JP2021093418A - 発光装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１つのウェハから得られる発光素子の発光出力の差異によらず、所望の発光出力を有する発光装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】基板２０と、基板の面に配され、紫外光を放射する出光面を有し、出光面に炭化水素または炭素からなる物質を含む炭素膜７０を有する発光素子３０と、紫外光を透過する材料からなりかつ発光素子の出光面と対向して配置され、基板と共に発光素子を収容して封止する収容空間ＨＳを形成する収容部材としての窓部材４０、を有する。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、紫外線を照射する発光素子を含む発光装置に関する。

４００ｎｍ以下の発光波長を有する紫外線は、蛍光インクによる紙幣等の偽造検出、樹脂硬化や水又は大気の滅菌といった多様な分野に応用されている。近年、紫外線を照射する発光装置として、従来の水銀蒸気を光源とした発光装置に置き換わり、紫外線発光ダイオード（Light Emitting diode：以下、ＬＥＤと称する）などの半導体発光素子を有する発光装置が普及している。また、普及に伴いさまざまな問題も明らかになり、それらの解決方法が開示されている。

例えば、引用文献１には、パッケージ内部に酸素を含む封止ガスを充填して封止することで、パッケージ内に存在する水素による半導体層の抵抗増加の影響から及ぼされる発光素子の特性劣化を防止する技術が開示されている。

また、例えば、引用文献２には、気密封止されたパッケージ内に水素吸蔵材を設けることで、パッケージ内に存在する酸素と炭化水素の重合反応による発光素子の特性劣化を防止する技術が開示されている。

また、例えば、引用文献３には、パッケージ封止時に酸素を含む第１ガスから酸素濃度を低下させる第２ガスに切り替えることで、接合材の酸化による過熱溶融の阻害をさせずに信頼性の高い封止を可能とする技術が開示されている。

特開２００７−６７３７３号公報 特開２０００−１３３８６８号公報 特開２０１８−９３１３７号公報

半導体発光素子は、１つのウェハから複数の発光素子の製造を行う。１つのウェハから複数の発光素子を製造すると、所定の印加電圧に対して発光出力が高い素子から低い素子まで出力が分布する。しかしながら、発光素子を用いた発光装置においては、出荷される発光装置の発光出力は一定であることが求められる。それ故、製造された発光素子の発光出力に応じて選別を行い、所望する発光出力を有する発光素子のみを発光装置に用いることとなる。よって、１つのウェハから得られる発光素子の有効利用数量が低下し、コストの増加を招く問題がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、１つのウェハから得られる複数の発光素子の各々の発光出力の差異によらず、所望の発光出力を有する発光装置及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明に係る発光装置は、基板と、前記基板の１の面に配され、紫外光を放射する出光面を有し、前記出光面に炭化水素または炭素からなる物質を含む炭素層を有する発光素子と、前記紫外光を透過する材料からなりかつ前記発光素子の前記出光面と対向して配置され、前記基板と共に前記発光素子を収容して封止する収容空間を形成する収容部材と、を有することを特徴としている。

また、本発明に係る発光装置の製造方法は、１の面に金属配線が形成されている基板の金属配線上に揮発性ソルダーペーストを塗布する工程と、金属配線上に塗布された揮発性ソルダーペースト上に、紫外光を放射する出光面を有する発光素子を載置する工程と、記揮発性ソルダーペーストを加熱して金属配線と発光素子を接合する工程と、基板の１の面に紫外光を透過する透光部を有する収容部材を載置して、収容部材と基板とによって発光素子を封止する且つ収容空間を形成する工程と、発光素子に金属配線を介して通電を行い、発光素子の出光面に炭化水素または炭素からなる物質を含む炭素層を形成する工程と、を含むことを特徴としている。

本発明の実施例１に係る発光装置１０の上面図である。 図１ＡのＡ−Ａ線に沿った発光装置１０の断面図である。 本発明の実施例１に係る発光装置１０の製造工程を示すフロー図である。 本発明の実施例１に係る発光装置１０の製造工程を示す説明図である。 本発明の実施例１に係る発光装置１０の製造工程を示す説明図である。 本発明の実施例１に係る発光装置１０の製造工程を示す説明図である。 本発明の実施例１に係る発光装置１０の製造工程を示す説明図である。 本発明の実施例１に係る発光装置１０の製造工程を示す説明図である。 本発明の実施例に係る発光装置１０の通電後における発光素子３０の出光面のＴＯＦ−ＳＩＭＳスペクトルを示すグラフである。 本発明の実施例に係る発光装置１０の通電時間と光出力維持率との関係を示すグラフである。 本発明の変形例に係る発光装置１０の通電時間と光出力維持率との関係を示すグラフである。 本発明の発光装置の封止構造の例を示した断面図である。 本発明の発光装置の封止構造の例を示した断面図である。

以下に本発明の実施形態について詳細に説明する。尚、以下の説明及び添付図面においては、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符号を付している。

図１Ａは、発光装置１０の模式的な上面図を示している。図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ線に沿った断面図を示している。

尚、図１Ａは窓部材４０がない場合での仮想上面図であり、窓部材４０は図１Ａの一点鎖線の位置に配置されている。

発光装置１０は、一方の面に凹形状のキャビティが形成されている基板２０を有する。また、発光装置１０は、基板２０のキャビティ内に格納された発光素子３０及び保護素子３１を有する。また、発光装置１０は、基板２０のキャビティを覆うように固定された窓部材４０を有する。

基板２０は、矩形状の平面形状を有する基板であり、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の高い熱伝導率と気密性を備えたセラミックスからなる。本実施例においては、ＡｌＮを基板２０として用いた場合を説明する。

基板２０の一方の面である上面２１には、底面２３及び側面２４を有する凹形状のキャビティが形成されている。言い換えれば、基板２０には、基板２０の一方の面の周辺に延在する枠状の側壁部２２によって囲まれた底面２３を有する凹状のキャビティが形成されている。

