JP4961887B2 - 固体素子デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、固体素子をガラス材料で封止した固体素子デバイスに関し、特に、熱応力による電極剥離が生ぜず、光取出し効率が良好で電極形成の自由度に優れる固体素子デバイスに関する。
従来、光源としてフリップチップ型の発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）素子（以下、ＬＥＤ素子という。）を基板やリードに実装した発光装置が知られている。
近年、ＬＥＤ素子を光源とする発光装置は、環境性、安全性に優れることから需要が高まりつつあり、特に白色照明用途において蛍光体に代わるものとして、より高輝度で大出力型の発光装置が望まれている。しかしながら、大出力化によってＬＥＤ素子の発熱量が増大し、そのことによる発光効率の低下が生じて輝度の向上に限界がある。
このようなＬＥＤ素子の発熱による信頼性低下を図るものとして、ＬＥＤ素子に設けるＡｕからなるバンプ電極がＬＥＤ素子の平断面積の３０％以上となるサイズを有するように形成し、サブマウント素子に実装した複合発光素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載された複合発光素子によれば、ＬＥＤ素子の平断面積に対してバンプ電球の面積を大にすることにより放熱性の向上、および増加させた電流に応じた輝度を得ることが可能になるとしている。
特開２００３−２１８４０３号公報
しかし、特許文献１に記載された複合発光素子によると、ワイヤーボンディングやスタッドバンプ制約により、Ａｕからなるバンプ電極の面積を大にしているため、ガラス封止のような高温加工を行う場合、ＬＥＤ素子やコンタクト電極に対し熱膨張率の大なるＡｕバンプ電極が熱膨張してＬＥＤ素子との剥離が生じる場合があり、信頼性が低下する。また、発光層への均一な電流分布の通電に影響が生じ、均一発光パターンとできなかった。また、ＬＥＤ素子から発せられる光がバンプ電極や素子搭載基板で反射することによる金属反射吸収損失が大になることにより、光取出し効率の向上に限界があるという問題がある。さらに、電流密度が大なる箇所から破壊が生じるので、発光層への電流密度が不均一な構造であれば信頼性を保てる通電電流値が低い値に留まるという問題がある。
従って、本発明の目的は、熱応力による電極の剥離が生ぜず、光取出し効率が良好で電極形成の自由度に優れる固体素子デバイスを提供することにある。
本発明は、上記の目的を達成するため、
III族窒化物系化合物半導体からなり、該III族窒化物系化合物半導体とコンタクトする側と反対側の表面が粗面状の透明導電性酸化物材料のコンタクト電極と前記コンタクト電極より小なるサイズのパット電極とを有する発光素子と、
前記発光素子がフリップチップ実装される素子搭載基板と、
前記発光素子を封止する無機封止材料からなる無機封止部と、
前記発光素子の前記コンタクト電極の前記素子搭載基板側に形成され、前記コンタクト電極及び前記無機封止部より小さい屈折率を有し、前記コンタクト電極と界面を形成する第一面を有した小屈折率膜と、
前記小屈折率膜と前記素子搭載基板との間に形成され、前記小屈折率膜の第二面と界面を形成する気体層と、
を有し、
前記無機封止部は、前記気体層を残すようにして前記発光素子と前記素子搭載基板の間にまわり込んでいることを特徴とする発光素子デバイスが提供される。
また、上記固体素子デバイスにおいて、
前記小屈折率膜は、誘電体層を含むことが好ましい。
また、上記固体素子デバイスにおいて、
前記小屈折率膜は、ＳｉＯ２を含むことが好ましい。
また、上記固体素子デバイスにおいて、
前記誘電体層は、前記固体素子が発する光を散乱反射する材料を含むことが好ましい。
また、上記固体素子デバイスにおいて、
前記コンタクト電極は、前記無機封止部と非接触であることが好ましい。
また、上記固体素子デバイスにおいて、
前記素子搭載基板は、前記回路パターンに前記素子搭載基板と前記固体素子の間への前記無機封止材料の進入を抑制するための突出部が形成されることが好ましい。
また、上記固体素子デバイスにおいて、
前記コンタクト電極は、前記固体素子の成長基板と同等の熱膨張率を有することが好ましい。
また、上記固体素子デバイスにおいて、
前記透明導電性材料は、酸化物であることが好ましい。
また、上記固体素子デバイスにおいて、
前記固体素子の実装面と、前記素子搭載基板の素子実装面との距離が１５μｍ以下であることが好ましい。
また、上記固体素子デバイスにおいて、透明導電性材料は、例えば、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)を用いることができる。固体素子は、線状に形成された第１および第２の電極を略矩形状の発光領域を介して対向配置したもの、あるいは略矩形状に設けられる発光領域の中央に設けられる第１の電極と、発光領域の周辺に設けられる第２の電極とを有するものであっても良い。また、無機封止部は、ＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet)等の蛍光体を含んでいても良い。
本発明によれば、熱応力による電極の剥離が生ぜず、光取出し効率が良好で電極形成の自由度を向上させることができる。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る固体素子デバイスを示す縦断面図である。
（固体素子デバイス１の構成）
この固体素子デバイス１は、固体素子としてIII族窒化物系化合物半導体からなるフリップチップ型のＬＥＤ素子２と、ＬＥＤ素子２を搭載するとともに外部から供給される電力を導電部を介してＬＥＤ素子２に供給する電力受供給部としての素子搭載基板３と、ＬＥＤ素子２の搭載された素子搭載基板３を封止する無機封止部としてのガラス封止部４とを有し、ＬＥＤ素子２と素子搭載基板３との間の中空部には空気層５が形成されている。気体層としての空気層５は、ＬＥＤ素子２と素子搭載基板３の間の接合部を除くほぼ全ての領域に形成される。尚、気体層の気体は任意であり、空気、窒素、アルゴン等が例示される。
