JP2008244167A - サブマウントおよび半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実装時または実動作時における反りを低減させること。
【解決手段】絶縁基体１と、絶縁基体１上に形成された第１の熱伝導層２と、第１の熱伝道層２上に形成された変形抑制層３と、変形抑制層３上に形成された第２の熱伝導層７とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ、受光素子等の半導体素子が実装されるサブマウントおよびそれを用いた半導体装置に関するものである。

近年、ＣＤ（Compact Disk）、ＤＶＤ（Digital Video Disk）等に用いられる光半導体装置の半導体素子は高出力化が要求されており、これに伴い、半導体素子は長尺化し、消費電力が大きくなり、そのため発熱量が大きくなってきている。

このような半導体素子で発生する熱が外部に効果的に放熱されるように、半導体素子の裏面側には、金属から成るヒートシンクが放熱部材として設けられている。更に、半導体素子とヒートシンクとの間には、熱膨張係数の差によるストレスや歪みなどが発生しないよう、半導体素子の基板材料と比較的熱膨張係数が近い材料として熱伝導性のよいセラミックスから成る絶縁基体を用いたサブマウントが使用されている。特に光ピックアップに用いられる半導体レーザ（レーザダイオード：ＬＤ）等の半導体素子は高出力化が急速に進んでいる。
特開２００６−３１０４１３号公報

しかしながら、上記従来のサブマウントでは、熱伝導を高めるために熱伝導層を厚くすると絶縁基体と熱伝導層の熱膨張率が大きく異なるために、実装時の熱によってサブマウント、半導体素子が反り、半導体素子の特性不良が生じたり、さらには半導体素子が破壊されたりするという問題点があった。

従って、本発明は上記従来の問題点を鑑みて完成されたものであり、その目的は、半導体素子の特性不良や破壊が生じるのを有効に防止できる高性能のサブマウントを提供することにある。

本発明は、絶縁基体と、前記絶縁基体上に形成された第１の熱伝導層と、前記第１の熱伝道層上に形成された変形抑制層と、前記変形抑制層上に形成された第２の熱伝導層とを備えたものである。

本発明のサブマウントは、第１および第２の熱伝道層の間に設けられた変形抑制層を備えていることにより、実装時または実動作時に熱が加わっても、絶縁基体または半導体素子に生じる反りを低減させることができる。

本発明のサブマウントについて図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明のサブマウント８の第１の形態を示す断面図である。本発明のサブマウント８は、絶縁基体１と、絶縁基体１上に形成された第１の熱伝導層２と、第１の熱伝導層２に形成された変形抑制層３と、変形抑制層３上に形成された第２の熱伝導層７と、これら第１の熱伝導層２、変形抑制層３と第２の熱伝導層７を覆うように形成されたバリア層４と、バリア層４を覆うように形成された導体層５とを備えている。

図２は、本発明のサブマウント８を用いた半導体装置の１例の断面図であり、９は半導体素子、１０はサブマウント８と半導体素子９を電気的に接続するボンディングワイヤ、１１は基体である。

絶縁基体１は、窒化アルミニウム質焼結体，炭化珪素質焼結体，ダイヤモンドまたはシリコンからなる。絶縁基体１の材料の他の例として、酸化アルミニウム質焼結体，ガラスセラミックス焼結体，窒化珪素質焼結体，石英，サファイアまたは立方晶窒化硼素を用いてもよい。本発明のサブマウント８上に搭載される光半導体素子（発光ダイオード；ＬＥＤ、レーザダイオード；ＬＤ）が駆動時に発生する熱を効率的に伝導させるためには、熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料を用いる必要があるため、絶縁基体１としては、窒化アルミニウム質焼結体，炭化珪素質焼結体，ダイヤモンドまたはシリコンからなることが望ましい。

絶縁基体１の表面には、例えば蒸着法を用いて密着金属層６を形成し、例えばリソグラフィ法を用いて第１の熱伝導層２を形成する形状とする。ここで、本実施の形態のサブマウント８において、密着金属層とは、絶縁基体１に対して金属層（さらに上層に形成される金属層）の接合強度を向上させるために設けられている層のことをいう。本実施の形態において、密着金属層６は、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｎｉ−Ｃｒ合金またはＴａ_２Ｎからなる。図１に示したサブマウント８において、密着金属層６は、接合強度の向上および剥離の低減という観点から、０．０１μｍ〜０．２μｍの厚みで形成されることが望ましい。密着金属層６は、０．０１μｍ未満の厚みでは、強固に接合させることが困難となる傾向にあり、厚みが０．２μｍを超えると、成膜時の内部応力によって剥離が生じ易くなる傾向がある。

密着金属層６上に、例えばめっき法を用いて第１の熱伝導層２を形成する。第１の熱伝導層２を形成するために、第１の熱伝導層２と同じか厚いめっきレジストを用いて、予めめっきレジストを第１の熱伝導層２の形状にリソグラフィ法を用いて抜く。ここで、めっきレジストの現像状態を調整することで、レジストを抜く断面形状を調節することができる。その後にめっき法によって第１の熱伝導層２を形成することで、第１の熱伝導層２の断面形状を調節することができる。