キャビティの底面２３の中央には、例えば、金属等の導電層上にタングステン（Ｗ）／ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）等のめっきが施された平面形状が矩形の素子載置部２５が形成されている。

発光素子３０は、例えば、紫外光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）等の上面形状が矩形の半導体発光素子であり、素子載置部２５上に載置されている。図１Ｂに示すように本実施例においては、発光素子３０は、支持基板３０ａ及び支持基板３０ａに支持され、発光層を含む半導体層３０ｂを有する。支持基板３０ａは、例えば、導電性のシリコン（Ｓｉ）等の基板からなる。

また、半導体層３０ｂは、支持基板３０ａ側から順に、例えば、ｐ型半導体層、発光層及びｎ型半導体層からなり、発光層から波長４１０ｎｍ以下の紫外光を放射する窒化ガリウム（ＧａＮ）系の半導体層である。本実施例においては、波長３６５ｎｍの紫外光を放射する発光層を含む半導体層３０ｂを用いた場合を説明する。

発光素子３０は、例えば、支持基板３０ａ、支持基板３０ａの上面上に形成された半導体層３０ｂ、支持基板３０ａの下面に形成された第１の電極（図示せず）、及び半導体層３０ｂの上面上に形成された第２の電極（図示せず）を有する。

また、発光素子３０は、基板２０のキャビティ内に形成された素子載置部２５上に素子接合層５０を介して接合されている。また、支持基板３０ａの下面に備えられている第１の電極は、素子接合層５０を介して素子載置部２５と電気的に接続される。

素子接合層５０は、例えば、金錫合金（ＡｕＳｎ合金）である。また、素子接合層５０は、例えば、ＡｕＳｎ合金粒子と、ＡｕＳｎ合金の融点付近に沸点を有するフラックスからなる揮発性ソルダーペーストが溶融して形成されたものである。フラックスは、例えば、揮発した気体状態において、紫外光で炭化するロジン類、アルコール類、糖類、エステル類、脂肪酸類、油脂類、重合油類、界面活性剤又は有機酸等からなる。

また、発光素子３０の上面に備えられている第２の電極は、例えば、金（Ａｕ）ワイヤ等のボンディングワイヤＢＷによって第２の配線２７と電気的に接続される。

第１及び第２の配線２６及び２７は、キャビティの底面２３及び基板２０の下面２８に形成された金属配線である。第１及び第２の配線２６及び２７は、例えば、金属等の導電層上にタングステンＷ／Ｎｉ／Ａｕ等のめっきが施されて形成されている。第１及び第２の配線２６及び２７は、基板２０に設けられた貫通電極ＴＨを介して、キャビティの底面２３に形成された金属配線と基板２０の下面２８に形成された金属配線とが電気的に接続されている。

また、第１及び第２の配線２６及び２７は、キャビティの底面２３において、互いに離間しかつ素子載置部２５と離間して形成されており、例えば、底面２３の中央領域、具体的には素子載置部２５及び発光素子３０を囲繞するように形成される。第１の配線２６は、素子載置部２５の１つの辺において素子載置部２５と接続されるように素子載置部２５と連続して形成されており、素子載置部２５と電気的に接続されている。

また、第１の配線２６と素子載置部２５との接続部分には、素子載置部２５の１つの辺に沿って伸張するアライメントスリットＡＳが形成されている。発光素子３０を素子載置部２５に載置する際に、このアライメントスリットＡＳ及び素子載置部２５の上記配線２６及び２７と離間している各辺によって、発光素子３０の位置及び配向のセルフアライメントがなされる。

また、基板２０の側壁部２２の上面２１には、環状の基板枠縁層２９が形成されている。基板枠縁層２９は、例えば、Ｗ／Ｎｉ／Ａｕ等のめっきが施された金属層である。尚、基板枠縁層２９は、基板２０のキャビティ内の側面２４まで延在してもよい。

保護素子３１は、例えば、ツェナーダイオード等の逆電圧保護素子である。保護素子３１は、発光素子３０に供給される電圧を一定にするよう動作する。また、保護素子３１は、例えば、第１の配線２６と第２の配線２７との上に載架され、揮発性ソルダーペーストによって素子両端に形成されている電極と第１及び第２の配線２６及び２７と接合される。尚、保護素子３１は、キャビティの底面２３に接合され、第１及び第２の配線２６及び２７の接続はワイヤボンディングによって接続されてもよい。

収容部材としての窓部材４０は、発光素子３０の放射する紫外光を透過する透光部材からなる。窓部材４０は、例えば、石英ガラスや硼珪酸ガラスである。

窓部材４０は、基板２０のキャビティを覆うように基板２０に保持されている。また、窓部材４０の基板２０の上面２１と向かい合う下面には、窓部材４０の縁に沿って環状の窓枠縁層４１が設けられている。窓枠縁層４１は、例えば、クロム（Ｃｒ）／ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）からなる金属層である。

基板２０と窓部材４０は、窓接合層６０を介して接合されている。窓接合層６０は、例えば、フラックスを含まない環状のＡｕＳｎ合金シートからなる。ＡｕＳｎ合金シートを溶融させ、基板枠縁層２９及び窓枠縁層４１と共晶接合させることで、基板２０のキャビティ内を気密に封止させた収容空間ＨＳを形成する。

換言すれば、基板２０の上面２１には、凹形状のキャビティが形成されており、キャビティと窓部材４０とによって収容空間ＨＳが形成されている。また、基板２０と窓部材４０とは、有機物を含まない金属層によって接合されて収容空間ＨＳが気密態様で封止されている。