ＬＥＤ素子２は、フリップチップ型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなり、発光波長が４６０〜４７０ｎｍの青色光を放射する。このＬＥＤ素子２は、下地基板となるサファイア基板２０上に順次ＡｌＮバッファ層２１と、ｎ−ＧａＮ層２２と、ＭＱＷ層２３と、ｐ−ＧａＮ層２４と、を積層することによって形成されている。ｐ−ＧａＮ層２４上には、ｐ側電極２６のコンタクト層２５が形成される。そして、コンタクト層２５上にはＡｕからなるｐ側電極２６のパッド電極２６Ａが形成されている。また、ｐ−ＧａＮ層２４からｎ−ＧａＮ層２２にかけてエッチングによって除去することにより露出させたｎ−ＧａＮ層２２にはｎ側電極２７が設けられている。ｎ側電極２７は、同一エリアにコンタクト層とパッド層とが形成されている。本実施の形態のＬＥＤ素子２は３４０μｍ角で形成されており、熱膨張率は７×１０−６／℃である。なお、同図においては各層の構成を明確にするために実寸と異なるサイズで各部を示している。
ＭＱＷ層２３は、ＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮバリア層とを交互に６ペア積層させることによって形成されている。
コンタクト層２５は、ＬＥＤ素子２の熱膨張率と略同等の７×１０−６／℃を有し、屈折率ｎ＝２．０のＩＴＯ(Indium Tin Oxide)で構成されている。このコンタクト層２５の空気層５側は粗面状に形成されている。尚、ＬＥＤ素子２のＧａＮ層の熱膨張率は５×１０−６／℃であるが、大部分を占めるサファイア基板２０の熱膨張率が７×１０−６／℃であるため、ＬＥＤ素子２本体の熱膨張率はサファイア基板２０の熱膨張率と同等となっている。
ｎ側電極２７は、Ａｌ層２７０と、このＡｌ層２７０を覆う薄膜状のＮｉ層２７１と、Ｎｉ層２７１の表面を覆うＡｕ層２７２によって形成されている。
素子搭載基板３は、Ａｌ２Ｏ３の多結晶焼結材料からなり、その熱膨張率はＬＥＤ素子２の熱膨張率と略同等の７×１０−６／℃で構成されている。また、基板表面にはＬＥＤ素子２の電極形状に応じてパターン形成されたＮｉ層３０と、Ｎｉ層３０の表面を覆う薄膜状のＡｕ層３１からなる回路パターン３２を有している。回路パターン３２におけるＮｉ層３０とＡｕ層３１の厚さは８μｍである。回路パターン３２はビアホール３３に設けられるビアパターン３４を介して素子搭載基板３の底面に設けられる外部配線パターン３５に電気的に接続されている。なお、同等の熱膨張率を有するものであれば他の材料で形成された基板を用いても良い。
ガラス封止部４は、無機封止材料として無色透明なＺｎＯ系ガラスをホットプレス加工することにより、ＬＥＤ素子２が搭載された素子搭載基板３を封止している。本実施形態においては、ガラス封止部４は熱融着ガラスであり、屈折率が１．７、熱膨張率が素子搭載基板３と略同等でやや低い６×１０−６／℃、ガラス転移点（Ｔｇ）が４８０℃となっている。ここで、熱融着ガラスとは加熱により溶融状態又は軟化状態として成形したガラスであり、ゾルゲル法により成形されるガラスと異なる。ゾルゲルガラスでは成形時の体積変化が大きいのでクラックが生じやすくガラスによる厚膜を形成することが困難であるところ、熱融着ガラスはこの問題点を回避することができる。また、ゾルゲルガラスでは細孔を生じるので気密性を損なうことがあるが、熱融着ガラスはこの問題点を生じることもなく、ＬＥＤ素子２の封止を的確に行うことができる。
図２は、ＬＥＤ素子を示し、（ａ）は電極形成面を示す底面図、（ｂ）は実装状態を示す平面図である。なお、（ｂ）のガラス封止部については説明を容易にするため一部図示としている。
ｐ側電極２６のコンタクト層２５は、図２（ａ）に示すようにｐ−ＧａＮ層２４の表面に矩形状に形成されており、その一辺に沿って幅１０μｍのｐ側電極２６が設けられている。コンタクト層２５は、ＬＥＤ素子２と素子搭載基板３との間において、ガラスと非接触である。ｐ側電極２６は回路パターン３２と電気的に接合するためのパッド電極２６Ａを有している。また、ｎ側電極２７は、露出したｎ−ＧａＮ層２２の表面を広く覆うように矩形状に形成されている。図２（ａ）に示すように、ｐ側電極２６及びｎ側電極２７は、線状に形成され、略矩形状の発光領域を介して対向配置されている。
このように形成されたＬＥＤ素子２は、図２（ｂ）に示すように電極形成面を基板側に向けてフリップ実装されることにより、パッド電極２６Ａがｐ側の回路パターン３２に電気的に面接続し、ｎ側電極２７がｎ側の回路パターンに電気的に面接続されている。この際、Ａｕバンプは用いず、実装されたＬＥＤ素子２の底面と素子搭載基板３の上面との隙間は１０μｍ以下となっている。
（固体素子デバイス１の製造方法）
以下、第１の実施の形態の固体素子デバイス１の製造方法について説明する。素子搭載基板３については、予め回路パターン３２、ビアパターン３４、および外部配線パターン３５が形成されたウエハー状ものを用いるものとする。
まず、素子搭載基板３上の回路パターン３２に対し、ＬＥＤ素子２のパッド電極２６Ａおよびｎ側電極２７が所定の位置に配置されるように位置決めを行う。次に、ＬＥＤ素子２を素子搭載基板３上に超音波併用熱圧着により実装する。次に、板状のＺｎＯ系ガラスを素子搭載基板３と平行になるようにＬＥＤ素子２上に配置し、基板側およびガラス側の両側に図示しない一対の金型を配置して６００℃で加熱しながら圧着させることでホットプレス加工を行うことにより、ガラスを素子搭載基板３に熱圧着させてガラス封止部４を形成する。ここで、ホットプレス加工は、空気、窒素、アルゴン等のような各材料に対して不活性な雰囲気中で行われ、圧着力は約１００ｋｇ重である。次に、ガラス封止部４を一体化された素子搭載基板３に対して図示しないダイサーで所定のサイズに切断する。
図３は、ＬＥＤ素子の基板側に放射される光の挙動について示す図であり、（ａ）は第１の実施の形態のガラス封止構造によるＬＥＤ素子と素子搭載基板との間が中空である場合の光の挙動、（ｂ）は封止樹脂、封止ガラス等の封止材料がＬＥＤ素子と素子搭載基板との間に充填された構成における光の挙動を示す。
図３（ａ）に示すように、第１の実施の形態によるガラス封止では、粘度の大なるガラスをホットプレス加工して封止することで、ｐ側電極２６とｎ側電極２７との間に空気層５が設けられることより、コンタクト層２５と空気層５との屈折率差による界面反射によって素子搭載基板３に達する光が少なくなる。本実施形態においては、ガラスの粘度が大きいことに加え、ＬＥＤ素子２の実装面と素子搭載基板３の素子実装面とを１０μｍ以下で略同一面化するようにＬＥＤ素子２を素子搭載基板３へ実装していることから、ＬＥＤ素子２と素子搭載基板３との間へガラスがよりまわり込み難くなっている。この界面反射による光は粗面状の界面に応じた方向へ反射する。
