(57)【要約】【課題】  本発明は、フリップチップ構造を有する高出力発光ダイオードの熱特性を改良することに関する。【解決手段】  発光デバイスは、第１の導電型の第１半導体層と、活性領域と、第２の導電型の第２半導体層とを含む。第１及び第２のコンタクトは、第１及び第２の半導体層に接続される。幾つかの実施形態において、第１及び第２のコンタクトの少なくとも１つは、３．５ミクロンより大きい厚さを有する。幾つかの実施形態において、第１熱抽出層は、第１及び第２のコンタクトの一方に接続される。幾つかの実施形態において、第１及び第２のコンタクトの一方は、幅よりも大きい長さを有するはんだ相互接続によりサブマウントに接続される。幾つかの実施形態において、アンダーフィルが、サブマウントと第１及び第２の相互接続の一方との間に配置される。【選択図】      図２
2005294284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上にある、光を放出可能な活性領域と、
前記活性領域の上にある第２の導電型の第２半導体層と、
前記第１半導体層に接続された第１コンタクトと、
前記第２半導体層に接続された第２コンタクトと、
を備え、
前記第１コンタクトと前記第２コンタクトの少なくとも１つが、３．５ミクロンより大きい厚さを有することを特徴とする発光デバイス。
【請求項２】
前記第１半導体層、活性領域、及び第２半導体層はIII族窒化物層であり、前記第１及び第２のコンタクトは前記デバイスの同じ側に形成されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第１コンタクトと前記第２コンタクトの少なくとも１つは異なる組成の複数の層を含み、該複数の層の全厚は３．５ミクロンより大きいことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第１コンタクトと前記第２コンタクトの少なくとも１つは１０ミクロンより大きい厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記第１及び第２のコンタクトの両方が３．５ミクロンより大きい厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記第１コンタクトと前記第２コンタクトの少なくとも１つは、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、及びＣｕからなる群から選択される少なくとも１つの金属を含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記第１半導体層の下にある基板を更に備え、該基板はＳｉＣであることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記第１コンタクトと前記第２コンタクトの少なくとも１つは第１熱抽出層を含み、該第１熱抽出層は０．２ミクロンより大きい厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第１熱抽出層は３．５ミクロンより大きい厚さを有することを特徴とする請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第１熱抽出層は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｖ、及び合金からなる群から選択される少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする請求項８に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記第１熱抽出層は、前記第１半導体層と前記第２半導体層の少なくとも１つの面積の約２０パーセントより大きい面積を有することを特徴とする請求項８に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記デバイスは１平方ミリメートル以上の面積を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記デバイスは１平方ミリメートル以下の面積を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記デバイスは、少なくとも１４３Ａ／ｃｍ2の電流密度で動作させた場合に約１０Ｋ／Ｗ−ｍｍ2未満の面積当たりの熱抵抗を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
サブマウントと、