収容空間ＨＳには、紫外光で変質しない封止ガスが充填されている。充填される封止ガスは、例えば、１気圧で充填された窒素（Ｎ_２）ガスである。

また、炭素層として、発光素子３０の出光面には、紫外光で変質しない且つ紫外光の一部を吸光する炭素膜７０が形成されている。炭素膜７０は、例えば、炭素を主成分とした炭化水素又は炭素からなる物質を含む膜である。具体的には、例えば、グラファイト、アモルファスカーボン又はダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）を含む無機質な炭素膜の層である。なお、グラファイト、アモルファスカーボン及びＤＬＣ等の無機質な炭素においては、末端の炭素や格子欠陥付近の炭素が、例えば、ダングリングボンド等の未結合手と水素とが結合することで安定化している。

炭素膜７０は、素子接合層５０である揮発性ソルダーペーストに含まれるフラックス残渣が収容空間ＨＳ内で再揮発し、発光素子３０の放射する紫外光によって炭化されて発光素子３０の出光面に堆積したものである。

換言すれば、実施例１の発光装置１０は、基板２０と、基板２０のキャビティの底面２３に配され、紫外光を放射する出光面を有し、出光面に炭化水素または炭素からなる物質を含む炭素膜７０を有する発光素子３０と、紫外光を透過する材料からなりかつ発光素子３０の出光面と対向して配置され、基板２０と共に発光素子３０を収容して封止する収容空間ＨＳを形成する窓部材４０と、を有する。

炭素膜７０によって、発光素子３０の出光面から放射される紫外光は減衰される。すなわち、例えば、炭素膜７０の膜厚等の状態を制御することにより、所定の電流が供給された発光素子３０から放射される紫外光の光出力を調整することが可能となる。

また、本実施例においては、発光装置１０、基板２０、基板２０のキャビティ、素子載置部２５又は発光素子３０は、発光装置１０の実装面に垂直な方向から見たときに矩形（本実施例においては正方形）の上面形状を有する場合について説明した。しかし、上記したそれぞれの上面形状は、矩形に限定されず、例えば円形状、楕円形状及び長方形状等、種々の形状であってもよい。

図２は、本実施例の発光装置１０の製造工程を示すフローである。図３Ａ−３Ｅは、図２の各工程を示した発光装置１０の断面図である。図２及び図３Ａ−３Ｅを参照して上記で説明した発光装置１０の製造方法について説明する。

まず、実装基板として、一方の面である上面２１に凹形状に形成されたキャビティと、キャビティの底面２３と基板２０の下面２８に形成された第１及び第２の配線２６及び２７と、キャビティの底面２３から基板２０の下面２８側の表面まで貫通して金属配線を接続する貫通電極ＴＨと、基板２０の側壁部２２の上面２１に形成された環状の基板枠縁層２９を備えたＡｌＮ基材の基板２０を用意する。

図２及び図３Ａに示すように、第１の配線２６の素子載置部２５上に素子接合層５０の原料である揮発性ソルダーペーストを塗布する（ステップＳ１１）。素子載置部２５上に揮発性ソルダーペーストを塗布する際は、揮発性ソルダーペーストを充填したディスペンサーを用いて塗布するとよい。

次いで、図３Ｂに示すように、揮発性ソルダーペーストが塗布された素子載置部２５上に発光素子３０を載置する（ステップＳ１２）。具体的には、発光素子３０の下面に設けられた第１の電極（図示せず）が揮発性ソルダーペーストと接するように載置する。

この状態の基板２０を、例えば、窒素雰囲気中で３００℃まで過熱し揮発性ソルダーペースト内のＡｕＳｎ合金粒子を溶融させ、素子接合層５０で第１の配線２６と発光素子３０を固定させる（ステップＳ１３）。この時、第１の配線２６と発光素子３０はＡｕＳｎ合金により共晶接合され且つ、電気的に接続される。また、発光素子３０の固定される位置及び配向は、第１の配線２６の素子載置部２５上で溶融されたＡｕＳｎ合金及び第１の配線２６に形成されたアライメントスリットＡＳ及び素子載置部２５の上記配線２６及び２７と離間している各辺によってセルフアライメントされる。

尚、揮発性ソルダーペーストを過熱溶融させた際に、揮発性ソルダーペーストに含まれるフラックスの殆どは揮発する。

次いで、図３Ｃに示すように、発光素子３０が実装された基板２０をワイヤボンディング装置セットし、発光素子３０の上面に形成された第２の電極（図示せず）と第２の配線２７をＡｕワイヤ等のボンディングワイヤＢＷで接続する（ステップＳ１４）。尚、Ａｕワイヤの接続順序は発光素子３０の第２の電極と第２の配線２７のどちらが先でもよい。これにより、発光素子３０の第２の電極と第２の配線２７は電気的に接続される。

次いで、ワイヤボンディングされた基板２０を、例えば、大気雰囲気中で３３０℃にて２０秒間過熱し、素子接合層５０に残留したフラックスを追揮発させる（ステップＳ１５）。尚、残留したフラックスを追揮発する温度の下限値は、残留したフラックスが揮発するＡｕＳｎ合金粒子の溶融温度（本実施例においては３００℃）以上が好ましい。また、残留したフラックスを追揮発する温度の上限値は、発光素子３０の半導体層３０ｂの素子特性が劣化する温度（例えば、３３０℃）以下が好ましい。

次いで、残留したフラックスの追揮発を実施した基板２０に、例えば、エキシマ光を照射して基板２０及び発光素子３０の表面に付着したフラックス残渣を洗浄する（ステップＳ１６）。本実施例においては、発光波長１７２ｎｍのエキシマ光を２０００ｍＪ／ｃｍ２の出力で１０分間照射して基板２０及び発光素子３０の表面の洗浄を実施した。尚、基板２０及び発光素子３０の表面の洗浄はエキシマ光による洗浄に限定されない。例えば、他の洗浄方法としては、プラズマ洗浄やオゾンガスによる洗浄又は溶剤による洗浄等、基板２０及び発光素子３０の表面に付着した有機物のフラックス残渣を除去できればよい。