一方、図３（ｂ）に示すように封止材料がコンタクト層２５と素子搭載基板３との間に封止材料が介在するものでは、封止材料の屈折率によって素子搭載基板３の表面まで光が達する。例えば、封止材料としてｎ＝１．５のシリコーンが介在していると、素子搭載基板３の表面の回路パターン３２に達した光の反射吸収損失や、素子搭載基板３における回路パターン３２の形成部位以外に達した光の漏れ光により損失が生じる。また、例えば、封止材料としてｎ＝１．７のＺｎＯ系ガラスが介在していると、ｎ＝２．０のＩＴＯからｎ＝１．０の中空部分でなくｎ＝１．７のガラスへの入射となり、中空部分にあっては臨界角及び開口角の立体角が３０°及び０．４２stradであったのに対し、ガラスでは５８°及び１．４７stradとなり、素子搭載基板３へ光が達する割合が増大する。そして、青色光に対して反射率が約４０％の回路パターン３２のＡｕ層３１に達すると反射吸収損失を生じ、回路パターン３２の形成部位以外に達すると、Ａｌ２Ｏ３の光透過性に起因して底面側への漏れ光による損失が生じる。
（第１の実施の形態の効果）
上記した第１の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
（１）低融点ガラスとして板状のＺｎＯ系ガラスを素子搭載基板３に平行となるようにセットし、高粘度状態でホットプレス加工することで、結晶成長温度に対し充分に低い加工が可能になり、封止加工性が向上する。また、低融点ガラスが素子搭載基板３の表面に平行移動して面状に密着してガラス封止部４を形成する際に、素子搭載基板３との間に空気層５が設けられることから、コンタクト層２５との界面に達した光を空気層５との屈折率差に基づいて反射する作用が大になり、素子搭載基板３に達することによる反射吸収損失を低減できる。
ここで、高粘度状態とはいえ、ホットプレス加工によるガラスへの加圧により、通常行われる直径１００μｍ、高さ２５μｍ程度のバンプボンディングによるフリップ実装では、中空部が生じるもののコンタクト層２５の部位まで低融点ガラスがＬＥＤ素子２の底面へ進入する。しかし、バンプボンディングを省いてＬＥＤ素子２の実装面と素子搭載基板３の素子実装面とを近接させ略同一面化することができることから、ガラス封止時にＬＥＤ素子２の底面におけるコンタクト層２５の部位まで低融点ガラスが進入せずに広い空気層５を形成することができる。
（２）ＧａＮ系半導体層と同等の熱膨張率を有するＩＴＯをコンタクト層２５として用いるので、ガラス封止時の熱や発光に伴う熱応力によってコンタクト層２５とＧａＮ系半導体層とが剥離することなく、長期にわたって安定した発光特性を付与でき、かつ信頼性に優れる。コンタクト層２５を構成するＩＴＯの表面２５Ａは粗面化しているので、空気層５との界面に達した光の散乱性が良好であり、素子搭載基板３側への出射を抑えながらサファイア基板２０側への光取出し性向上を図ることができる。
（３）ＬＥＤ素子２のパッド電極２６Ａおよびｎ側電極２７の実装面が回路パターン３２に対して略同一面化するように実装され、かつ、ガラス封止加工は１０４ポアズ以上の高粘度状態で行われるので、ＬＥＤ素子２と回路パターン３２の間へのガラス回り込みを防いで空気層５の安定した形成を図ることができる。本実施形態においては、ＬＥＤ素子２の実装面が回路パターン３２に対して１０μｍ以下の間隔で略同一面化するよう実装され、Ａｕスタッドバンプを用いずに実装されている。
（４）ｐ側電極２６について、コンタクト層２５に小型のパッド電極２６Ａを設けているので、発光エリアに対して光取出し可能な面積を大にでき、ＭＱＷ層２３で生じた光の光取出し性を向上させることができる。本実施形態においては、ＬＥＤ素子２の発光領域としてのＭＱＷ層２３に対応した位置に形成されるコンタクト層２５に、小型のパッド電極２６Ａがｎ側電極２７と反対側にコンタクト層２５の外縁に沿って線状に形成されているので、電流の均一拡散を図ることができる。また、ＬＥＤ素子２、素子搭載基板３、ガラス封止部４の熱膨張率は同等で、かつ、ガラス封止部４の熱膨張率は７×１０−６／℃と小さい。さらに、ガラス封止される高温で応力フリーとなり。常温ではＬＥＤ素子２に小さな圧縮応力がかかる状態となるので、熱膨張による剥離が生じにくい構成であるため、樹脂封止の際に必要なＬＥＤ素子２の接合強度は必ずしも必要でなく、Ａｕスタッドバンプを設けずにＬＥＤ素子２の実装面と素子搭載基板３の素子実装面とを近接させたり、パッド電極２６Ａのサイズをより小型としたり、ｐ側電極２６を細線状に形成することでも信頼性を保つことができ、より大きな効果を得ることができる。
（５）素子搭載基板３とガラス封止部４とが酸化物を介した化学結合に基づいて接着することにより強固な封着強度が得られる。そのため、接合面積が小さい小形パッケージであってもガラス封止を具現化できる。
（６）ガラス封止部４と素子搭載基板３とは熱膨張率が同等であるため、高温で接着された後、常温あるいは低温状態としても内部応力が小であり、剥離、クラック等の接着不良が生じにくい。しかも、ガラスは引っ張り応力にはクラックが生じ易いが、圧縮応力にはクラックは生じにくい。また、ガラス、セラミック基板とも種々の熱膨張率の組み合わせで接着性の実験を行ったところ、熱膨張率が高い方の部材に対する低い方の部材の熱膨張率の比が０．８５以上ではクラックを生じることなく接着できることを確認した。部材の剛性やサイズ等にも依存するが、熱膨張率が同等というのは、この程度の範囲を示す。
（７）ＬＥＤ素子２をフリップ実装とすることで、ガラス封止を具現化するにあたっての問題点を克服するとともに０．５ｍｍ角といった超小型の固体素子デバイス１を具現化できるという効果もある。これは、ワイヤのボンディングスペースが不要で、かつ、熱膨張率部材が同等のガラス封止部４と素子搭載基板３とが選択されるとともに、化学結合に基づく強固な接着によって、わずかなスペースでの接着でも界面剥離が生じないことによる。
（８）素子搭載基板３の回路パターン３２は、ビアホール３３にて裏面に引き出されるため、ガラスが不必要な箇所へ入り込むことや、電気端子が覆われること等への特別な対策を要することなく、製造工程を簡略化できる。また、板状の低融点ガラスを複数デバイスに対して一括封止加工できるので、ダイサーカットに基づいて複数の固体素子デバイス１を容易に量産することができる。なお、低融点ガラスは高粘度状態で加工されるため、樹脂のように充分な対策をとる必要はなく、ビアホール３３によらなくても外部端子が裏面に引き出されていれば充分に量産対応可能である。