前記サブマウントと前記第１及び第２のコンタクトの一方との間に配置された少なくとも１つのはんだ相互接続とを更に備え、該はんだ相互接続の長さが、該はんだ相互接続の幅より長いことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記はんだ相互接続は、Ｉｎ、Ｓｎ、合金、及びＡｇxＩｎ100-xからなる群から選択される少なくとも１つの材料を含み、ｘはゼロと１００の間にあることを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記第１半導体層、第２半導体層及び活性領域が上に形成された成長基板と、
サブマウントと、
前記サブマウントと前記第１及び第２のコンタクトの一方との間に配置され、前記サブマウントを前記第１及び第２のコンタクトの一方に物理的及び電気的に接続する相互接続と、
前記サブマウントと前記成長基板との間に配置されたアンダーフィルと、
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記アンダーフィルは、ダイヤモンド、窒化ホウ素、及び酸化チタンからなる群から選択されることを特徴とする請求項１７に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記アンダーフィルは約３Ｗ／ｍ−Ｋより大きい熱伝導率を有することを特徴とする請求項１７に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記アンダーフィルは、前記第１半導体層の面積の約７０パーセントより大きい面積を充填することを特徴とする請求項１７に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記第１コンタクトに電気的に接続された第１リード線と、
前記第２コンタクトに電気的に接続された第２リード線と、
前記第１半導体層の前記活性領域に対向する側に配置されたカバーと、
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項２２】
発光デバイスを動作させる方法であって、
第１の導電型の第１半導体層を形成する段階と、
前記第１半導体層の上に活性領域を形成する段階と、
前記活性領域の上に第２の導電型の第２半導体層を形成する段階と、
動作中に前記デバイス内の温度勾配を約３０Ｋ／ｍｍ未満に低減するように、第１コンタクトと第２コンタクトのうちの一方における、面積、厚さ、及び材料の少なくとも１つを選択する段階と、
前記第１半導体層に電気的に接続された前記第１コンタクトを形成する段階と、
前記第２半導体層に電気的に接続された前記第２コンタクトを形成する段階と、
前記デバイスを１４３Ａ／ｃｍ2より大きい電流密度で動作させる段階と、
を含み、
前記デバイス内の最大温度勾配が動作中に３０Ｋ／ｍｍ未満であることを特徴とする方法。
【請求項２３】
対応する出力変化及び面積で除算した温度変化として定義される前記デバイスの面積当たりの熱抵抗が１０Ｋ／Ｗ−ｍｍ2より低くなるよう、第１コンタクトと第２コンタクトの一方における面積、厚さ、及び材料のうちの少なくとも１つを選択する段階を更に含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１コンタクトと前記第２コンタクトの一方に電気的に接続された少なくとも１つの熱抽出層を形成する段階を更に含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
幅よりも長さが長いはんだ相互接続により前記第１コンタクトと前記第２コンタクトの一方をサブマウントに取り付ける段階を更に含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１コンタクトと前記第２コンタクトの一方をサブマウントに取り付ける段階と、該サブマウントと前記第１コンタクトと前記第２コンタクトの一方との間の空間にアンダーフィルを供給する段階とを更に含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
発光デバイスであって、
基板と、
前記基板の上にある第１の導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上にある、光を放出可能な活性領域と、
前記活性領域の上にある第２の導電型の第２半導体層と、
前記第１半導体層に接続された第１コンタクトと、
前記第２半導体層に接続され、熱抽出層を含む複数の層を備えた、３．５ミクロンより大きい厚さを有する第２コンタクトと、
サブマウントと、
