示すように、モノリシック構造の多重直列相互接続発光ダイオードに基づいたＬＥＤを準備する。組立体には、４つの直列接続されたＬＥＤがあり、それらの間に溝８０を形成するためにＩＩＩ族窒化物材料を除去するエッチングにより電気的に分離されている。該エッチングは、少なくとも未ドープ処理のＩＩＩ族窒化物層まで進行する。電気相互接続は、サブマウント上に広げられた金属トレース８１により準備される（図示しない）。はんだ金属被覆は、ダイオードがはんだを介してサブマウント金属トレースに電気的に接続されるように設計されている。得られる装置は、図１７ｂに示す電子回路により表すことができる。すなわち、この装置は、同じ活性接続面積の従来のＬＥＤよりも４倍の電圧、及び、４倍ほど少ない電流で作動する。例えば、１ｍｍ2の従来のＩＩＩ族窒化物ＬＥＤは、３．０Ｖ及び３５０ｍＡで作動し得るが、図１７ａに示すように４つの直列相互接続ＬＥＤに分割されたこの同じ活性接続面積は、１２．０Ｖ及び８７．５ｍＡで作動する装置をもたらす。この高電圧及び低電流作動により、ＬＥＤの電子駆動回路への要求が少なくなる。事実、電子駆動回路は、高電圧及び高能率で稼働でき、ＬＥＤ発光システムの全体的な効率を高める。モノリシック装置である本実施形態は、個々のＬＥＤダイを直列に取り付ける従来方法よりも好ましい。従来方法においては、ダイ取付機械が必要とする許容範囲のため、ＬＥＤダイが占める総面積が増大する。これにより、全ＬＥＤの光源サイズが不必要に増加し、それに続くＬＥＤシステムの光学サイズも増加する必要がある。好ましい実施形態において、ダイオードは、電気的分離のためのトレンチエッチングにより、可能な限り互いに接近して間隔を置くことができる。トレンチ幅は、本実施形態のダイオードの充填密度が非常に高くなり得るように、数ミクロンまで小さくすることができる。図１８に示すように、４つの１ｍｍ2ＬＥＤダイは、モノリシック的に製作され、１つの上層基板とサブマウントとを分け合う。サブマウント上の金属トレース８１は、４つのＬＥＤを直列で電気的に接続する。各１ｍｍ2ＬＥＤは、通常３Ｖで作動するが、図１８に示す４つの直列接続ＬＥＤモジュールは、１２Ｖで作動する。サブマウント設計は、モジュールの有効光源サイズを減少するために六角形である。トレース金属被覆８１は、外部接続のためのワイヤボンディングに使用され、例えばＡｇやＡｌなどの反射金属被覆から成る。
【００５１】
活性領域層を高反射率ｐ電極の近くに置くことにより、光抽出効率を更に高めることができる。活性領域の中心が反射ｐ電極から材料（約λ／４ｎ）内の光の１／４波長のおよそ奇数倍の範囲内にとられる場合、下方及び上方に伝達する光の建設的干渉は、電力を選択的に上方に放出する放射パターンをもたらす。この強化は、ＩＩＩ族窒化物・基板に垂直な方向と近い方向であり、ＩＩＩ族窒化物エピ層内への全内部反射を受けにくい。代わりに、活性領域を少しｐ電極反射器の近くに（又は、遠くに）移動することによる共鳴条件の僅かな非同調化は、全フラックスの全方向における光抽出改善を最適化するのに好ましい可能性がある。ほとんどの適用例において最高の効率を得るためには、活性領域とｐ電極間との距離は、およそ１／４波長であるべきである。
【００５２】
図１９は、ＬＥＤダイ製作の工程フローチャートを示す。段階９１において、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造は成長基板に堆積される。段階９２において、接点がＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造に施され、必要であれば、エッチングが施される。ｐ接点は不透明であり、電気的にｐ型層に接続される一方、ｎ接点は、ｎ型層に電気的に接続される。随意的な段階９３及び９４において、各々、金属間誘電体が、ｎ接点がｐ接点の間に挿入されている領域において少なくともｎ接点に亘って施され、シート反射器が加えられる。段階９５において、随意的な障壁層は、接点と反射器とをはんだから保護するために加えられる。段階９６において、はんだ可能金属が施される。随意的な段階９７において、はんだ可能金属は、パターン化される。段階９８において、誘電体は、はんだ可能区域を形成するために加えられる。段階９９において、該誘電体は、パターン化される。段階９７又は段階９９の後に、ＬＥＤダイをサブマウントに取付ることができる。
【００５３】
図２０は、ＬＥＤをサブマウントへ取り付ける処理のフローチャートを示す。段階１００において、はんだがサブマウントウェーハに施される。段階１０１において、ＬＥＤダイとサブマウントとの間に接合部が形成される。随意的な段階１０２において、アンダフィルがＬＥＤダイとサブマウントとの間に施される。段階１０３において、サブマウントウェーハは分離される。段階１０４において、ダイとサブマウントとは、パッケージに取り付けられる。代わりに、段階１００、１０１、及び、１０２の代わりに段階１０５が完了される。段階１０５において、はんだがＬＥＤに施される。段階１０６において、ＬＥＤダイとサブマウントウェーハとの間に接合部が形成される。随意的な段階１０７において、アンダーフィルがＬＥＤダイとサブマウントとの間に施される。
【符号の説明】
【００５４】
１０  上層基板
１１  ＩＩＩ族窒化物層
２０  ｐ電極金属被覆
２２  ｎ電極
４１  伝導インタフェース
４２  誘電不活性化層
【図１】
0005702711.tif 000009
【図２】
0005702711.tif 000010
【図３】
0005702711.tif 000011
【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１３ｃ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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