なお、第１の実施の形態では、ガラス封止部４は無色透明なガラスからなるものとして説明したが、色付きの透明ガラスであっても良い。また、燒結した蛍光体と粉末状のガラスを混合して溶融させることにより形成された蛍光体含有ガラスや、粉末状のガラスと蛍光体とをバインダとともに混合して板状の透明ガラスにスクリーン印刷し、その上に他の透明ガラスを重ねて熱処理することによって蛍光体層が設けられたガラスを用いて形成されたガラス封止部４を有する波長変換型の固体素子デバイス１であっても良い。例えば、Ｃｅ：ＹＡＧを蛍光体として用いることにより、青色光と黄色光の補色に基づく白色光を放射する固体素子デバイス１が得られる。また、ＬＥＤ素子２から放射される青色光によって励起可能な他の蛍光体を用いた波長変換型の固体素子デバイス１としても良い。
また、コンタクト層２５の材質はＩＴＯに限定されず、Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２（９０−１０ｗｔ％）、ＡＺＯ[ＺｎＯ：Ａｌ]−ＩＺＯ[Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ]（９０−１０ｗｔ％）等の導電性酸化材料でも同様の作用効果を得ることができる。
さらに、コンタクト電極としてのコンタクト層２５をＲｈ電極としてもよい。Ｒｈ電極とすると、光透過性がないことから素子搭載基板３での光損失の向上効果はないものの、電極剥離に対する効果はある。Ｒｈは熱膨張率８×１０−６／℃であり、ＩＴＯと略同等の熱膨張率であるが、テープによる電極の剥がし試験ではＩＴＯ電極と比較して接合強度が小さく、さらにＡｕパッド電極による熱膨張収縮によって剥離が生じやすい。この対策として、電極での熱応力を軽減するため、Ａｕパッド電極をＲｈ電極全体でなく、素子搭載基板３との接合箇所のみに形成し、さらに、素子搭載基板３からの熱応力も軽減するため、ＬＥＤ素子２と素子搭載基板３の熱膨張率を略同一とし、これらに加え、ガラスがＲｈ電極と接しないようにすることでガラスによる電極への応力をなくし、この結果、安定に電極剥離が生じないものとできる。ここで、ＩＴＯ電極では素子搭載基板３として熱膨張率をＬＥＤ素子２の１．８倍としたものや、ガラスがＩＴＯ電極に接するものでも、電極剥離は観察されていないが、Ｒｈ電極では剥離の発生率や程度への影響が生じることがサンプルによる実験にて観察されている。
なお、Ａｕ−Ｃｏが光を透過する程度の薄膜（例えば、２００ｎｍ厚）とした薄膜Ａｕ−Ｃｏ電極は、ＬＥＤ素子２の２倍程度の熱膨張率である。この場合、ガラスがＡｕ−Ｃｏ電極に接していないものでは電極剥離は観察されていない。一方、通常のＡｕバンプボンディングにより、ＬＥＤ素子２の実装面と素子搭載基板３との隙間が３０μｍ程度あり、ガラスがＡｕ−Ｃｏ電極の端部から５０μｍ程度進入して、ガラスとＡｕ−Ｃｏ電極と接しているものでは、ガラスが進入した箇所の剥離は全てのサンプルで生じていなかったが、ガラスが進入していない箇所での剥離が全てのサンプルで確認された。つまり、ガラスがコンタクト電極に接しないものとすれば、ガラスのコンタクト電極への応力をなくすことができるため、ＬＥＤ素子２とコンタクト電極の熱膨張率比が大きいものでも、コンタクト電極の剥離を防止することができる。また、ＬＥＤ素子２とコンタクト電極の熱膨張率比が同等のものでは、より安定にコンタクト電極の剥離が生じず、より信頼性の高いものとできる。
（第２の実施の形態）
図４は、第２の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示し、（ａ）は電極形成面を示す底面図、（ｂ）はＬＥＤ素子の縦断面図である。なお、以下の説明において、第１の実施の形態と同一又は同様の機能を有する部分に同一の符号を付している。
（ＬＥＤ素子２の構成）
このＬＥＤ素子２は、第１の実施の形態のＬＥＤ素子２で説明したものと同様の電極構造を有し、素子サイズを２５０μｍ角で形成するとともにコンタクト層２５およびｎ−ＧａＮ層２２の表面にＳｉＯ２（屈折率ｎ＝１．４）からなるパッシベーション膜４０を設けた構成を有する。
（第２の実施の形態の効果）
上記した第２の実施の形態によると、第１の実施の形態の好ましい効果に加えて素子サイズが小型化しても発光面積を著しく低下させることがない。また、素子サイズに対しコンタクト層２５の割合を広く確保できるので、電流密度の均一化が図れ、発光むらの少ないＬＥＤ素子２とできる。また、パッシベーション膜４０を設けることで、ＩＴＯとＳｉＯ２の屈折率差による界面反射、ＳｉＯ２と気体層としての空気層（図示せず）との屈折率差による界面反射によって、素子搭載基板３側への光出射を抑えることができる。尚、ガラス封止のＬＥＤ素子２においては、水分によるＬＥＤ素子２の腐食対策が不要であることから、パッシベーション膜４０は主として光学的な目的で設けられている。ここで、光学膜のＳｉＯ２層は透明膜に限らず、多結晶化した状態の白色の散乱反射膜であってもよい。また、光学膜は、ＳｉＯ２に限らず、他の誘電体材料からなるものであってもよい。ここで、金属では熱膨張率が大きいものであることに加え、正反射率が高いため、凹凸表面に膜形成する多重反射によって光吸収が大きくなるので、光学膜には適していない。
（第３の実施の形態）
図５は、第３の実施の形態に係る固体素子デバイスを示す縦断面図であり、図６は固体素子デバイスに搭載されるＬＥＤ素子の電極形成面を示す底面図である。
（発光装置１の構成）
この固体素子デバイス１は、第２の実施の形態で説明したパッシベーション膜４０によってコンタクト層２５を覆われたＬＥＤ素子２をガラス封止した構成を有し、ＬＥＤ素子２のｎ側電極は素子中央部に設けられている。また、コンタクト層２５にＮｉ層２６Ｂを介して電気的に接続されるパッド電極２６Ａは、発光エリアの外側に小サイズで設けられている。
パッド電極２６Ａは、図６に示すように、ＬＥＤ素子２の角部近傍に配置され、パッシベーション膜４０から一部が露出した構成を有する。また、ＬＥＤ素子２の中央に配置されたｎ側電極２７は、素子外周部に配置されたパッド電極２６Ａと同じ高さの接合面を形成するように形成されている。
（第３の実施の形態の効果）