前記サブマウントと前記第１及び第２のコンタクトの一方との間に配置され、前記サブマウントを前記第１及び第２のコンタクトの一方に物理的及び電気的に接続し、実質的に矩形の垂直断面を有する相互接続と、
前記サブマウントと前記基板との間に配置されたアンダーフィルと、
を備えるデバイス。
【請求項２８】
前記アンダーフィルは前記相互接続を実質的に取り囲むことを特徴とする請求項２７に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記相互接続は、はんだ棒を備えることを特徴とする請求項２７に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力発光ダイオードに関し、より具体的には、フリップチップアーキテクチャを有する高出力発光ダイオードの熱特性の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（「ＬＥＤ」）は、多くの利点を有する半導体光源である。これらは高輝度の光を確実に提供することができ、従って、とりわけディスプレイ、交通信号灯、及びインジケータで利用されている。重要な部類の発光ダイオードは、ガリウム、インジウム、又はアルミニウムのような１つ又はそれ以上のIII族元素、及びＶ族元素の窒素から製造される。これらの「III族窒化物」ＬＥＤは、スペクトルの緑色、青色、又は紫外線領域の色でさえ発光することができ、従って、多くの用途が見込まれる。発光ダイオードの製造に好適な他の材料系には、III族リン化物、III族ヒ化物及びII−VI族材料系が含まれる。
【０００３】
ＬＥＤは、基板上にｎ型領域、活性領域、及びｐ型領域をエピタキシャルに堆積させることにより製造されることが多い。一般的に金属のコンタクトが、ｎ型領域及びｐ型領域上に形成される。動作中、該コンタクトがデバイスのｎ側及びｐ側に電流を供給する。幾つかの形式のデバイス、例えばIII族ヒ化物デバイスにおいては、成長基板は成長後除去されることが多く、ｎコンタクトは露出したｎ型領域上に堆積され、ｐコンタクトはｐ型領域上に堆積される。他の型のデバイスにおいては、活性領域及びｐ型領域の一部がエッチング除去され、ｎ型領域の一部を露出させる。ｐコンタクトはｐ型領域の残った部分の上に形成され、ｎコンタクトはｎ型領域の露出した部分の上に形成され、両方のコンタクトがデバイスの同じ側に形成されるようにする。このようなデバイスにおいては、光は、コンタクトを通じて又はデバイスのコンタクトのない側を通じて抽出することができる。デバイスに十分な電流を供給するように一般的に金属のコンタクトは十分に厚くなければならず、本質的に不透明であるため、コンタクトを通じて光を抽出するデバイスは一般的に好まれない。デバイスのコンタクトのない側を通じて光を抽出するデバイスは、フリップチップと呼ばれる。III族窒化物デバイスはサファイア基板上に成長されることが多く、フリップチップ構造のデバイスに含まれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的に、デバイスに供給される電流の量が増加するにつれて、より多くの電子及び多くの正孔が活性領域に供給され、結果として多くの光子が放出される。しかしながら、III族窒化物デバイスにおいては、電流密度が増大するにつれて効率が次第に低下し、その後サファイア基板又はデバイスの各層の亀裂といった故障メカニズムが観察される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の各実施形態によれば、発光デバイスは、第１の導電型の第１半導体層と、活性領域と、第２の導電型の第２半導体層とを含む。第１及び第２のコンタクトは、第１及び第２の半導体層に接続される。幾つかの実施形態において、第１及び第２のコンタクトのうちの少なくとも１つは、３．５ミクロンより大きい厚さを有する。幾つかの実施形態において、第１熱抽出層は、第１及び第２のコンタクトの一方に接続される。幾つかの実施形態において、第１及び第２のコンタクトの一方は、幅よりも大きい長さを有するはんだ相互接続によりサブマウントに接続される。幾つかの実施形態において、アンダーフィルが、サブマウントと成長基板との間に配置される。
【０００６】