第１の熱伝導層２は、放熱性の観点で熱伝導率が高いことが望ましく、また、変形抑制層３を薄くしてもサブマウント８の変形を抑えることができるように、降伏応力が小さいことが望ましいので、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕや、その合金等の熱伝導率が高く降伏応力の小さい金属で形成されることが望ましい。

変形抑制層３は第１の熱伝導層２を形成した上に引き続き変形抑制層３をめっき法によって形成してもよく、また、第１の熱伝導層２を形成した後に表面を研磨等で平坦にした後に再度レジストを形成した後に形成してもよい。

変形抑制層３は、光半導体素子及び絶縁基体１にかかる応力を低減させるという観点から、ＷやＭｏなどのＣｕよりも熱膨張係数が低い金属で形成されることが望ましい。より望ましくは、絶縁基体１よりも熱膨張係数が小さい金属で形成することがより好ましい。

変形抑制層３上に、例えばめっき法を用いて第２の熱伝導層７を形成する。第２の熱伝導層７を形成するために、第２の熱伝導層７と同じか厚いめっきレジストを用いて、予めめっきレジストを第２の熱伝導層７の形状にリソグラフィ法を用いて抜く。ここで、めっきレジストの現像状態を調整することで、レジストを抜く断面形状を調節することができる。その後にめっき法によって第２の熱伝導層７を形成することで、第２の熱伝導層７の断面形状を調節することができる。

第２の熱伝導層７は変形抑制層３を形成した上に引き続き第２の熱伝導層７をめっき法によって形成してもよく、また、変形抑制層３を形成した後に表面を研磨等で平坦にした後に再度レジストを形成した後に形成してもよい。

第２の熱伝導層７は、第１の熱伝導層２と同じ材質でもよい。第２の熱伝導層７は、半導体素子９より上面視で大きく、第１の熱伝導層より上面視で小さい寸法とすると、半導体素子９の位置合わせが多少ずれたとしても、発光した光が第２の熱伝導層７によってさえぎられることが無いので、半導体素子９の位置合わせが容易となる。また、外側の高熱膨張の熱伝導層が無いことで、変形抑制層３の厚みを薄くしても熱膨張を抑えることができるようになるので、生産性も向上する。

第２の熱伝導層７を形成した後に研磨等によって、表面を平坦とする。

本実施の形態のサブマウント８において、熱発生時に絶縁基体０１及び光半導体素子に発生する応力の低減という観点から、第１の熱伝導層２、変形抑制層３及び第２の熱伝導層７の厚みの関係を数式にて示す。第１の熱伝導層２の厚みをｔ_０２、降伏応力をＦ_０２、変形抑制層３の厚みをｔ_０３、降伏応力をＦ_０３また第２の熱伝導層７の厚みをｔ_０７、降伏応力をＦ_０７とした時に、ｔ_０２＊Ｆ_０２＜ｔ_０３＊Ｆ_０３かつ、ｔ_０３＊Ｆ_０３＞ｔ_０７＊Ｆ_０７を満たす値であることが望ましい。各層の厚みが前記条件式を満たせない場合は、第１の熱伝導層２または第２の熱伝導層７よりも先に変形抑制層０３で塑性変形が発生するため、絶縁基体０１及び光半導体素子への応力緩和効果が減少する傾向がある。

密着金属層６、第１の熱伝導層２、変形抑制層及び第２の熱伝導層７を覆うようにバリア層４を例えば蒸着法で形成する。ここで、バリア層とは、加熱処理などによって上下層の間において拡散が生じないように設けられる層のことをいう。バリア層４は、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｎｉ，Ｎｉ−Ｃｒ合金またはＴｉ−Ｗ合金からなる。図１に示したサブマウント８において、バリア層４は、拡散防止という機能および剥離の低減という観点から、０．０５〜１μｍの厚みで形成されることが望ましい。バリア層４は、０．０５μｍ未満の厚みではピンホール等の欠陥のために拡散防止層としての機能を果たしにくい傾向にあり、厚みが１μｍを超えると成膜時の内部応力により剥離が生じ易くなる傾向がある。

次にバリア層４の表面には導体層５が例えば蒸着法で形成されている。導体層５は、Ａｕ，Ａｇ，ＣｕまたはＡｌからなり、表面保護と剥離の低減という観点から、０．１μｍ〜５μｍの厚みで形成されていることが望ましい。導体層５は、０．１μｍ未満の厚みではピンホール等の欠陥のために表面保護層としての機能を果たしにくい傾向にあり、厚みが５μｍを超えると成膜時の内部応力により剥離が生じ易くなる傾向がある。