次いで、フラックス残渣の洗浄を実施した基板２０を、所定の雰囲気下（本実施例においては、大気圧の窒素ガス）にて、基板枠縁層２９上に環状のＡｕＳｎシートである窓接合層６０を載置する。さらに、予め窓枠縁層４１が形成された窓部材４０を、窓枠縁層４１の面を基板２０に対向する面とする向きで窓接合層６０上に載置する。すなわち、窓接合層６０及び窓部材４０は、基板２０の基板枠縁層２９と、窓接合層６０と、及び窓枠縁層４１が重なるような位置で載置される。

この状態において、基板２０に窓部材４０を押圧して密着させる。そして、窓部材４０を押圧したまま、例えば、３００℃まで過熱して窓接合層６０を溶融させて基板２０と窓部材４０を接合させる（ステップＳ１７）。この時、図３Ｄに示すように、基板２０の基板枠縁層２９及び窓枠縁層４１は、窓接合層６０のＡｕＳｎ合金によって共晶接合され、気密に封止された収容空間ＨＳが形成される。

次いで、気密封止された基板２０の第１及び第２の配線２６及び２７を介して発光素子３０に所定の電流を供給して、発光素子３０のエージングを行うと共に、図３Ｅに示すように発光素子３０の出光面に炭素膜７０を形成する（ステップＳ１８）。

発光素子３０は、エージング中に発光駆動することで自己発熱を起こす。発光素子３０の自己発熱により、素子接合層５０に残留したフラックスが収容空間ＨＳ内に再揮発する。再揮発されたフラックスは、出光面近傍で発光素子３０が放射する紫外光を受け炭化する。炭化したフラックスは、発光素子３０の出光面に炭素を主成分とした炭素膜７０として堆積される。

尚、ステップＳ１８において、発光装置１０を過熱しながら電流を供給してもよい。

また、炭素膜７０は、再揮発したフラックスが発光素子３０の高い光出力密度で紫外光を放射する出光面近傍又は出光面表面でのみ炭化する故、発光素子３０の出光面に選択的に炭素膜７０として堆積される。上記したグラファイト等の炭素膜は、導電性を有しているが上記理由により発光素子３０の出光面に選択的に堆積するため、発光素子３０の第１及び第２の電極間又は基板２０の第１及び第２の配線２６及び２７間で短絡等の不具合は発生しない。

以上の工程により、本実施例の発光装置１０を製造する。

実施例２として、図２の製造フローにおけるフラックス追揮発工程（ステップＳ１５）及びエキシマ光洗浄工程（ステップＳ１６）を実施しない発光装置１０を製造した。実施例２においては、上記以外の製造工程は、実施例１と同様の工程にて発光装置１０を製造した。

実施例３として、図２の製造フローにおけるフラックス追揮発工程（ステップＳ１５）及びエキシマ光洗浄工程（ステップＳ１６）を実施しないことに加え、窓部材接合（ステップＳ１７）時のガス雰囲気を、窒素ガスを充填した後真空ポンプで１．０ｋＰａまで減圧した雰囲気で窓部材４０を接合した発光装置１０を製造した。実施例３の上記以外の製造工程は、実施例１と同様の工程にて発光装置１０を製造した。

実施例４として、図２の製造フローにおけるフラックス追揮発工程（ステップＳ１５）及びエキシマ光洗浄工程（ステップＳ１６）を実施しないことに加え、窓部材接合（ステップＳ１７）時のガス雰囲気を、大気圧で酸素ガスと窒素ガスの混合ガス（酸素ガス２０体積％、窒素８０体積％）とした雰囲気で窓部材４０を接合した発光装置１０を製造した。実施例４の上記以外の製造工程は、実施例１と同様の工程にて発光装置１０を製造した。

実施例５として、図２の製造フローにおけるフラックス追揮発工程（ステップＳ１５）及びエキシマ光洗浄工程（ステップＳ１６）を実施しないことに加え、窓部材接合（ステップＳ１７）時のガス雰囲気を、大気圧で酸素ガスと窒素ガスの混合ガス（酸素ガス１体積％、窒素９９体積％）とした雰囲気で窓部材４０を接合した発光装置１０を製造した。実施例５の上記以外の製造工程は、実施例１と同様の工程にて発光装置１０を製造した。

換言すれば、実施例１〜５の発光装置１０の製造方法は、キャビティの底面２３に金属の配線２６及び２７が形成されている基板２０の第１の配線２６上に揮発性ソルダーペーストを塗布する工程と、第１の配線２６上に塗布された揮発性ソルダーペースト上に、紫外光を放射する出光面を有する発光素子３０を載置する工程と、揮発性ソルダーペーストを加熱して第１の配線２６と発光素子３０を接合する工程と、基板２０の上面２１に紫外光を透過する透光部を有する窓部材４０を載置して、窓部材４０と基板２０とによって発光素子３０を封止する且つ収容空間ＨＳを形成する工程と、発光素子３０に第１及び第２の配線２６及び２７を介して通電を行い、発光素子３０の出光面に炭化水素または炭素からなる物質を含む炭素膜７０を形成する工程と、を含む。

また、実施例１〜５の発光装置１０の製造方法は、揮発性ソルダーペーストが過熱された後に、揮発性ソルダーペーストに残留したフラックスを追揮発する工程と、基板２０及び発光素子３０の表面に付着したフラックスの残渣をエキシマ光で洗浄する工程と、をさらに含む。

尚、実施例１〜３の封止ガス及び実施例４〜５において酸素ガスと混合するガスに窒素ガスを用いた事例について説明したが、このガスは窒素ガスに限定されない。封止ガス及び酸素ガスと混合するガスは、例えば、アルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）又はクリプトン（Ｋｒ）ガス等の不活性ガスを用いてもよい。また、窒素、アルゴン、キセノン又はクリプトンガスは、一種又は二種以上のガスを混合して用いてもよい。