第１及び第２のコンタクト、熱抽出層、はんだ相互接続、並びにアンダーフィルに用いられる、厚さ、面積、及び材料は、デバイス内の平均温度及び温度勾配を低減するように選択することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１に、本発明の実施形態によるIII族窒化物フリップチップ型発光デバイスを示す。図１に示すフリップチップ設計の態様は、「ＩＩＩ−Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｗｉｔｈ  Ｉｎｃｒｅａｓｅｄ  Ｌｉｇｈｔ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ  Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ」と題して２００２年１１月２６日に発行された米国特許第６，４８６，４９９号で詳細に説明されており、該特許は引用によりその全体が本明細書に組み込まれる。フリップチップ１０において、ダイ４５を製造し、次に、これを反転させてサブマウント６２上に実装し、成長基板１４を通じて光がデバイスから抽出されるようにする。フリップチップ型発光ダイオード１０の製造は、ダイ４５から開始する。ダイ４５は、最初に分子線エピタキシャル成長法、有機金属化学蒸着法、又は他のいずれかの好適なエピタキシャル技術を用いて半導体材料を基板上にエピタキシャルに堆積させることにより製造される。次いで、該半導体材料上に金属を堆積させてパターン形成し、コンタクトを形成する。次に、相互接続材料を用いてサブマウント６２をダイ４５に接続する。
【０００８】
基板１４は、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＰ、又はＧａＡｓといった、選択された波長の光に対する高い屈折率及び透過性、並びに好適な結晶成長特性を有するように選定される。基板１４上に、第１半導体領域１８、活性領域２１、及び第２半導体領域２５が堆積される。第１半導体領域１８、活性領域２１、及び第２半導体領域２５内には、III族元素（例えばガリウム）、及びＶ族元素（例えば窒素）が実質的に同時に堆積される。バンド構造を作るために、これらの半導体層中にアルミニウム及びインジウムが添加される。第１半導体領域１８は、シリコンのようなｎ型ドーパントでｎ型にドープすることができ、第２半導体領域２５は、ｐ型ドーパント、例えばマグネシウムでｐ型にドープすることができる。領域１８及び領域２５の各々は、同一又は異なる組成、厚さ、及びドーパント濃度の多層を含むことができる。
【０００９】
活性領域２１は一般に、電子と正孔の放射再結合によって光を生成することができる多重量子井戸（ＭＱＷ）を含む。活性領域２１の量子井戸は、電子と正孔の空間的閉じ込めを形成するように設計されており、これによりＬＥＤの効率が向上する。
【００１０】
第１コンタクト２９は、第２半導体領域２５の上に重ねて形成される。第１コンタクト２９の機能は、第２半導体層２５に電気コンタクトを提供することを含む。第１コンタクト２９は、金属、合金及び金属酸化物を用いて形成することができる。第１コンタクト２９は、種々の厚さ及び配置の幾つかの層を含むことができる。第１はんだ付け可能層３０が堆積されてパターン形成され、はんだ５８−１−ｉとコンタクトを形成する。誘電体（スピンオンガラス、ＳＯＧのような）３３が、第１はんだ付け可能層３０の上に部分的に堆積される。誘電体３３は、電気コンタクトを収容する幾つかの開口部を有して形成される。誘電体３３の機能には、第１コンタクト２９に対する電気絶縁性を与えること、及びはんだボールを適所に保持することが含まれる。誘電体３３の厚さは、約０．０３ミクロンと約３ミクロンの間とすることができる。
【００１１】
第２コンタクト３７は、第１コンタクト２９、第２半導体層２５、及び活性領域２１の一部をエッチング除去することにより形成される。次いで、第２コンタクト３７が、第１半導体領域１８から除去された部分の上に直接形成される。第２コンタクト３７の機能は、第１半導体領域１８に対して電気コンタクトを提供することを含む。第２コンタクト３７は、金属、合金、及び金属酸化物を用いて形成することができる。第２はんだ付け可能層３１は、コンタクト３７上に堆積されてパターン形成される。第２はんだ付け可能層は、はんだボール５８−２との接触層として利用される。誘電体４１は、第２はんだ付け可能層３１の上に部分的に堆積される。誘電体４１は、電気コンタクトを収容するための開口部を有する。誘電体４１の機能は、第２コンタクト３７に対して電気絶縁性を提供することを含む。誘電体４１の厚さは、約０．０３ミクロンと約３ミクロンの間とすることができる。誘電体３３及び誘電体４１は、同一の誘電体層とすることができる。
【００１２】