上記した第３の実施の形態によると、第２の実施の形態の好ましい効果に加えてｎ側電極２７を素子中央部に配置したことにより、同一サイズのＬＥＤ素子において、第１および第２の実施の形態と比較し、ｐ−ｎ電極間を短くできる。あるいは、相似比２倍のサイズのＬＥＤ素子２としても、ｐ−ｎ電極間距離を同等とすることができるため、通電電流を大にした際のエピタキシャル層抵抗損失を低く抑えることができる。また、発光に伴う発熱はｎ側電極２７側に発生するが、熱分散の均一化が図れるとともに放熱性を促進できる。そのため、ｎ側電極２７の接続される回路パターン３２は、放熱性に応じた適切なサイズで形成されることが好ましい。
なお、パッド電極２６Ａを設ける代わりに、図７に示すようにＬＥＤ素子２の外周に沿ってｐ側電極２６を連続的に設けることで、発光エリアを阻害しないようにしたものであっても良い。
（第４の実施の形態）
図８は、第４の実施の形態に係る固体素子デバイスの縦断面図である。
（固体素子デバイス１０１の構成）
この固体素子デバイス１０１は、III族窒化物系化合物半導体を有するフリップチップ型の固体素子としてのＬＥＤ素子１０２と、ＬＥＤ素子１０２を搭載するとともに外部から供給される電力を導電部を介してＬＥＤ素子１０２に供給する電力受供給部としての素子搭載基板１０３と、ＬＥＤ素子１０２が搭載された素子搭載基板１０３を封止する無機封止材料としてのガラス封止部１０４とを有し、ＬＥＤ素子１０２と素子搭載基板１０３との間には中空部１０５が形成されている。中空部１０５は、ＬＥＤ素子１０２と素子搭載基板１０３の間の接合部を除くほぼ全ての領域に形成される。
ＬＥＤ素子１０２は、フリップチップ型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなり、発光波長が４６０ｎｍの青色光を放射する。本実施形態においては、ＬＥＤ素子１０２は３４６μｍ角で形成されており、熱膨張率は７×１０−６／℃である。
ＬＥＤ素子１０２は、成長基板となるサファイア基板１２０上に順次ＡｌＮバッファ層１２１と、ｎ−ＧａＮ層１２２と、ＭＱＷ層１２３と、ｐ−ＧａＮ層１２４とを積層することによって形成されている。発光領域に相当するＭＱＷ層１２３は、ＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮバリア層とを交互に６ペア積層させることによって形成されている。なお、ＭＱＷ層１２３のペア数は任意である。なお、図８においては各層の構成を明確にするために実寸と異なるサイズで各部を示している。
ＬＥＤ素子１０２は、ｐ−ＧａＮ層１２４上に形成されＩＴＯ(Indium Tin Oxide)からなるコンタクト電極１２５を実装面に有し、コンタクト電極１２５上の一部にはＮｉ−Ａｕからなるｐ側パッド電極１２６が形成されている。また、ｐ−ＧａＮ層１２４からｎ−ＧａＮ層１２２にわたってエッチング処理を施して形成されたｎ−ＧａＮ層１２２の露出部分にはｎ側電極１２７が設けられている。ｎ側電極１２７は、同一エリアにコンタクト層とパッド層とが形成されている。
コンタクト電極１２５は、ＬＥＤ素子１０２の熱膨張率と略同等の７×１０−６／℃を有し、屈折率ｎ＝２．０のＩＴＯ(Indium Tin Oxide)で構成されている。コンタクト電極１２５の形成は、付着強度の観点からはスパッタリングによる形成が好ましいが、ＥＢ蒸着により形成してもよい。このコンタクト電極１２５の素子搭載基板１０３側は粗面状に形成されている。また、ｎ側電極１２７は、Ａｌ層１５１と、このＡｌ層１５１を覆う薄膜状のＮｉ層１５２と、Ｎｉ層１５２の表面を覆うＡｕ層１５３によって形成されている。ｐ側パッド電極１２６及びｎ側電極１２７上には、それぞれＡｕバンプ１２８が形成される。Ａｕバンプ１２８は、直径が９０μｍで、高さが２０μｍとなっている。
また、ＬＥＤ素子１０２は、コンタクト電極１２５及びｎ−ＧａＮ層１２２における素子搭載基板１０３側の露出部分を被覆する光学膜としてのパッシベーション膜１４０を有する。本実施形態においては、ｐ側パッド電極１２６及びｎ側電極１２７の外縁部分も、パッシベーション膜１４０によりコンタクト電極１２５及びｎ−ＧａＮ層１２２と連続して被覆されている。パッシベーション膜１４０は、誘電体であるＳｉＯ２（屈折率ｎ＝１．４）層からなり、厚さが０．３μｍである。すなわち、ＬＥＤ素子１０２のコンタクト電極１２５と素子搭載基板１０３との間には、中空部１０５及び誘電体層を含む小屈折率媒体が配されている。
素子搭載基板１０３は、Ａｌ２Ｏ３の多結晶焼結材料からなる積層基板であり、熱膨張率がＬＥＤ素子１０２の熱膨張率と略同等の７×１０−６／℃である。なお、素子搭載基板１０３は、ＬＥＤ素子１０２と同等の熱膨張率を有するものであれば他の材料であってもよい。具体的に、素子搭載基板１０３は、実装面側の第１層１０３Ａと、実装面と反対側の第２層１０３Ｂとを積層して構成される。第２層１０３Ｂは第１層１０３Ａよりも平面視にて小さく形成され、素子搭載基板１０３の外縁には第１層１０３Ａと第２層１０３Ｂの段状部１０３Ｃが設けられている。ここで、第１層１０３Ａの厚さは０．１５ｍｍ、第２層１０３Ｂの厚さは０．１ｍｍであり、素子搭載基板１０３の厚さは０．２５ｍｍとなっている。
また、素子搭載基板１０３の素子実装面には、ＬＥＤ素子１０２の電極形状に応じてパターン形成されたＷ層１３６と、Ｗ層１３６の表面を覆う薄膜状のＮｉ層１３０と、Ｎｉ層１３０の表面を覆う薄膜状のＡｕ層１３１と、を含む回路パターン１３２が形成されている。そして、素子搭載基板１０３の実装面と反対側の面には、外部接続用の端子形状に応じてパターン形成されたＷ層１３６と、Ｗ層１３６の表面を覆う薄膜状のＮｉ層１３０と、Ｎｉ層１３０の表面を覆う薄膜状のＡｕ層１３１からなる外部配線パターン１３５が形成されている。回路パターン１３２と外部配線パターン１３５は、素子搭載基板１０３を厚さ方向に貫通するビアホール１３３に設けられＷからなるビアパターン１３４により電気的に接続されている。外部配線パターン１３５は、前述の段状部１０３Ｃまで形成されている。