また、実施例１〜５の封止ガスの封止圧において、大気圧又は減圧して封止ガスを充填した発光装置１０について説明したが、封止圧を増圧した封止ガスを用いてもよい。

［評価］
表１に、上述した実施例１〜５の発光装置１０の連続点灯の評価を示す。

実施例１〜５の評価として、連続点灯を実施した後の発光装置１０の炭素膜７０の堆積確認、電気特性の確認及び初期光出力に対する光出力維持率の確認を実施した。

炭素膜７０の堆積確認は、例えば、肉眼及び光学顕微鏡を用いて、連続点灯を実施した後に発光素子３０の出光面表面に炭素膜７０が堆積されているかを確認した。発光素子３０の出光面表面の変色を確認することで炭素膜７０が堆積しているかを判定した。

電気特性の確認は、連続点灯を実施した後の発光装置１０の電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）、順方向リーク電圧（Ｖｆ）、及び逆方向リーク電圧（Ｖｒ）を確認した。Ｖ−Ｉ特性の確認を行うことにより、発光素子３０の半導体層３０ｂの抵抗率が変異しているかを判定した。また、Ｖｆ及びＶｒの確認を行うことにより、導電性を有する炭素膜７０が発光素子３０の第１及び第２の電極間又は基板２０の第１及び第２の配線２６及び２７間で異常堆積しているかを判定した。

光出力維持率の確認は、点灯開始時の発光装置１０の光出力に対する連続点灯を１００時間実施した後の発光装置１０の光出力の変異率である。

実施例１の発光装置１０は、連続点灯後において発光素子３０の出光面表面に変色はみられなかった。また、Ｖ−Ｉ特性、Ｖｆ、及びＶｒに異常を認められる値はみられなかった。また、光出力維持率は９０．９％であり、点灯開始時の光出力から約１割程度の出力減衰が確認された。

実施例２の発光装置１０は、連続点灯後において発光素子３０の出光面表面に灰色〜黒色の変色がみられ、炭素膜７０の堆積が確認された。また、Ｖ−Ｉ特性、Ｖｆ、及びＶｒに異常を認められる値はみられなかった。また、光出力維持率は５８．７％であり、点灯開始時の光出力から約４割程度の出力減衰が確認された。

実施例３の発光装置１０は、連続点灯後において発光素子３０の出光面表面に黒色の変色がみられ、炭素膜７０の堆積が確認された。また、Ｖ−Ｉ特性、Ｖｆ、及びＶｒに異常を認められる値はみられなかった。また、光出力維持率は９．７％であり、点灯開始時の光出力から約９割程度の出力減衰が確認された。

実施例４の発光装置１０は、連続点灯後において発光素子３０の出光面表面に変色はみられなかった。また、Ｖ−Ｉ特性、Ｖｆ、及びＶｒに異常を認められる値はみられなかった。また、光出力維持率は９６．４％であり、点灯開始時の光出力からほぼ減衰はみられず、発光素子３０の通常のエージング量の範囲であった。

実施例５の発光装置１０は、連続点灯後において発光素子３０の出光面表面に灰色〜黒色の変色がみられ、炭素膜７０の堆積が確認された。また、Ｖ−Ｉ特性、Ｖｆ、及びＶｒに異常を認められる値はみられなかった。また、光出力維持率は５４．０％であり、点灯開始時の光出力から半分程度の出力減衰が確認された。

実施例１及び２の結果から、収容空間ＨＳに窒素ガスを充填させた発光素子３０において、フラックス追揮発工程及びエキシマ光洗浄工程（図２のステップＳ１５及び１６）の有無によって、光出力を約１割〜約４割の幅で減衰することが確認された。すなわち、追揮発工程の処理温度並びに処理時間及びエキシマ光洗浄工程の処理条件並びに処理時間を調整することによって、発光素子３０の光出力を、初期の光出力から約１割〜約４割の幅で調整することが可能となる。

実施例２及び３の結果から、フラックス追揮発工程及びエキシマ洗浄工程を実施しない発光装置１０において、封止ガスである窒素ガスを減圧することによって、光出力を約４割〜約９割の幅で減衰することが確認された。すなわち、窓部材接合工程（図２のステップＳ１７）時の窒素ガス雰囲気の圧力を調整することによって、発光素子３０の光出力を、初期の光出力から約４割〜約９割の幅で調整することが可能となる。

実施例４及び５の結果から、フラックス追揮発工程及びエキシマ洗浄工程を実施しない発光装置１０において、封止ガスである窒素ガスと酸素ガスの混合ガスの酸素濃度を１体積％〜２０体積％まで変異させることによって、光出力をエージング範囲の発光出力から約半分の幅で減衰することが確認された。すなわち、窓部材接合工程時の封止ガスの酸素濃度を調整することによって、発光素子３０の光出力を、初期の光出力から約半分の幅で調整することが可能となる。

次に、図４を参照して、発光素子３０の出光面に堆積した堆積物について説明する。

図４は、光出力維持率がほぼ減衰しなかった実施例４及び光出力維持率が半分程度となった実施例５の発光素子３０の出光面表面における飛行時間型二次イオン質量分析法（Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry：ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）の測定結果のスペクトル図である。図４の上段のスペクトルは実施例４の測定結果を示し、図４の下段のスペクトルは実施例５の測定結果を示す。

図４の横軸（ｍ／ｚ）は２次イオンの質量電荷比を示し、縦軸（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）は検出強度を示す。また、図４の左側、中央及び右側のスペクトルは、検出されたピークの２次イオンの質量電荷比近傍を抽出して図示している。

炭素膜７０の堆積及び光出力維持率の減衰がほぼみられなかった実施例４の測定結果においては、酸化珪素（ＳｉＯ_２）に由来するピークが検出された。実施例４の発光素子３０の表面から検出されたＳｉＯ_２は発光素子３０の半導体層３０ｂを皮膜する保護膜（図示せず）に起因している。また、実施例４においては、炭素に由来するピークは検出されず、炭素膜７０の堆積がなかったことを示している。