図１に示すように、サブマウント構造６２は、ＳｉＯ2層７０と、Ｓｉ層６６と、はんだ付け可能層７９とを含む。ボンディングパッド７４−１及び７４−２は、それぞれ第１コンタクト２９及び第２コンタクト３７に対応する半導体酸化物層７０の上に堆積される。ボンディングパッド７４−１及び７４−２は、例えばアルミニウム又は銀で形成することができる。絶縁層８２−１及び８２−２は、はんだボールを収容するための開口部を有してボンディングパッド７４−１及び７４−２の上に形成される。絶縁層８２−１及び８２−２は、例えばシリコンと窒素の合金で形成することができる。機能性の向上を可能にするために、回路又は他の追加の特徴をサブマウント６２内に含めるか又はサブマウント６２に取り付けることができる。例えば、ツェナーダイオードを含めて静電放電（ＥＳＤ）から保護することができる。
【００１３】
ダイ４５は、はんだボール５８−１−ｉ及び５８−２を用いてサブマウント６２に電気的及び物理的に接続される。はんだボール５８−２は、はんだ付け可能層３１を通じて第２コンタクト３７への電気コンタクトを提供し、はんだボール５８−１−ｉは、はんだ付け可能層３０を通じて第１コンタクト２９への電気コンタクトを提供する。はんだボール５８−１−ｉ及びはんだボール５８−２の材料に好適な選択は、例えばＰｂＳｎ合金である。図１にはコンタクト２９をサブマウントに接続している４個のはんだボールと、コンタクト３７をサブマウントに接続している１個のはんだボールが示されているが、コンタクト２９と共により多くの又はより少ないはんだボールを用いてもよく、コンタクト３７と共により多くのはんだボールを用いてもよい。はんだボール５８−１−ｉ及びはんだボール５８−２は、ダイ４５の誘電体層３３及び４１の開口部内、並びにサブマウント構造６２の絶縁層８２−１及び８２−２の開口部内にはんだ付けされる。
【００１４】
図１に示すデバイスは一般に、約１平方ミリメートルの面積を有し、従来の方法によって５０Ａ／ｃｍ2に相当する３５０ｍＡよりも小さい電流で動作する。５０Ａ／ｃｍ2よりも小さい電流密度では、図１に示す構造は、許容できる長さの動作寿命を示す。デバイス１を１４３Ａ／ｃｍ2の電流密度に相当する１Ａ〜３Ａの電流で動作させると、５０Ａ／ｃｍ2未満での動作よりも多くの光を生成することが期待されるので望ましいが、１４３Ａ／ｃｍ2よりも大きい電流密度では、図１に示すデバイスは、不適切な短時間で故障する。
【００１５】
発明者らは、図１に示すデバイス内部に予想外の大きな温度及び温度勾配が存在し、これにより５０Ａ／ｃｍ2を上回る電流密度でこれまで説明されていなかった故障を引き起こすことを発見した。
【００１６】
ＬＥＤ１０に電圧バイアス又は電流が印加されると、ｎ型にドープされた領域から電子が、及びｐ型にドープされた領域から正孔が活性領域に導入され、そこでこれらが再結合する。放射再結合は光を生成する。デバイス内の半導体層の結晶構造の欠陥は、熱を発生する電子と正孔の非発光性の再結合を生じる可能性がある。また熱は、図１のデバイス内のコンタクト及び半導体層を流れる電流フローによっても生成される。電流フロー及び非発光性再結合により発生した熱は、ダイの平均温度を上昇させる。このダイ内の平均温度の上昇は、活性領域内のキャリア閉じ込めの低下につながり、再結合速度、従ってＬＥＤの効率を低下させ、コンタクト２９及び３７内の材料又は半導体層内の材料がデバイスの他の部分に拡散する原因となり、デバイスの故障を生じる可能性がある。
【００１７】
更に、ダイ４５の面積に対するはんだボール５８−１−ｉ及びはんだボール５８−２の面積の比率が小さいと、極度に大きな温度勾配を生じる。大きな温度勾配は、基板及び半導体層内に機械的歪みを生じる可能性があり、ダイの亀裂につながる恐れがある。
【００１８】
例えば、デバイス１０のモデルは、３．７Ｖの順電圧により約５０Ａ／ｃｍ2の電流密度でデバイス１０を動作させると、８０Ｋ／ｍｍの温度勾配を生じる可能性があることを示した。３．７Ｖの順電圧で約１４３Ａ／ｃｍ2の電流密度にてデバイス１０を動作させると、５０Ａ／ｃｍ2における勾配よりはるかに高い約２００Ｋ／ｍｍの温度勾配を生じる可能性がある。
【００１９】
本発明の各実施形態によれば、デバイスの外に熱を伝導する構造及び材料をデバイスに添加することにより、温度及び温度勾配がデバイス内で減少する。種々の実施形態において、熱デバイス内の金属及び基板層の放散が最大となるように設計すること、熱の放散を最大にするために金属層をデバイスに追加すること、相互接触層を熱の放散が最大となるように設計すること、及びデバイス内のエアギャップを熱を放散する材料で充填することにより、デバイス内の温度及び熱勾配を低減することができる。特に良好な熱勾配の低減は、熱がダイを通って垂直に伝わる際、熱が横方向ではんだに伝わるのに十分な距離を可能にする厚い熱伝導層を形成することにより達成することができる。本発明の各実施形態は、大型の接合デバイス、すなわち１平方ミリメートルより大きい面積を有するデバイス、又は小型接合デバイス、すなわち１平方ミリメートル未満の面積を有するデバイスで用いることができる。
【００２０】