本発明の第２の実施の形態におけるサブマウント８について図３を参照して説明する。図３は、本発明の第２の実施の形態のサブマウント８の構成を示す断面図である。本実施の形態のサブマウント８は、図１に示した第１の実施の形態のサブマウント８において、第２の熱伝導層７は第１の熱伝導層２上に形成され、変形抑制層３は第１の熱伝導層２上で第２の熱伝導層７下部以外に形成されている。すなわち、本実施の形態のサブマウント８において第２の熱伝導層７は、第１の熱伝導層２に変形抑制層３を介さずに形成され、周囲を変形抑制層３によって囲まれている。

これは、変形抑制層３を形成後、第２の熱伝導層７を生成する前にエッチングによって第２の熱伝導層７を形成する部分の変形抑制層３を抜いておき、その後に第２の熱伝導層７を第１の実施の形態と同様に形成し、その後も同様に作成することで、第２の実施の形態のサブマウント８とすることができる。

本実施の形態のサブマウント８は、第２の熱伝導層７を変形抑制層で取り囲むことにより、さらに第２の熱伝導層７の変形を抑制させることができるとともに、第２の熱伝導層７が第１の熱伝導層２に変形抑制層３を介さずに形成することにより、光半導体素子駆動時により発生した熱をより効率的に絶縁基体側へと伝導させることができる。

本発明の第３の実施の形態におけるサブマウント８について図４を参照して説明する。図４は、本発明の第３の実施の形態のサブマウント８の構成を示す断面図である。本実施の形態のサブマウント８は、図３に示した第２の実施の形態のサブマウント８において、変形抑制層３の形状を、外周部になるほど厚くなるように形成されている。

これは、変形抑制層３を予め厚く形成し、その表面を研磨するときに、仕上げを柔らかなバフ研磨とし、長時間の研磨をすることで変形抑制層３の周縁部より中心付近の厚みを薄くすることができる。その後に第２の熱伝導層７を第１の実施の形態と同様に形成し、その後の工程も同様に作成することで、第２の実施の形態のサブマウント８とすることができる。

本実施の形態のサブマウント８は、変形抑制層３の外周部を厚く形成することにより、外周部により強く発生する熱膨張係数の違いによる熱による変形に対しての抑制効果をより向上させることができる。

そして、図２に示すように本発明のサブマウント８に半導体素子９を搭載し、サブマウント８と半導体素子９を電気的に接続し、このサブマウント８を金属やセラミックス、樹脂等から成る基体に搭載し、サブマウント８と基体に形成した導体を電気的に接続し、しかる後、基体にサブマウント８および半導体素子９を覆うように、金属やセラミックス、樹脂等から成る蓋体を接合して半導体素子９を気密に封止することによって本発明の半導体装置となる。

このような基体としては、上面にサブマウント８および半導体素子９を収容するための凹部を有するものであってもよく、平板状であってもよい。また、同様に蓋体も下面に凹部が形成されていてもよく、平板状であってもよい。

また、半導体素子９は電気的にはサブマウント８を介さず、直接基体に電気的に接続していてもよい。

また、基体には半導体装置の内面から外面にかけて、リード端子や入出力端子などの電気導電路が形成されており、半導体素子９が半導体装置の内面側の電気導電路と電気的に接続されるとともに、半導体装置の外面側の電気導電路が外部電気回路基板に電気的に接続されることによって、外部電気回路基板と半導体素子９とが電気的に接続されることとなる。

なお、本発明は上述の実施の最良の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことは何等差し支えない。

例えば、熱伝導層２の上面で無くとも、外周に変形抑制層３を形成することでも半導体素子９に加わる変形や応力を減少することができ、同様の効果を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態のサブマウントの構成を示す断面図である。 本発明のサブマウントを用いた半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態のサブマウントの構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態のサブマウントの構成を示す断面図である。

符号の説明

１：絶縁基体
２、７：熱伝導層
３：変形抑制層
４：バリア層
５：導体層
６：密着金属層
８：サブマウント
９：半導体素子
１０：ボンディングワイヤ
１１：基体

Claims (6)

1. 絶縁基体と、
   前記絶縁基体上に形成された第１の熱伝導層と、
   前記第１の熱伝導層上に形成された変形抑制層と、
   前記変形抑制層上に形成された第２の熱伝導層と、
   を備えたサブマウント。
2. 前記第１および第２の熱伝導層は、平面視において、前記絶縁基体より寸法が小さいことを特徴とする請求項１記載のサブマウント。
3. 前記第２の熱伝道層は、平面視において、前記第１の熱伝導層より寸法が小さいことを特徴とする請求項２記載のサブマウント。
4. 前記変形抑制層は、前記第１の熱伝導層の外周縁部に部分的に形成されていることを特徴とする請求項１記載のサブマウント。
5. 前記変形抑制層は、前記第１の熱伝導層の外周に近づくほど厚く形成されていることを特徴とする請求項１記載のサブマウント。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載されたサブマウントと、
   前記サブマウントを支持する基体と、
   前記サブマウント上に実装された半導体素子と、
   を備えた半導体装置。

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