(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板上に積層した半導体薄膜層の一方の面に一対の電極を形成した半導体発光素子と、
２つの電極を有し、この２つの電極に前記一対の電極がそれぞれ導通する状態に前記半導体発光素子を接合するサブマウント素子とを、第１、第２の大型バンプで接合する複合発光素子の製造方法において、
前記半導体発光素子と前記サブマウント素子とを、スタッドバンプボンディングで形成した第１、第２の小型バンプで接合する工程と、
前記半導体発光素子と前記サブマウント素子の接合に用いた前記第１、第２の小型バンプの周囲に金メッキを施して前記半導体発光素子の平断面積の３０％以上に平断面積を拡大した第１、第２の大型バンプを形成する工程とを有することを特徴とする複合発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリップチップ型の複合発光素子にかかり、特に半導体発光素子からサブマウント素子への放熱特性を向上させた複合発光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、サブマウント素子上にバンプを介してフリップチップ型の半導体発光素子を接合した複合発光素子が多く使用されている。
【０００３】
図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、この複合発光素子７０は、シリコンデバイスであるツェナーダイオード素子７１上にＧａＮ系ＬＥＤ素子７２をＡｕバンプ７３，７４で接合した構造、すなわちフリップチップ実装した構造である。ツェナーダイオード素子７１の下面にはＡｕ電極７５が設けられ、上面にはＡｌ電極７６ａ，７６ｂが設けられている。また、白色ＬＥＤとして使用するために、青色発光のＧａＮ系ＬＥＤをＹＡＧ系蛍光体７７で覆う構造にしている。
【０００４】
ＧａＮ系ＬＥＤを単独で使用する場合に比べると、Ａｕバンプで接合することによりＬＥＤ素子の静電保護を行うことができ、また、サファイア基板側から光を取り出すことによる輝度が向上するという作用効果があった。
【０００５】
複合発光素子７０に流す電流は、現状ではＩF＝２０ｍＡ程度であるが、近年では、これをＩF＝１００ｍＡ程度まで増加させて複合発光素子の輝度を増加させることが考えられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、複合発光素子７０は、放熱性に問題があり、電流をある程度以上増やしても輝度が増加せずに、逆に下がる場合もあった。
【０００７】
すなわち、ＬＥＤ素子で発生する熱の流れやすさは、熱伝導率（ｋ）と面積（Ｓ）の積（ｋＳ）で評価できる。例えば、ＧａＮ系ＬＥＤを単独で使用し、リードフレームに接続した場合には、サファイア基板の熱伝導率ｋ＝４２Ｗ／ｍ／Ｋに、サファイア基板の面積Ｓ＝０．３２ｍｍ×０．３２ｍｍを乗じると、ｋＳ＝４．３×１０-6Ｗ・ｍ／Ｋとなる。
【０００８】
フリップチップ型の複合発光素子をリードフレームに接続した場合には、ツェナーダイオードからリードフレームへの熱の移動と、ＧａＮ系ＬＥＤ素子からツェナーダイオードへの熱の移動を考慮する必要がある。
【０００９】
ツェナーダイオードのｋＳ値は、ｋＳ＝４．４２×１０-5Ｗ・ｍ／Ｋとなり、ＧａＮ系ＬＥＤからリードフレームへの熱の流れより、熱の流れは１０倍以上流れやすいと考えられる。
【００１０】
一方、ＡｕバンプのｋＳ値を考えると、Ａｕバンプの熱伝導率ｋ＝３１９Ｗ／ｍ／Ｋに、Ａｕバンプ２つ分の面積０．０５ｍｍ×０．０５ｍｍ×π×２を乗じると、ｋＳ＝５．０１×１０-6Ｗ・ｍ／Ｋとなり、これはＧａＮ系ＬＥＤを単独で使用する場合に比べて少しだけ大きいだけである。
【００１１】
また、ＩF＝２０ｍＡのときにＧａＮ系ＬＥＤから発生する熱量に比べて、ＩF＝１００ｍＡのときの熱量は、消費電力Ｉ×Ｖに比例するとして、６．８倍に増加する。これは、ＧａＮ系ＬＥＤのＶF値がＩF＝２０ｍＡのときＶF＝３．５Ｖであるのに対し、ＩF＝１００ｍＡではＶF＝４．８Ｖに増加するからである。したがって従来の複合発光素子は、ＩF＝２０ｍＡのときは十分信頼性が確保できるだけの放熱特性を持つが、それ以上の電流に対しては、十分な放熱特性を持つことができない。そのネックとなっているのが、複合発光素子の場合、Ａｕバンプの平断面積が小さいことである。従来の複合発光素子のＡｕバンプの平断面積の合計は、半導体発光素子の平断面積の１５％程度である。
【００１２】
したがって、フリップチップ型の複合発光素子は、Ａｕバンプを通過する熱の流れがＩF＝２０ｍＡ以上のときには不十分であるため、ＧａＮ系ＬＥＤの発熱を十分に放熱できずに大電流を流したときの信頼性の確保が困難になるという問題がある。
【００１３】
そこで本発明は、放熱性を向上させたフリップチップ型の複合発光素子を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の複合発光素子においては、第１、第２の大型バンプの平断面積の合計を、半導体発光素子の平断面積の３０％以上としたものである。
【００１５】