ガラス封止部１０４は、無機封止材料として無色透明なＺｎＯ系ガラスをホットプレス加工することにより、ＬＥＤ素子１０２が搭載された素子搭載基板１０３を封止している。本実施形態においては、ガラス封止部１０４は熱融着ガラスであり、屈折率が１．７、熱膨張率が素子搭載基板１０３と略同等でやや低い６×１０−６／℃、ガラス転移点（Ｔｇ）が４８０℃となっている。ここで、熱融着ガラスとは加熱により溶融状態又は軟化状態として成形したガラスであり、ゾルゲル法により成形されるガラスと異なる。ゾルゲルガラスでは成形時の体積変化が大きいのでクラックが生じやすくガラスによる厚膜を形成することが困難であるところ、熱融着ガラスはこの問題点を回避することができる。また、ゾルゲルガラスでは細孔を生じるので気密性を損なうことがあるが、熱融着ガラスはこの問題点を生じることもなく、ＬＥＤ素子１０２の封止を的確に行うことができる。具体的に、ガラス封止部１０４は、ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｎｂ２Ｏ５−Ｎａ２Ｏ−Ｌｉ２Ｏ系の低融点ガラスからなり、直方体状に形成される。ガラス封止部１０４の側面は、ホットプレス加工によって素子搭載基板１０３と接着された板ガラスが、素子搭載基板１０３とともにダイサー(dicer)でカットされることにより形成される。
図９及び図１０はＬＥＤ素子を示し、図９はＡｕバンプを省略した底面図、図１０は素子搭載基板へ実装した際のガラス封止部の形成状態を示す底面説明図である。
図９に示すように、ｐ側パッド電極１２６は平面視にて円形を呈し、ｎ側電極１２７は平面視にて正方形を呈している。ｐ側パッド電極１２６とｎ側電極１２７は、ＬＥＤ素子１０２上にて対辺状に配置される。コンタクト電極１２５は、図９に示すようにｐ−ＧａＮ層１２４の表面を覆うよう形成されている。そして、パッシベーション膜１４０により、ｐ側パッド電極１２６及びｎ側電極１２７の平面視中央側を除いて、ＬＥＤ素子１０２の電極形成面が被覆されている。
このように構成されたＬＥＤ素子１０２は、図８に示すように電極形成面を基板側に向けてフリップ実装されることにより、ｐ側パッド電極１２６がＡｕバンプ１２８を介してｐ側の回路パターン１３２に電気的に接続され、ｎ側電極１２７がＡｕバンプ１２８を介してｎ側の回路パターン１３２に電気的に接続されている。
（固体素子デバイス１０１の製造方法）
以下、第４の実施の形態の固体素子デバイス１０１の製造方法について説明する。素子搭載基板１０３については、第１層１０３Ａ及び第２層１０３Ｂのグリーンシートを焼結し、この焼結体に回路パターン１３２、ビアパターン１３４、および外部配線パターン１３５が形成されたウエハー状のものを用いる。
そして、素子搭載基板１０３上の回路パターン１３２に対し、複数のＬＥＤ素子１０２を、ｐ側パッド電極１２６及びｎ側電極１２７が所定の位置に配置されるように位置決めを行う。次に、ＬＥＤ素子１０２を素子搭載基板１０３上に超音波併用熱圧着により実装する。
この後、板状のＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｎｂ２Ｏ５−Ｎａ２Ｏ−Ｌｉ２Ｏ系のガラスを素子搭載基板１０３と平行になるように各ＬＥＤ素子１０２上に配置し、素子搭載基板１０３側及びガラス側に図示しない一対の金型をセットして、６００℃で加熱しながら圧着させることでホットプレス加工を行うことにより、ガラスを素子搭載基板１０３に熱圧着させてガラス封止部１０４を形成する。ここで、ホットプレス加工は、窒素雰囲気中で行われ、圧着力は約１００ｋｇ重である。
このとき、ＬＥＤ素子１０２のＡｕバンプ１２８の高さが２０μｍであり、図１０に示すように、ＬＥＤ素子１０２と素子搭載基板１０３の間にガラスがまわり込むが、ガラスの粘度が比較的大きいことから、縦断面におけるｐ側パッド電極１２６とｎ側電極１２７との間に中空部１０５が残る。本実施形態においては、図１０に示すように、中空部１０５は平面視にて略円形に形成される。次いで、ガラス封止部１０４が一体化された素子搭載基板１０３に対して図示しないダイサーで所定のサイズに切断する。
（第４の実施の形態の効果）
上記した第４の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
以上のように構成された固体素子デバイス１０１では、ＬＥＤ素子１０２のサイズに対しコンタクト電極１２５の割合を広く確保できるので、電流密度の均一化が図れ、発光むらの少ないＬＥＤ素子１０２とできる。また、パッシベーション膜１４０を設けることで、第２の実施の形態と同様に、ＩＴＯとＳｉＯ２の屈折率差による界面反射によって素子搭載基板１０３側への光出射が抑制される。図１０に示すように、ＬＥＤ素子１０２の外縁側においては、パッシベーション膜１４０と素子搭載基板１０３との間にガラス封止部１０４のガラスが入り込むこととなるが、ガラスが入り込んでいてもＩＴＯとＳｉＯ２の屈折率差による界面反射作用を得ることができる。さらに、ＬＥＤ素子１０２の中央側においては、ＩＴＯとＳｉＯ２の界面反射に加えて、ＳｉＯ２と気体の屈折率差による界面反射によっても、素子搭載基板１０３側への光出射を抑制することができる。
また、ＳｉＯ２のパッシベーション膜１４０は、ｎ側電極１２７上のＡｕバンプ１２８が、高温状態で圧力が作用するガラス封止工程で潰れてｐ側のコンタクト電極１２５側にはみ出した際に絶縁部材として機能する。
さらに、ＩＴＯからなるコンタクト電極１２５は、ＬＥＤ素子１０２の本体部分と熱膨張率が略同等で付着強度も大きいことから、ガラスのまわり込みの境界がコンタクト電極１２５に存在していても、ガラス封止加工におけるコンタクト電極１２５の剥離は生じない。また、本実施形態の固体素子デバイス１０１のサンプルを用い、−４０℃←→１００℃の液相冷熱衝撃試験２０００サイクルでも、コンタクト電極１２５の剥離が生じていないことが確認されている。また、光出力５０ｍＷ、温度１００℃、通電電流１００ｍＡ、１００００ｈによる試験においても、光出力及び駆動電圧の変化がないことが確認されている。
一方、コンタクト電極として、Ａｕ−Ｃｏ薄膜電極及びＲｈ−Ａｕ電極を用いた発光素子では、以下の２つの状態を確認している。１つは、ガラスがまわり込んだ箇所は良好であるものの、気体層が形成される箇所では電極接合が不十分となり、発光素子を点灯させた際に気体層のある箇所の発光輝度が顕著に低下した状態あるいは発光していない状態を確認している。もう１つは、電極剥離が生じ、ガラスがまわり込んだ箇所、気体層の形成された箇所にかかわらず発光異常となる状態を確認している。
尚、コンタクト電極の剥離現象の程度は、ガラス含有Ａｌ２Ｏ３基板（熱膨張率：１２×１０−６／℃）と、リン酸系ガラス（熱膨張率：１２×１０−６／℃）を用いた場合、前述のＡｕ−Ｃｏ薄膜電極及びＲｈ−Ａｕ電極において大きくなるものの、ＩＴＯのコンタクト電極１２５を用いた場合は不具合が生じないことを確認している。しかし、安定な品質とするために、発光素子に対する素子搭載基板の熱膨張率は５０〜１５０％とすることが望ましい。