本発明の各実施形態によれば、上述の１つ又はそれ以上の技術により、対応する出力変化及び面積で除算した温度変化として定義される、デバイスの面積当たりの熱抵抗は、１０Ｋ／Ｗ−ｍｍ2未満に低減される。幾つかの実施形態において、温度勾配は３０Ｋ／ｍｍ未満に低減される。
【００２１】
幾つかの実施形態において、図１のダイ４５の熱抵抗は、第１コンタクト２９と第２コンタクト３７を形成する厚さ、面積、及び材料を、熱放散が最大となるように選択することにより低減することができる。第１コンタクト２９及び第２コンタクト３７は、均一な組成の単一の層であってもよく、或いは同じ又は異なる組成の多層を含んでもよい。例えば、第１コンタクト２９及び第２コンタクト３７は、抵抗層、反射層、ガード層、及び熱抽出層を含むことができる。第１コンタクト２９及び第２コンタクト３７の厚さを約０．２ミクロンから約１０ミクロンに厚くすると、デバイス内の温度及び温度勾配を下げることができる。図４Ａは、０．２ミクロン厚のコンタクト２９及び３７を有するデバイスの半導体層１８内の温度等高線を示し、図６は、１０ミクロン厚のコンタクト２９及び３７を有するデバイスの半導体層１８内の温度等高線を示す。図４Ａ及び図６に示すように、半導体層１８内に予測される最高温度は、０．２ミクロン厚コンタクトを有するデバイスにおいては３７０Ｋであり、１０ミクロン厚コンタクトを有するデバイスにおいてはわずか３４０Ｋである。従って、コンタクトの厚さを増大させると、デバイスが３．７Ｗの熱を発生している場合、第１半導体層１８の周囲環境からの最大温度上昇は約７０Ｋから約４０Ｋに低下する。第１コンタクト２９及び第２コンタクト３７の厚さを増大させると、所定位置における温度勾配も低減させることができる。はんだボールのすぐ近くに隣接する領域の温度勾配は、０．２ミクロン厚コンタクトを有するデバイスについては約４０Ｋであり、１０ミクロン厚コンタクトを有するデバイスについてはわずか約２０Ｋである。幾つかの実施形態において、第１コンタクト２９と第２コンタクト３７のうちの少なくとも１つの厚さは、３．５ミクロンより大きい。
【００２２】
デバイスにより放散される熱の量は、コンタクト２９及び３７の面積を増大させることにより、又は第１及び第２のコンタクト層２９及び３７内に高い熱伝導率を有する金属を用いることにより更に低減することができる。金属の好都合な選択には、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、及びＣｕが含まれる。
【００２３】
幾つかの実施形態において、基板１４用に用いられる材料は、熱を放散させるために高い熱伝導率を有するように選択される。好適な成長特性及び高熱伝導率を有する基板の一実施例は、炭化ケイ素である。
【００２４】
図２は、両コンタクトのうちの少なくとも１つが熱抽出層を含む本発明の実施形態を示す。図１に示すものと同様のデバイスにおいて、第１熱抽出層８６は、はんだ付け可能層３０に隣接する第１コンタクト２９の一部として形成され、第２熱抽出層９０は、はんだ付け可能層３１に隣接する第２コンタクト３７の一部として形成される。第１及び第２の熱抽出層８６及び９０の厚さ、面積、及び材料は、デバイス内に発生した熱を分散するように選択され、領域１８、２１、及び２５内の温度及び温度勾配を低減し、デバイス内から熱を回収するヒートシンクとして機能するようにする。第１及び第２の熱抽出層８６及び９０は、Ａｌ（熱伝導率約２４０Ｗ／ｍ−Ｋ）、Ｃｕ（熱伝導率約３９０Ｗ／ｍ−Ｋ）、又はＡｕ（約３１０Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率）といった高熱伝導率の金属、Ｎｉ、Ｖ、或いは複数の金属の積層とすることができる。一般に、第１及び第２の熱抽出層８６及び９０の面積及び厚さが増大するほど熱抽出特性が向上する。約０．２ミクロンより大きな厚さを有する熱抽出層は、好ましい熱特性をもたらすことができる。幾つかの実施形態において、第１及び第２の熱抽出層は、３．５ミクロン或いはそれよりも大きな厚さを有する。幾つかの実施形態において、所定位置における好都合な熱抵抗及び熱勾配の減少は、第１及び第２の熱抽出層８６及び９０の面積が第１半導体層１８の面積の約２０％よりも大きい場合に達成することができる。
【００２５】
第１及び第２の熱抽出層８６及び９０は良好な熱伝導体であるため、図２に示すデバイスはダイ４５から熱を奪って伝導し、これによりダイ４５の熱抵抗が低減される。例えば、熱抽出層８６及び９０が１０ミクロンのＡｌである図２によるデバイスにおいて、ダイ４５の周囲温度（２９８Ｋ）からの平均温度上昇は、熱抽出層８６及び９０の無い、図１によるデバイスにおけるダイ４５の平均温度上昇と比較して約３８％低減される。ダイ４５内で発生する熱が３．７Ｗである場合、第１及び第２の熱抽出層８６及び９０の無い、図１によるデバイス内の第１半導体層１８の周囲環境からの平均温度上昇は、約６５Ｋとなる可能性がある。対照的に、上の組成及び厚さの第１及び第２の熱抽出層８６及び９０を備えた図２によるデバイスにおいては、第１半導体層１８の平均温度上昇は、約４０Ｋとすることができる。