この発明によれば、放熱性を向上させたフリップチップ型の複合発光素子が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本願第１の発明は、透明基板上に積層した半導体薄膜層の一方の面に一対の電極を形成した半導体発光素子と、２つの電極を有し、この２つの電極に前記一対の電極がそれぞれ導通する状態に前記半導体発光素子を接合するサブマウント素子と、前記半導体発光素子と前記サブマウント素子とを接合した第１、第２の大型バンプとを有し、
前記第１、第２の大型バンプは、金からなるスタッドバンプとその周囲に施した金メッキからなり、かつ前記第１、第２の大型バンプの平断面積の合計を、前記半導体発光素子の平断面積の３０％以上としたことを特徴とする複合発光素子としたものであり、半導体発光素子で発生した熱量が第１、第２の大型バンプにより効率よく放熱されるので、増加させた電流量に応じた輝度を得ることができるという作用を有する。
【００１７】
本願第２の発明は、透明基板上に積層した半導体薄膜層の一方の面に一対の電極を形成した半導体発光素子と、２つの電極を有し、この２つの電極に前記一対の電極がそれぞれ導通する状態に前記半導体発光素子を接合するサブマウント素子とを、第１、第２の大型バンプで接合する複合発光素子の製造方法において、前記半導体発光素子と前記サブマウント素子とを、スタッドバンプボンディングで形成した第１、第２の小型バンプで接合する工程と、前記半導体発光素子と前記サブマウント素子の接合に用いた前記第１、第２の小型バンプの周囲に金メッキを施して前記半導体発光素子の平断面積の３０％以上に平断面積を拡大した第１、第２の大型バンプを形成する工程とを有することを特徴とする複合発光素子の製造方法であり、従来使用されていた第１、第２の小型バンプを用いて半導体発光素子とサブマウント素子とを接合した後に第１、第２の小型バンプの平断面積を大きくできるので、工程の変更を少なくして、製造を容易に行うことができる。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図１、図２を用いて説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１（Ａ）は本発明の第１の実施の形態にかかる複合発光素子の平面図、（Ｂ）は同複合発光素子の正断面図を示す。図１において複合発光素子１は、半導体発光素子２と、サブマウント素子３と、半導体発光素子２及びサブマウント素子３を接合する第１、第２の大型バンプ４，５を有している。
【００２１】
サブマウント素子３は、ｎ型シリコン基板を素材としたもので、一部からｐ型不純物イオンを注入して拡散させて、ｐ型半導体領域を部分的に形成しツェナーダイオードとしたものである。ｎ型半導体領域に相当する部分にｎ側電極を、ｐ型半導体領域に相当する部分にｐ側電極をそれぞれ形成している。
【００２２】
半導体発光素子２は従来例と同様にＧａＮ系化合物半導体を用いた青色発光のフリップチップ型のものであって、サファイアの基板にｐ型層及びｎ型層を積層するとともに、これらの層の表面にｐ側電極及びｎ側電極を蒸着法によって形成したものである。
【００２３】
サブマウント素子３上に設けられ、半導体発光素子２をサブマウント素子３上に搭載接合させる第１、第２の大型バンプ４，５の平断面積の合計は、半導体発光素子２の平断面積の３０％以上にしている。なお、第１、第２の大型バンプ４，５は、両者が接触しない距離まで近接させて設けることができる。
【００２４】
第１、第２の大型バンプ４，５の平断面積の合計を半導体発光素子２の平断面積の３０％以上にすることにより、半導体発光素子２に流す電流を例えばＩF＝４０ｍＡ以上にして使用でき、輝度を１．５倍以上に増加させることができる。第１、第２の大型バンプ４，５の平断面積の合計が半導体発光素子２の平断面積の３０％未満では、放熱効果がまだ不十分で輝度の増加が１．５倍に達しない場合もあり好ましくない。
【００２５】
なお、第１、第２の大型バンプの平断面積の合計を６３％以上に設定してＩF＝８０ｍＡの電流を流すこともでき、さらに半導体発光素子のチップサイズを現行の０．３２ｍｍ角から０．３４ｍｍ角に大きくし、平断面積の合計を６８％以上に設定してＩF＝１００ｍＡの電流を流すことも可能である。
【００２６】
サブマウント素子３がツェナーダイオードの場合、半導体発光素子２とツェナーダイオードとを逆極性に接続することによって静電気保護の機能を付加することができる。
【００２７】
すなわち、このような逆極性の接続によって、サブマウント素子３に高電圧による過電流が印加されたときには、半導体発光素子２に印加される逆方向電圧はサブマウント素子３の順方向電圧付近すなわち０．９Ｖでバイパスが開く。また、半導体発光素子２に印加される順方向電圧はサブマウント素子３のツェナー電圧Ｖｚを１０Ｖ付近に設定することにより、その電圧でバイパスが開き、それぞれ過電流が逃がされる。したがって、静電気による半導体発光素子２の破壊を確実に防ぐことができる。
【００２８】
次に、複合発光素子の製造方法について説明する。
【００２９】
図２は、複合発光素子の製造手順を示す説明図である。
【００３０】
（ＳＴＢ（スタッドバンプボンディング）工程）