炭素膜７０の堆積及び光出力維持率の減衰がみられた実施例５の測定結果においては、炭素（Ｃ_２）に由来するピークが検出された。すなわち、実施例５において炭素膜７０の堆積があったことを示している。また、検出されたピークから、堆積された膜は、グラファイト、アモルファスカーボン又はＤＬＣであることが同定された。

すなわち、製造工程のステップＳ１８後に発光素子３０の出光面に変色及び堆積物がみられた実施例１〜３及び５において、発光素子エージング及び炭素膜形成工程（図２のステップＳ１８）時に、収容空間ＨＳ内に再揮発されたフラックスが発光素子３０の放射する紫外光により炭化され、発光素子３０の出光面に炭素を主成分とした炭素膜７０として堆積されたことを示す。

図５は、実施例１〜５の発光装置１０の連続点灯時の通電時間と光出力の経時変化を示すグラフである。

実施例１〜３及び４においては、通電開始時から光出力が急峻に減衰していく領域と、その後緩やかに減衰していく２つの領域を有している。

光出力が急峻に減衰していく領域は発光素子３０の出光面に炭素膜７０が堆積していることを示す。また、緩やかに減衰していく領域は、発光素子３０の半導体層３０ｂがエージングされていることを示す。

光出力が急峻に減衰していく領域では、収容空間ＨＳ内に素子接合層５０に残留したフラックスが再揮発して発光素子３０の紫外光を受け炭化し、発光素子３０の出光面に炭素膜７０として堆積する。炭素膜７０が発光素子３０の出光面に堆積していくことにより、出光面から放射される紫外光が炭素膜７０に阻まれ急激に光出力が減衰していく。

炭素膜７０の堆積による急峻な光出力の減衰は、図５に示すように、通電時間が約３０時間程度で消失し、その後発光素子３０のエージングによる緩やかな減衰に移行する。尚、炭素膜７０による光出力の減衰量は、素子接合層５０内に残留したフラックス量に由来する。

すなわち、追揮発処理及びエキシマ光洗浄処理を実施した実施例１は残留フラックス量が少ないため炭素膜７０の堆積量も少なくなり、光出力の減衰量も小さい。

また、追揮発処理及びエキシマ光洗浄処理を実施していない実施例２は残留フラックス量が多いため炭素膜７０の堆積量が多くなり、光出力の減衰量も大きくなる。

また、追揮発処理及びエキシマ光洗浄処理を実施していない且つ収容空間を減圧状態にした実施例３は、減圧により素子接合層５０から残留フラックスが再揮発しやすい故、炭素膜７０の堆積量が非常に多くなり、光出力の減衰量も極めて大きくなる。

実施例４は、急峻な光出力の減衰がみられない。これは、封止ガスに酸素ガスを２０体積％混合することにより、炭素膜７０の堆積を防止する効果があるためである。

また、実施例５のように、酸素ガスを１体積％混合に変化させると炭素膜７０が堆積されて光出力が減衰することを示す。

本発明によれば、実施例１〜３のように、封止ガスを窒素ガスとし、残留フラックスの追揮発処理条件、エキシマ光洗浄条件及び封止ガス圧力を調整することにより、発光素子エージング及び炭素膜形成工程後に、初期の光出力に対して任意の光出力を有する発光装置１０を得ることが可能となる。

また、本発明によれば、実施例４〜５のように、封止ガスを窒素ガスと酸素ガスの混合ガスとした場合においても、酸素ガス濃度及び封止ガス圧力を調整することにより、発光素子エージング及び炭素膜形成工程後に、初期の光出力に対して任意の光出力を有する発光装置１０を得ることが可能となる。

これによれば、所望の光出力以上の出力を有する発光素子においても、所望の光出力を有する発光装置１０を製造することが可能となる。また、１つのウェハから得られる発光素子の有効利用数量を多くすることが可能となり、紫外光を放射する発光装置１０のコスト低減をすることが可能となる。

尚、発光素子３０の初期の光出力については、ウェハ上で複数の発光素子を製造した後のプローブテストにて確認される。この際、複数の発光素子は、発光素子のそれぞれが有する光出力によって、いくつかの光出力ごとに選別され、所望の光出力に対して初期の光出力からの減衰量を判定される。選別された発光素子は、フラックス追揮発工程並びにエキシマ光洗浄工程の工程条件及び封止ガス種並びに封止ガス圧条件でそれぞれ製造される。

これにより、光出力に差異を有する複数の発光素子においても、所望の光出力を有する発光装置１０を製造することが可能となる。

上述の実施例１〜５においては、発光波長３６５ｎｍの紫外光を放射する発光素子３０を用いた発光装置１０について説明した。しかし、発光素子３０が放射する紫外光の発光波長はこれに限定されない。

変形例として、発光波長２７５ｎｍの深紫外光を放射する発光素子３０を用いた発光装置１０について以下に説明する。

変形例１として、フラックス追揮発工程及びエキシマ光洗浄工程を実施し、封止ガスに大気圧の窒素ガスを用いた発光装置１０を製造した。変形例１は、発光素子３０に深紫外光を放射する発光素子３０を用いたこと以外は実施例１と同様の製造部材及び製造方法である。

変形例２として、フラックス追揮発工程及びエキシマ光洗浄工程を実施しない発光装置１０を製造した。変形例２は、発光素子３０に深紫外光を放射する発光素子３０を用いたこと以外は実施例２と同様の製造部材及び製造方法である。

変形例３として、フラックス追揮発工程及びエキシマ光洗浄工程を実施しないことに加え、封止ガスに大気圧の酸素ガスと窒素ガスの混合ガス（酸素ガス２０体積％、窒素８０体積％）を用いた発光装置１０を製造した。変形例３は、発光素子３０に深紫外光を放射する発光素子３０を用いたこと以外は実施例４と同様の製造部材及び製造方法である。

