JP2022020424A - 半導体発光装置 - Google Patents
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Abstract
Description
半導体発光素子と、
前記半導体発光素子が搭載されるとともに、環形状を有する基板金属層が固着された基板接合面を有する基板接合面を備えた基板と、
ガラスからなり、前記半導体発光素子の放射光を透過する窓部と、前記基板金属層に対応する大きさを有する環形状のフランジ金属層が固着されたフランジ接合面を有するフランジとを備え、前記半導体発光素子を収容する空間を有して前記基板に封止接合された透光キャップと、を有し、
前記フランジ金属層は、前記フランジに固着され、前記フランジとの線熱膨張係数差が1 ×10-6・K-1以内の第1の金属層と、前記第1の金属層上に形成された第2の金属層とからなる。
[第1の実施形態]
図1Aは、本発明の第1の実施形態による半導体発光装置10の上面を模式的に示す平面図である。図1Bは、半導体発光装置10の側面を模式的に示す図である。図1Cは、半導体発光装置10の裏面を模式的に示す平面図である。図1Dは、半導体発光装置10の内部構造を模式的に示す図である。図1Eは、透光キャップ13の1/4部分を模式的に示す斜視図である。
例えば、成長基板が導電性の場合においては、成長基板の裏面(半導体構造層の反対の面)にカソード電極を備え(図示せず)、半導体構造層の上面にアノード電極(ボンディングワイヤ接続用のパッド電極)を備える。当該発光素子は、カソード電極を第1配線電極14A上に金属接合層15Aを介して接合され、パッド電極と第2配線電極14Bはボンディングワイヤ18Cを介して電気的に接続される。
(透光キャップ13及びフランジ部13B)
まず、図1A、図1B及び図1Eに示すように、透光キャップ13は、半円球状の窓部であるドーム部13Aと、ドーム部13Aの底部(端部)から延在するフランジ部13Bとからなる。フランジ部13Bは円柱状の外形を有している。より詳細には、フランジ部13Bの底面はドーム部13Aの中心と同心の円環形状(中心:C)を有している。すなわち、フランジ部13Bの外縁(外周)は、フランジ部13Bの内縁(内周)と同心である。
(フランジ金属層21)
また、上記したように、フランジ部13Bの底面にはフランジ金属層21が固着されている。フランジ金属層21は低熱膨張金属/Ni/Au層(Au層が最表面層)として形成されている。凸部13C及びフランジ金属層21によって、フランジ部13Bの底面に沿って、表面が金属で被覆された円環状の凸部である押圧環21Aが形成されている。
なお、以下において、低熱膨張金属層21Kと平坦底面に溶着される低熱膨張金属層21KCとを特に区別しない場合には、低熱膨張金属層21Kとして説明する。
(基板金属層12)
図1A及び図1Dに示すように、基板11上には、円環形状を有する金属環体である基板金属層12が固着され、基板接合面が形成されている。より詳細には、基板金属層12が固着されている基板11の接合領域は平坦であり、基板金属層12は、フランジ部13Bの底面に対応する形状(すなわち、円環形状)及び大きさを有している。あるいは、基板金属層12は、フランジ部13Bの底面のフランジ金属層21の全体を包含する大きさを有している。
[発光装置10の製造方法]
以下に、発光装置10の製造方法について、詳細かつ具体的に説明する。
(素子接合工程)
まず、基板11の第1配線電極14A上に、素子接合のための揮発性ソルダーペーストはんだを塗布する。揮発性ソルダーペーストとしては、融点付近に沸点を有するフラックスと金錫合金(Au-Sn)の微粒子からなる揮発性ソルダーペーストはんだを用いた。金錫合金の組成は、溶融温度が約300℃となるAu-Sn:22wt%のものを用いた。これは、キャップ接合層22(Au-Sn:20wt%)より溶融温度を高くし、キャップ接合工程中に発光素子15を接合している金属接合層15Aが再溶融して、発光素子15が脱落することを防ぐ。粒子サイズは、数nm~数十μmである。フラックスは、例えば、発光素子15の光(365nm)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、界面活性剤等からなる有機物である。
(キャップ接合工程)
素子接合工程後の基板11と、透光キャップ13とをキャップ接合装置にセットする。次に、基板11及び透光キャップ13の雰囲気を真空状態にし、温度275℃で15分加熱処理(アニール処理)する。
[基板11及びフランジ部13Bの接合部]
上記した基板11及びフランジ部13Bの接合によって、図4Aに示すように、押圧環21Aが溶融したAuSnを押し広げた円環状の領域が狭窄接合領域JNを形成する。また、押圧環21Aの内側及び外側、すなわち狭窄接合領域JNの内側及び外側に、上面視において(フランジ部13Bに垂直な方向(z方向)から視たとき)、それぞれ円環状の内側接合領域JIと外側接合領域JOが形成される。
[第2の実施形態]
図5は、本発明の第2の実施形態による半導体発光装置30における、基板11及びフランジ部13Bの接合部を拡大して示す部分拡大断面図である。
(フランジ金属層21)
フランジ部13Bの底面は円環形状を有し、フランジ部13Bの底面にはフランジ金属層21が固着されている。フランジ金属層21は、低熱膨張金属層21K及び金属層21Mから構成されている(金属層21Mが最表面)。より具体的には、フランジ金属層21は、コバール(登録商標)/Cu層からなる。
(基板金属層12)
再度、図1A及び図1Dを参照すると、基板11上には、円環形状を有する金属環体である基板金属層12が固着され、基板接合面が形成されている。基板金属層12は、フランジ部13Bの底面に対応する形状(すなわち、円環形状)及び大きさを有している。あるいは、基板金属層12は、フランジ部13Bの底面のフランジ金属層21の全体を包含する形状及び大きさを有していてもよい。
(接合層22及び接合方法)