【００２６】
更に、ダイ４５の温度への周囲環境からの温度上昇が最も低いのは、一般に第２コンタクト３７の上方の領域においてであり、これは主に、活性層２１がエッチング除去されており、従って第２コンタクト３７の上方の領域では熱を生成する再結合が発生しないことによる。この最も低い温度上昇は、図１（０．２ミクロンのコンタクトを有する）と図２のアーキテクチャにおいてほぼ同じである。しかしながら、最高温度は図２の実施形態における方が低く、これは平均温度を低下させる。最低温度が同じままであるため、所定位置における温度変化、従って温度勾配は、図２の実施形態における方がより小さい。一般に、３０Ｋ／ｍｍを下回る温度勾配が好ましいと考えられる。
【００２７】
図３Ａ〜図３Ｄは、図１のはんだボール５８−１−ｉ及びはんだボール５８−２をはんだ棒９４−ｊに置き換え、ダイ４５とサブマウント６２との間の相互接続面積を大きくしてより多くの熱を放散させるようにした、本発明の実施形態を示す。図３Ａは、本実施形態の側面図を示し、図３Ｂは、本実施形態の平面図である。該デバイスのはんだ棒は、図３Ｂに示すより多く有しても少なく有してもよい。図３Ｃは、はんだ棒が接続されて１つの細長いはんだ棒８６が形成された別の実施形態の平面図である。相互接続領域の拡大は、ダイ４５内の所定位置における温度勾配、並びに平均温度を低下させる。図３Ｄに示す実施形態において、図３Ａ〜図３Ｃのはんだ棒は、図２の熱抽出層８６及び９０と組み合わせて用いられる。
【００２８】
幾つかの実施形態において、はんだ棒に用いられるはんだは、はんだを通じた熱抽出を最大にするために高熱伝導率であるように選択される。必要な機械的特性及び化学的特性を有し、高熱伝導率を有する材料には、例えば、Ｉｎ、Ｓｎ、及びＰｂxＳｎ100-XとＡｇxＩｎ100-xの合金が含まれ、ここでｘはゼロと百の間の範囲とすることができ、約３であるのが好ましい。
【００２９】
図４Ａ及び図４Ｂは、デバイスのはんだボールを有する部分及びはんだ棒を有する部分の温度勾配をそれぞれ示す。図４Ａに示すように、はんだボールは、限定された面積においてのみダイ４５と接触を形成する。これらの領域の形状は通常、略円形である。図４Ａはまた、デバイスが約３００Ｋのヒートシンクに接続され、１Ａで作動して３．７Ｗの熱を発生しているときのダイ４５の第１半導体層１８内の温度変化を示す。３２０Ｋ、３４０Ｋ、３５０Ｋ、及び３７０Ｋに対応する温度等高線が識別される。図に示すように、第１半導体層１８の温度は、約３２０Ｋと約３７０Ｋとの間で変化する可能性がある。実際には、ダイ領域の大部分が３７０Ｋ近傍の温度を有する。図４Ａから明らかなように、半導体層１８内の温度は、はんだとの接触域の近傍において最も低い。図４Ａに示すデバイス内の温度勾配は、はんだボール５８−１−ｉとはんだボール５８−２の接触域周辺において急勾配である。これらの急な温度勾配は、増大した機械的歪み及び好ましくない化学組成変化に起因する亀裂といった故障メカニズムを生じる可能性がある。
【００３０】
図４Ｂに示すデバイスの構造及び動作状態は、図４Ａのはんだボールが図４Ｂにおけるはんだ棒に置き換えられていることを除いて、図４Ａに示すデバイスと同じである。図に示すように、はんだ棒アーキテクチャのより大きい接触域は、図４Ｂのデバイス内の半導体層１８の温度を約３２０Ｋと約３５０Ｋの間まで低下させ、これは平均温度を約３０パーセント低下させ、すなわち平均温度上昇を約３０パーセント低下させる。更に、ダイ４５全体にわたって温度変化がより小さくなり、及びこれらの変化が分布する面積がより大きくなるために温度勾配が低減される。
【００３１】
図５は、ダイ４５とサブマウント６２との間の領域の充填されていない部分を高熱伝導率のアンダーフィル材料で充填する本発明の実施形態を示す。アンダーフィル材料は、例えば、ゲル、或いはペースト、発泡体、又は好適な熱伝導体粉末のような他のいずれかの展性材料とすることができる。アンダーフィル９８は、はんだボール５８−１−ｉ及びはんだボール５８−２、又ははんだ棒９４−ｊの周りの充填されていない空間に導入することができる。幾つかの実施形態においては、充填されていない空間は部分的に充填され、他の実施形態においては、充填されていない空間は、アンダーフィル９８で完全に充填される。アンダーフィル９８を用いることにより、熱抵抗の低減、従ってダイ４５の平均温度の低下をもたらすことができる。