本実施形態においては、Ａｌ２Ｏ３の素子搭載基板１０３は、固体素子デバイス１０１をはんだ実装する際に、はんだの接合強度を高めるために段差部１０３Ｃを設け、この段差部１０３Ｃに形成される外部配線パターン１３５を外部接続端子としている。このため、積層基板を用いてあるが、基板接合のために素子搭載基板３内に光吸収成分が入るためＡｌ２Ｏ３の基板の反射率が低下する。また、素子搭載基板１０３の素子実装面の回路パターン１３２の表面がＡｕ層１３１なので波長が４６０ｎｍの光の反射率は４０％程度である。このため、素子搭載基板１０３への光出射を抑えることが望ましい。
また、低融点ガラスとして板状のＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｎｂ２Ｏ５−Ｎａ２Ｏ−Ｌｉ２Ｏ系ガラスを素子搭載基板１０３に平行となるようにセットし、高粘度状態でホットプレス加工することで、結晶成長温度に対し充分に低い加工が可能になり、封止加工性が向上する。また、低融点ガラスが素子搭載基板１０３の表面に平行移動して面状に密着してガラス封止部１０４を形成する際に、素子搭載基板１０３とＬＥＤ素子１０２の間に中空部１０５が設けられることから、パッシベーション膜１４０との界面に達した光を中空部１０５との屈折率差に基づいて反射する作用が大になり、素子搭載基板１０３に達することによる反射吸収損失を低減できる。
さらに、ＬＥＤ素子１０２のサファイア基板１２０と同等の熱膨張率を有するＩＴＯをコンタクト電極１２５として用いるので、ガラス封止時の熱や発光に伴う熱応力によってコンタクト電極１２５とＧａＮ系半導体層とが剥離することなく、長期にわたって安定した発光特性を付与でき、かつ信頼性に優れる。コンタクト電極１２５を構成するＩＴＯの表面１２５Ａは粗面化しているので、パッシベーション膜１４０との界面に達した光の散乱性が良好であり、素子搭載基板１０３側への出射を抑えながらサファイア基板１２０側への光取出し性向上を図ることができる。
さらにまた、ＬＥＤ素子１０２のｐ側パッド電極１２６及びｎ側電極２７が回路パターン１３２に対してＡｕバンプ１２８により実装され、かつ、ガラス封止加工は１０４ポアズ以上の高粘度状態で行われるので、ＬＥＤ素子１０２と回路パターン１３２の間へのガラス回り込みを防いで中空部１０５の安定した形成を図ることができる。
さらにまた、ＬＥＤ素子１０２、素子搭載基板１０３、ガラス封止部１０４の熱膨張率は同等で、かつ、ガラス封止部１０４の熱膨張率は７×１０−６／℃と小さい。さらに、ガラス封止される高温で応力フリーとなり、常温ではＬＥＤ素子１０２に小さな圧縮応力がかかる状態となる。従って、熱膨張による剥離が生じにくい構成であるため、樹脂封止の際に必要なＬＥＤ素子１０２の接合強度は必ずしも必要でなく、ｐ側パッド電極１２６近傍の信頼性を向上することができる。
さらにまた、素子搭載基板１０３とガラス封止部１０４とが酸化物を介した化学結合に基づいて接着することにより強固な封着強度が得られる。そのため、接合面積が小さい小形パッケージであってもガラス封止を具現化できる。
さらにまた、ガラス封止部１０４と素子搭載基板１０３とは熱膨張率が同等であるため、高温で接着された後、常温あるいは低温状態としても内部応力が小であり、剥離、クラック等の接着不良が生じにくい。しかも、ガラスは引っ張り応力にはクラックが生じ易いが、圧縮応力にはクラックは生じにくい。また、ガラス、セラミック基板とも種々の熱膨張率の組み合わせで接着性の実験を行ったところ、熱膨張率が高い方の部材に対する低い方の部材の熱膨張率の比が０．８５以上ではクラックを生じることなく接着できることを確認した。部材の剛性やサイズ等にも依存するが、熱膨張率が同等というのは、この程度の範囲を示す。
さらにまた、ＬＥＤ素子１０２をフリップ実装とすることで、ガラス封止を具現化するにあたっての問題点を克服するとともに０．５ｍｍ角といった超小型の固体素子デバイス１０１を具現化できるという効果もある。これは、ワイヤのボンディングスペースが不要で、かつ、熱膨張率部材が同等のガラス封止部１０４と素子搭載基板１０３とが選択されるとともに、化学結合に基づく強固な接着によって、わずかなスペースでの接着でも界面剥離が生じないことによる。
さらにまた、素子搭載基板１０３の回路パターン１３２は、ビアホール１３３にて裏面に引き出されるため、ガラスが不必要な箇所へ入り込むことや、電気端子が覆われること等への特別な対策を要することなく、製造工程を簡略化できる。また、板状の熱融着ガラスを複数デバイスに対して一括封止加工できるので、ダイサーカットに基づいて複数の固体素子デバイス１０１を容易に量産することができる。なお、熱融着ガラスは高粘度状態で加工されるため、樹脂のように充分な対策をとる必要はなく、ビアホール１３３によらなくても外部端子が裏面に引き出されていれば充分に量産対応可能である。
尚、第４の実施の形態では、ガラス封止部１０４は無色透明なガラスからなるものとして説明したが、色付きの透明ガラスであっても良い。また、燒結した蛍光体と粉末状のガラスを混合して溶融させることにより形成された蛍光体含有ガラスや、粉末状のガラスと蛍光体とをバインダとともに混合して板状の透明ガラスにスクリーン印刷し、その上に他の透明ガラスを重ねて熱処理することによって蛍光体層が設けられたガラスを用いて形成されたガラス封止部１０４を有する波長変換型の固体素子デバイス１０１であっても良い。例えば、Ｃｅ：ＹＡＧを蛍光体として用いることにより、青色光と黄色光の補色に基づく白色光を放射する固体素子デバイス１０１が得られる。また、ＬＥＤ素子１０２から放射される青色光によって励起可能な他の蛍光体を用いた波長変換型の固体素子デバイス１０１としても良い。
また、コンタクト電極１２５の材質はＩＴＯに限定されず、Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２（９０−１０ｗｔ％）、ＡＺＯ[ＺｎＯ：Ａｌ]−ＩＺＯ[Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ]（９０−１０ｗｔ％）、ＩｎＧａＮ等の酸化物を用いてもよく、要は透光性導電材料であればよい。また、透光性導電材料は、発光素子からの光取出しの観点から、屈折率を１．７以上とすることが望ましい。また、透光性導電材料の熱膨張率は、金（Ａｕ）のように発光素子に対して２００％であるものでは剥離が生じやすいため、剥離を生じないものとするために、発光素子の熱膨張率の５０〜１５０％の範囲とすることが望ましく、この観点からは酸化物を用いることが望ましい。ここで、回路パターン１３２の表面のＡｕ層１３１に対し、６００ｎｍの波長の光では９２％、５５０ｎｍでは８２％、５００ｎｍでは４８％の反射率であり、５５０ｎｍ以下の波長におけるＡｕの吸収損失の影響は大きい。このため、本実施形態では、５５０ｎｍ以下の波長の光を発するＬＥＤ素子１０２とし、回路パターン１３２の表面がＡｕ層１３１の素子搭載基板１０３との組み合わせであるので、吸収損失の低減に特に効果がある。尚、発明者による確認では、Ａｕバンプ１２８の高さを３０μｍとし、２０ｍｍ角のガラスに１００ｋｇ重の圧力を加えてガラス封止を行っても、直径１００μｍ程度の気体層が生じている。