切断される前の複数個連結されたサブマウント素子３のそれぞれ２つの電極にＡｕからなる第１、第２の小型バンプ６，７をボンディングする。
【００３１】
（ＦＣＢ（フリップチップボンディング）工程）
各サブマウント素子３の第１、第２の小型バンプ６，７上に半導体発光素子２をボンディングして接合する。このとき、サブマウント素子と半導体発光素子２の間隔は１０μｍ以上、好ましくは１５μｍ以上になるように条件設定する。その理由は、次のＡｕメッキ工程でＡｕバンプの周囲にＡｕメッキ液が回り込みやすくするためである。
【００３２】
（Ａｕメッキ工程）
連結されたサブマウント素子３の所定箇所にマスキングを施し、その後メッキ槽８内で電流を流して電解メッキ作業を行い、第１、第２の小型バンプ６，７に金メッキを施し、半導体発光素子２の平断面積の３０％以上に平断面積を拡大した第１、第２の大型バンプ４，５をそれぞれ形成する。なお、第１、第２の大型バンプ４，５の平断面積を等しくする必要はなく、電極の電位の差によって第１、第２の小型バンプ６，７の一方だけに金メッキを施すことも可能である。
【００３３】
かかる方法によって、放熱特性のよい複合発光素子が得られる。
【００３４】
（実施の形態２）
図３（Ａ）は本発明の第２の実施の形態にかかる複合発光素子の平面図、（Ｂ）は同複合発光素子の正断面図を示す。複合発光素子１１は、前述した複合発光素子１の第１、第２の大型バンプ４，５の替わりに、これと異なる製造方法によって得られた第１、第２の大型バンプ１３，１２を用いたものである。
【００３５】
次に、複合発光素子１１の製造方法について説明する。
【００３６】
図４は、複合発光素子の製造手順を示す説明図である。
【００３７】
（メッキバンプ形成工程）
切断される前の複数個連結されたサブマウント素子３の所定箇所にマスキングを施し、その後メッキ槽８内で電流を流して電解メッキ作業を行い、サブマウント素子３の２つの電極に金メッキを施し、半導体発光素子２の平断面積の３０％以上の平断面積を有する第１、第２の大型バンプ１３，１２をそれぞれ形成する。
【００３８】
（ＦＣＢ（フリップチップボンディング）工程）
各サブマウント素子３の第１、第２の大型バンプ１３，１２上に半導体発光素子２をボンディングして接合する。
【００３９】
かかる方法によって、放熱特性のよい複合発光素子が得られる。
【００４０】
（実施の形態３）
図５（Ａ）は本発明の第３の実施の形態にかかる複合発光素子の平面図、（Ｂ）は同複合発光素子の正断面図を示す。
【００４１】
上記の実施の形態１，２において半導体発光素子は１つの単体の発光素子として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、１つのブロックサブマウント素子２３上に例えば４つの半導体発光素子２を１つのブロックとしたブロック発光素子２２を配置したブロック複合発光素子２１とした場合においても本発明に含まれる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、第１、第２の大型バンプの断面積の合計を、半導体発光素子の平断面積の３０％以上としたことにより、半導体発光素子で発生した熱量が第１、第２の大型バンプで効率よく放熱され、増加させた電流量に応じた輝度を得ることができ、製品の性能を向上させることができる。
【００４３】
また、第１、第２の小型バンプに金メッキを施して、第１、第２の大型バンプを形成することにより、従来使用されていた第１、第２の小型バンプを用いて半導体発光素子とサブマウント素子とを接合した後に第１、第２の小型バンプの平断面積を大きくでき、工程の変更を少なくして、製造を容易に行うことができる。
【００４４】
また、サブマウント素子上に大型バンプをメッキにより形成してから半導体発光素子を接合することにより、工数を減らして作業を単純化することができるとともに、大型バンプを精度よく形成でき、半導体発光素子の傾斜を防止して製品品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態にかかる複合発光素子の平面図
（Ｂ）は同複合発光素子の正断面図
【図２】複合発光素子の製造手順を示す説明図
【図３】（Ａ）は本発明の第２の実施の形態にかかる複合発光素子の平面図
（Ｂ）は同複合発光素子の正断面図
【図４】複合発光素子の製造手順を示す説明図
【図５】（Ａ）は本発明の第３の実施の形態にかかる複合発光素子の平面図
（Ｂ）は同複合発光素子の正断面図
【図６】（Ａ）は従来例にかかる複合発光素子の平面図
（Ｂ）は同複合発光素子の正断面図
【符号の説明】
１  複合発光素子
２  半導体発光素子
３  サブマウント素子
４  第１の大型バンプ
５  第２の大型バンプ
６  第１の小型バンプ
７  第２の小型バンプ
８  メッキ槽
１１  複合発光素子
１２  第２の大型バンプ
１３  第１の大型バンプ
２１  ブロック複合発光素子
２２  ブロック発光素子
２３  ブロックサブマウント素子
【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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