尚、本変形例の深紫外光を放射する発光素子３０のエージング時間は２４０時間である。

表２に、上述した変形例１〜３の発光装置１０の連続点灯の評価を示す。

尚、本変形例の光出力維持率は、連続点灯２４０時間後の発光装置１０の光出力の変異率である。

変形例１の発光装置１０は、連続点灯後において発光素子３０の出光面表面に変色はみられなかった。また、Ｖ−Ｉ特性、Ｖｆ、及びＶｒに異常を認められる値はみられなかった。また、光出力維持率は７６．０％であり、点灯開始時の光出力から出力減衰が確認された。

変形例２の発光装置１０は、連続点灯後において発光素子３０の出光面表面に灰色〜黒色の変色がみられ、炭素膜７０の堆積が確認された。また、Ｖ−Ｉ特性、Ｖｆ、及びＶｒに異常を認められる値はみられなかった。また、光出力維持率は５１．９％であり、点灯開始時の光出力から半分程度の出力減衰が確認された。

変形例３の発光装置１０は、１００時間連続点灯後において発光素子３０の出光面表面に変色はみられなかった。また、Ｖ−Ｉ特性、Ｖｆ、及びＶｒに異常を認められる値はみられなかった。また、光出力維持率は７９．８％であり、点灯開始時の光出力から約２割程度の出力減衰が確認された。しかし、この光出力維持率は、本変形例で用いた深紫外光を放射する発光素子３０の通常のエージング量の範囲である。

図６は、変形例１〜３の発光装置１０の連続点灯時の通電時間と光出力の経時変化を示すグラフである。

まず、変形例３においては、上記の実施例４と同様に、発光素子３０の出光面表面に炭素膜７０の堆積はみられなかった。すなわち、変形例３において、通電時間１２０時間程度までに見られる光出力の減衰は、発光素子３０のエージングによるものである。

変形例１は、変形例３と同様の挙動を示しているが、光出力維持率の減衰量が若干大きい。変形例１は、追揮発処理及びエキシマ光洗浄処理を実施している故、素子接合層５０内に含まれる残留フラックス量が少ないためである。それ故、変形例１では炭素膜７０の堆積量も少なくなり、光出力の減衰量も小さい。

変形例２は、追揮発処理及びエキシマ光洗浄処理を実施していない故、素子接合層５０内に含まれる残留フラックス量が多い。それ故、変形例２では炭素膜７０の堆積量も多くなり、光出力の減衰量も大きくなる。

変形例１〜３によれば、深紫外光を放射する発光素子３０を用いた発光装置１０においても、封止ガス種、残留フラックスの追揮発処理条件、エキシマ光洗浄条件及び封止ガス圧力を調整することにより、実施例１〜５と同様の効果を得ることが可能となる。

すなわち、深紫外光を放射する発光素子３０を用いた発光装置１０においても、エージング及び炭素膜形成工程（図２のステップＳ１８）時に炭素膜７０を堆積することで、初期の光出力に対して任意の光出力を有する発光装置１０を得ることが可能となる。

実施例１〜５及び変形例１〜３においては、キャビティを有する基板２０と平板状の窓部材４０を組み合わせて収容空間ＨＳを形成した発光装置１０について説明したが、発光装置１０の構成はこれに限定されない。

図７Ａ及び図７Ｂは、発光装置１０の他の封止構造の例を示す断面図である。上述の発光装置１０と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図７Ａは、平板状の基板２０ａと、発光素子３０の周囲を囲むように配された枠体８０と、発光素子３０を覆うように枠体８０によって保持されている窓部材４０ａで構成された発光装置１０Ａの断面図である。

側壁部材としての枠体８０は、例えば、コバール（Ｋｏｖａｒ：鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金）等の材料からなる。

また、枠体８０の上面（基板２０ａと向き合う面と逆の面、符号なし）には、窓部材４０ａが枠体８０に挿嵌されるように接合される接合部（符号なし）を有する。枠体８０と窓部材４０ａは、例えば、９００℃で枠体８０の接合部にガラスである窓部材４０ａを気密融着させて枠体付き窓部材として予め準備する。

枠体付き窓部材は、窓部材接合工程（図２のステップＳ１７）において、窓接合層６０によって基板枠縁層２９と共晶接合される。

換言すれば、図７Ａの発光装置１０Ａは、基板２０が板状であり、基板２０の１の面には、発光素子３０及び第１及び第２の配線２６及び２７と離間されかつ、発光素子３０及び第１及び第２の配線２６及び２７を取り囲む枠状の枠体８０が配されており、基板２０と枠体８０及び窓部材４０ａとによって収容空間ＨＳが形成されている。

図７Ａの発光装置１０Ａのような構成とすることで、平板状の基板２０ａを採用することが可能となる。これにより、素子接合工程（図２のステップＳ１３）及びフラックス追揮発工程（図２のステップＳ１５）において、発光装置１０のように素子接合層５０から揮発するフラックスが基板２０のキャビティ内に滞留せず、キャビティの側面２４等にフラックス残渣を付着しづらくすることが可能となる。また、基板２０ａが平板状である故、エキシマ光洗浄工程（図２のステップＳ１６）において、フラックス残渣の洗浄性を良好にすることが可能となる。それ故、発光装置１０Ａは、発光素子エージング及び炭素膜形成工程（図２のステップＳ１８）において、収容空間ＨＳ内の残留フラックス量の制御が容易となり、炭素膜７０の膜厚をより精密に制御することが可能となる。

図７Ｂは、平板状の基板２０ａと、下面にキャビティ構造を有する窓部材４０ｂで構成された発光装置１０Ｂの断面図である。

発光装置１０Ｂは、基板２０ａが平板状であること及び窓部材４０ｂがキャビティ構造を有する点を除いては、発光装置１０と同様の構成を有する。

窓部材４０ｂは、基板２０ａに対向する面にキャビティを有する。窓部材４０ｂのキャビティは、例えば、厚板のガラスをフッ化水素（ＨＦ）等でエッチングして形成される。また、窓部材４０ｂは、例えば、平板状のガラスと枠状のガラスを圧着溶接して形成される。