本実施形態の接合層22は、銅ナノ粒子によって形成されている。図6A及び図6Bを参照してフランジ金属層21と基板金属層12との接合方法について説明する。
(ナノサイズ金属粒子の接合層22)
接合層22のナノサイズ金属粒子は、銅ナノ粒子に限らず、他の金属、例えば金(Au)又は銀(Ag)等であっても良い。フランジ金属層21及び基板金属層12の最表面層(金属層12M)を金(Au)層とする場合には、当該最表面金属層と同一金属のナノサイズ金属粒子である金ナノ粒子を用いる。
[第2の実施形態の改変例]
図8Aは第2の実施形態の改変例であり、例えば高周波加熱装置を用いて金属ナノ粒子接合層22及び基板金属層12を加熱して、金属ナノ粒子を焼結し、気密性のキャップ接合層を形成する場合を模式的に示している(図中RFは高周波加熱装置の誘導コイルである)。図8Bは、半導体発光装置30の内部構造及び基板11の上面を模式的に示す上面図である。
[第3の実施形態]
図9Aは、本発明の第3の実施形態による半導体発光装置50の断面を模式的に示す断面図である。半導体発光装置50は上記した実施形態の半導体発光装置10,30とは異なり、透光キャップ13は円盤状の平板である。図9Bは、基板11と透光キャップ13とが接合された部分Wを拡大して示す部分拡大断面図である。
[さらなる実施形態]
上記した実施形態においては、フランジ部13Bの接合面であるフランジ金属層21が円環形状を有する場合について説明したが、これに限らない。例えば、フランジ金属層21が矩形形状、又はn角形(nは3以上の整数)の多角形状を有し、基板金属層12がフランジ金属層21に対応する形状及び大きさを有して接合されるように構成されていてもよい。
11 基板
11A 枠
11G 溝
12 基板金属層
12K:低熱膨張金属層(第3の金属層)
12M:金属層(第4の金属層)
13 透光キャップ
13A 窓部
13B フランジ部
13C,13D 凸部
14,14A,14B 配線電極
15 半導体発光素子
21 フランジ金属層
21A 押圧環
21K、21KC:低熱膨張金属層(第1の金属層)
21M:金属層(第2の金属層)
24:接合部
GA,GB 間隙
JI 内側接合領域
JN 狭窄接合領域
JO 外側接合領域
RC 凹部
Claims (13)
- 半導体発光素子と、
前記半導体発光素子が搭載されるとともに、環形状を有する基板金属層が固着された基板接合面を有する基板接合面を備えた基板と、
ガラスからなり、前記半導体発光素子の放射光を透過する窓部と、前記基板金属層に対応する大きさを有する環形状のフランジ金属層が固着されたフランジ接合面を有するフランジとを備え、前記半導体発光素子を収容する空間を有して前記基板に封止接合された透光キャップと、を有し、
前記フランジ金属層は、前記フランジに固着され、前記フランジとの線熱膨張係数差が1 ×10-6・K-1以内の第1の金属層と、前記第1の金属層上に形成された第2の金属層とからなる、半導体発光装置。 - 前記フランジ金属層の最表面層は金(Au)層、銀(Ag)層及び銅(Cu)層のいずれかであり、
前記基板金属層の最表面層は前記フランジ金属層の前記最表面層と同一金属の金属層であり、
前記フランジ金属層及び前記基板金属層は、前記同一金属のナノサイズ金属粒子の接合層によって接合されている、請求項1に記載の半導体発光装置。 - 前記第1の金属層は、ニッケル/コバルト/鉄(Ni-Co-Fe)系の金属からなる請求項1又は2に記載の半導体発光装置。
- 前記透光キャップは、石英ガラス、ホウ珪酸ガラス又は珪酸塩ガラスからなる、請求項1ないし3のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
- 前記基板金属層は前記基板上に形成されたニッケル/コバルト/鉄(Ni-Co-Fe)系の第3の金属層と、前記第3の金属層上に形成された第4の金属層とからなる、請求項1ないし4のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
- 前記基板金属層は前記基板に固着され、前記フランジ金属層の前記最表面層と同一金属の金属層である、請求項1ないし5のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
- 前記フランジ接合面は円環形状を有し、平坦部と前記平坦部から突出し前記フランジ接合面の当該円環と同心の円環状凸部である押圧環を有する、請求項1ないし6のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
- 前記フランジは平坦底面を有し、前記フランジ金属層の前記第1の金属層は、前記平坦底面上に溶着され、前記平坦底面から突出し当該円環と同心の円環状凸部である押圧環を有する、請求項7に記載の半導体発光装置。
- 前記基板は、前記基板及び前記フランジの接合部と、前記半導体発光素子が接合された搭載部と、の間に形成された環形状の溝を有する、請求項1ないし8のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
- 前記基板は外周部に立設された枠を有し、前記半導体発光素子を収容する前記空間は、前記枠によって画定され、前記透光キャップの前記フランジは前記枠の頂面に接合されている、請求項1ないし9のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
- 前記透光キャップは平板形状を有する、請求項1ないし10のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
- 前記半導体発光素子は窒化アルミ系の発光素子である、請求項1ないし11のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
- 前記半導体発光素子は、波長265~415nmの紫外光を発光する発光素子である、請求項12に記載の半導体発光装置。
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