【００３２】
アンダーフィル９８は、十分な熱伝導率と同時に、好ましくない電気伝導を回避するのに十分な低さの導電率を有する必要がある。アンダーフィルは通常、約３Ｗ／ｍ−Ｋより大きな熱伝導率を有する。幾つかの実施形態において、アンダーフィルは、約１０Ｗ／ｍ−Ｋより大きな熱伝導率を有する。この目的に好適な材料には、ダイヤモンド粉末、窒化ホウ素、ＴｉＯ2ペースト、及び特定のゲルが含まれる。本実施形態の別の利点は、アンダーフィル９８が、例えば望ましくない電気経路を生じる可能性のある、フリップチップの充填されていない空間への好ましくない汚染物質の侵入を防止することである。
【００３３】
最終的に、高熱伝導率を有する金属で作られた「スラグ」としても知られるヒートシンクにデバイスを結合すると、所定位置における熱抵抗及び温度勾配が更に低減される。高熱伝導率を有する金属には、Ｃｕ及びＡｌが含まれる。
【００３４】
図７に、高出力パッケージのフリップチップＬＥＤのある実施形態を示す。例えば、１ｍｍ2又はそれ以上の面積を有するデバイスが高出力パッケージ内に実装されている。該高出力パッケージは、低熱抵抗材料で形成されたヒートシンク２０４を含む。ヒートシンク２０４はまた、ＬＥＤ１０から放出された光をパッケージの基部に向けて反射する反射カップとしての機能を果たす。ヒートシンク２０４の更なる機能は、実装されたＬＥＤ部品の熱膨張の影響に対応してこれを補償することである。ＬＥＤ１０は、はんだ又はダイアタッチエポキシを用いてヒートシンク２０４に取り付けられる。ＬＥＤ１０は、はんだボール又ははんだ棒によりインナーリード２０８に電気的に結合される。インナーリード２０８は、アウターリード２１６に電気的に結合される。インナーリード２０８及びアウターリード２１６は、適切に選択された金属で形成される。フリップチップＬＥＤ１０は、エポキシ樹脂のドーム形カバー２２０を含む透明ハウジング内に封入される。カバー２２０は、光抽出性を高めるためにレンズであってもよい。光抽出機能を高めるために、高屈折率を有するソフトゲル２２４が、フリップチップＬＥＤ１０とエポキシ樹脂のドーム形カバー２２０との間に配置される。実装されたフリップチップＬＥＤは、支持フレーム２２８により構造的に支持される。
【００３５】
本発明を詳細に説明してきたが、本発明の開示を鑑みると、当業者であれば本明細書に説明された本発明の概念の精神から逸脱することなく本発明に修正を施すことができることが分かるであろう。例えば、本明細書中の全ての実施例を通じてｎ型層が基板に最も近接したデバイスを示しているが、本発明の実施形態によるデバイスは、ｐ型層を基板に最も近接させて作製してもよい。従って、本発明の範囲は、例示して説明した特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】フリップチップ型発光ダイオードを示す図である。
【図２】改良された熱抽出を提供する追加の層を有する発光ダイオードを示す図である。
【図３Ａ】はんだ棒を利用した実施形態を示す図である。
【図３Ｂ】はんだ棒を利用した実施形態を示す図である。
【図３Ｃ】はんだ棒を利用した実施形態を示す図である。
【図３Ｄ】はんだ棒を利用した実施形態を示す図である。
【図４Ａ】はんだボール及びはんだ棒によりサブマウントに接続されたデバイスの温度等高線を示す図である。
【図４Ｂ】はんだボール及びはんだ棒によりサブマウントに接続されたデバイスの温度等高線を示す図である。
【図５】アンダーフィルを含む実施形態を示す図である。
【図６】平均温度及び温度勾配が低減された実施形態を示す図である。
【図７】高出力パッケージ内のフリップチップを示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  フリップチップ
１４  成長基板
１８  第１半導体層
２１  活性領域
２５  第２半導体層
２９  第１コンタクト
３０  第１はんだ付け可能層
３１  第２はんだ付け可能層
３３  誘電体
３７  第２コンタクト
４１  誘電体
４５  ダイ
５８−１−ｉ  はんだボール
５８−２  はんだボール
６２  サブマウント
６６  Ｓｉ層
７０  ＳｉＯ2層
７４−１  ボンディングパッド
７４−２  ボンディングパッド
７９  はんだ付け可能層
８２−１  絶縁層
８２−２  絶縁層
８６  第１熱抽出層
９０  第２熱抽出層
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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