換言すれば、図７Ｂの発光装置１０Ｂは、窓部材４０の基板２０に対向する面は、凹部が形成されており、基板２０と窓部材４０の凹部とによって収容空間ＨＳが形成されている。

図７Ｂの発光装置１０Ｂのような構成とすることで、発光装置１０Ａと同様に、フラックス残渣の洗浄性及び炭素膜７０の膜厚制御を容易にすることが可能となる。

加えて、発光装置１０Ｂは、気密接合部を基板２０ａ及び窓部材４０ｂの１箇所にすることができる。それ故、発光装置１０Ｂは、収容空間ＨＳの気密性を向上することができ、収容空間ＨＳへの水分侵入を防ぎ信頼性の低下を防止することが可能となる。

また、本発明は、支持基板３０ａ、支持基板３０ａの上面上に形成された半導体層３０ｂ、支持基板３０ａの下面に形成された第１の電極、及び半導体層３０ｂの上面上に形成された第２の電極を備えた発光素子３０を例として説明したが、発光素子３０の構成はこれに限定されない。

例えば、発光素子３０は、半導体層３０ｂの結晶成長に用いられる成長基板を有していてもよい。この場合、例えば、発光素子３０は、成長基板、当該成長基板上に成長された半導体層３０ｂ、当該半導体層３０ｂ上に形成された第１の電極及び第２の電極を有する。また、この場合、発光素子３０は、成長基板が基板２０のキャビティの底面２３に接合される。また、第１及び第２の電極は、ボンディングワイヤを介して基板２０のキャビティの底面２３に設けられた第１及び第２の配線２６及び２７に接続される。

また、発光素子３０の他の構成として、発光素子３０は、透光性の支持基板３０ａ又は成長基板、当該支持基板３０ａ又は３０ｂの下面に配置された半導体層３０ｂ、当該半導体層３０ｂの下面に形成された第１の電極及び第２の電極を有した構成としてもよい。この場合、第１及び第２の電極は、素子接合層５０を介して第１及び第２の配線２６及び２７に接続される（フリップチップ実装ともいう）。

発光素子３０の構成においては、発光素子３０の上面である、発光素子３０における基板２０のキャビティの底面２３とは反対側の表面が、光取り出し面として機能すればよい。

また、上述した実施例における種々の数値、寸法、材料等は、例示に過ぎず、用途及び製造される発光装置に応じて、適宜選択することができる。

１０ 発光装置
２０ 基板
２５ 素子載置部
２６ 第１の配線
２７ 第２の配線
２９ 基板枠縁層
３０ 発光素子
４０ 窓部材
４１ 窓枠縁層
５０ 素子接合層
６０ 窓接合層
７０ 炭素膜
８０ 枠体

Claims (12)

1. 基板と、
   前記基板の１の面に配され、紫外光を放射する出光面を有し、前記出光面に炭化水素または炭素からなる物質を含む炭素層を有する発光素子と、
   前記紫外光を透過する材料からなりかつ前記発光素子の前記出光面と対向して配置され、前記基板と共に前記発光素子を収容して封止する収容空間を形成する収容部材と、
   を有することを特徴とする発光装置。
2. 前記基板の前記１の面には金属配線が形成されており、前記発光素子は前記金属配線に有機物のフラックスを含む揮発性ソルダーペーストを用いて接合されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記炭素層は、前記揮発性ソルダーペーストに含まれるフラックスが炭化することで形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の発光装置。
4. 前記炭素層は、グラファイト、アモルファスカーボン又はダイヤモンドライクカーボンの何れかを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の発光装置。
5. 前記収容空間には、窒素ガスが充填されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の発光装置。
6. 前記収容空間には、アルゴン、キセノン又はクリプトンガスが充填されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の発光装置。
7. 前記基板と前記収容部材とは、金属層によって接合されることで前記収容空間が気密態様で封止されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１に記載の発光装置。
8. 前記基板の前記１の面には、凹部が形成されており、前記凹部と前記収容部材とによって前記収容空間が形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１に記載の発光装置。
9. 前記収容部材の前記基板の前記１の面に対向する面には、凹部が形成されており、前記基板と前記収容部材の凹部とによって前記収容空間が形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１に記載の発光装置。
10. 前記基板は板状であり、前記基板の前記１の面には、前記発光素子及び前記金属配線と離間されかつ、前記発光素子及び前記金属配線を取り囲む枠状の側壁部材が配されており、前記基板と前記側壁部材及び前記収容部材とによって前記収容空間が形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１に記載の発光装置。
11. １の面に金属配線が形成されている基板の前記金属配線上に揮発性ソルダーペーストを塗布する工程と、
    前記金属配線上に塗布された揮発性ソルダーペースト上に、紫外光を放射する出光面を有する発光素子を載置する工程と、
    前記揮発性ソルダーペーストを加熱して前記金属配線と前記発光素子を接合する工程と、
    前記基板の前記１の面に前記紫外光を透過する透光部を有する収容部材を載置して、前記収容部材と前記基板とによって前記発光素子を封止する且つ収容空間を形成する工程と、
    前記発光素子に前記金属配線を介して通電を行い、前記発光素子の前記出光面に炭化水素または炭素からなる物質を含む炭素層を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする発光装置の製造方法。
12. 前記発光装置の製造方法は、前記揮発性ソルダーペーストが過熱された後に、前記揮発性ソルダーペーストに残留したフラックスを追揮発する工程と、
    前記基板及び前記発光素子の表面に付着した前記フラックスの残渣をエキシマ光で洗浄する工程と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の発光装置の製造方法。
    

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