また、第４の実施の形態では、ｐ側パッド電極１２６とｎ側電極１２７が対辺状に配置されたものを示したが、例えば図１１に示すように、平面視にて円形を呈するｐ側パッド電極２２６と、平面視にて正方形を呈するｎ側電極２２７とが、ＬＥＤ素子２０２上にて対角状に配置されるようにしてもよい。図１１に示すように、このＬＥＤ素子２０２は、コンタクト電極２２５がｐ−ＧａＮ層の表面を覆うよう形成されるとともに、光学膜としてのパッシベーション膜２４０がコンタクト電極２２５及びｎ−ＧａＮ層の表面を覆うよう形成されている。また、ｐ側パッド電極２２６は、ＬＥＤ素子２の底面の辺に沿って略平行に延びる一対の延在部２２７Ａを有している。さらに、ガラス封止部１０４に形成される中空部１０５は、ＬＥＤ素子２０２の底面におけるｐ側パッド電極２２６及びｎ側電極２２７についての対角方向に長尺な楕円形となっている。
（第５の実施の形態）
図１２は、第５の実施の形態に係るものであって、素子搭載基板へ実装した際のガラス封止部の形成状態を示すＬＥＤ素子の底面説明図である。
（ＬＥＤ素子３０２の構成）
図１２に示すように、このＬＥＤ素子３０２においても、ｐ側パッド電極３２６とｎ側電極３２７が対角状に配置されている。図１２に示すように、このＬＥＤ素子３０２は、コンタクト電極３２５がｐ−ＧａＮ層の表面を覆うよう形成されるとともに、パッシベーション膜３４０がコンタクト電極３２５及びｎ−ＧａＮ層の表面を覆うよう形成されている。
ｐ側パッド電極３２６は、ＬＥＤ素子３０２の底面中央に対して凹むよう湾曲して延びている。本実施形態においては、ｐ側パッド電極３２６には２つのＡｕバンプ３２８が形成され、ｐ側パッド電極３２６におけるバンプ形成部位は他部に比して幅広となっている。各Ａｕバンプ３２８はＬＥＤ素子３０２の底面の対角線について対称に配置される。各Ａｕバンプ３２８は、直径が４０μｍで高さが１５μｍであり、直径２０μｍのＡｕワイヤを用いて形成される。これにより、ＬＥＤ素子３０２の実装面と、素子搭載基板の素子実装面との距離が１５μｍ、若しくはそれ以下となり略同一面化している。また、ｐ側パッド電極３２６は、ＬＥＤ素子２の底面の辺に沿うように当該辺に対して略平行に延びる一対の延在部３２６Ａを有している。
ｎ側電極３２７は、中心角が直角の扇形に形成され、弦がＬＥＤ素子３０２の角部に沿うよう配置される。ｎ側電極３２７には１つのＡｕバンプ３２８が形成される。このＡｕバンプ３２８は、ｐ側パッド電極３２６に形成されるものと同形状である。
ガラス封止部１０４に形成される中空部１０５は、平面視にて略正方形状を呈している。具体的に、中空部１０５は、ＬＥＤ素子３０２の外周縁から内側へ２０μｍ〜３０μｍだけ入り込んだ部分から形成されている。
（第５の実施の形態の効果）
上記した第５の実施の形態によると、小径のＡｕバンプ３２８を用いたことにより、気体層３０５の形成領域を大きくすることができ、素子搭載基板への光入射の抑制効果を大きくすることができる。
尚、第５の実施の形態では、素子搭載基板とのバンプ接合を３点で行うものを示したが、素子搭載基板３とガラス封止部１０４とＬＥＤ素子３０２とは同等の熱膨張率であるので、封止加工を行った後にＬＥＤ素子３０２に対してコンタクト電極３２５を引き剥がす応力が生じることはなく、２点のバンプ接合でも十分な信頼性を確保することができる。
（第６の実施の形態）
図１３及び図１４は第６の実施の形態を示すものであって、図１３はＬＥＤ素子の底面図、図１４は素子搭載基板の一部縦断面図である。
（ＬＥＤ素子４０２の構成）
図１３に示すように、ＬＥＤ素子４０２は平面視にて長尺な長方形に形成されており、ｐ側パッド電極４２６とｎ側電極４２７とが、両短辺に沿うよう対辺状に配置される。すなわち、ｐ側パッド電極４２６及びｎ側電極４２７は、線状に形成され、略矩形状の発光領域を介して対向配置されている。ｐ側パッド電極４２６とｎ側電極４２７は、ともに平面視にて短辺に沿って延びる矩形状を呈している。
（素子搭載基板４０３の構成）
図１４に示すように、素子搭載基板４０３の実装面には、ＬＥＤ素子の電極形状に応じてパターン形成されたＮｉ層４３０と、Ｎｉ層４３０の表面を覆う薄膜状のＡｕ層４３１と、を含む回路パターン４３２が形成されている。Ａｕ層４３１には、他部に比してＬＥＤ素子側へ突出した突出部４３１Ａが形成される。突出部４３１Ａは、素子搭載基板４０３とＬＥＤ素子４０２の間へのガラスの進入を抑制するために形成される。本実施形態においては、突出部４３１Ａは、突出量が５μｍであり、平面視にて矩形状に形成される。そして、突出部４３１Ａが、ｐ側パッド電極４２６の中央部の接触領域４２６Ｂと接触する（図１３参照）。ｎ側電極４２７についても、同様に、中央部の接触領域４２７Ｂに突出部４３１Ａが接触する。本実施形態においては、Ａｕバンプは設けられていない。図１３に示すように、ガラス封止部１０４の中空部１０５は、平面視にて、短辺を各突出部４３１Ａに内接させた長方形状に形成される。
（第６の実施の形態の効果）
以上の構成によれば、ＬＥＤ素子と素子搭載基板４０３の間へのガラスの進入を突出部４３１Ａにより抑制することができる。
また、突出部４３１Ａが矩形状に形成されていることから、突出部４３１ＡがＬＥＤ素子の電極と面接触することにより、２点での接合であってもＬＥＤ素子の姿勢を安定させて実装することができる。
さらに、回路パターン４３２のＡｕ層４３１を用いて突出部４３１Ａを形成していることから、バンプを形成する必要がなく、バンプの形成工程を省略することができる。
尚、第６の実施の形態においては、回路パターン４３２が平面視にて矩形状に形成されたものを示したが、例えば図１５に示すように、ｐ側パッド電極５２６とｎ側電極５２７に、ＬＥＤ素子５０２の長辺に沿う延在部５２６Ａ，５２７Ａをそれぞれ形成してもよい。すなわち、ｐ側パッド電極５２６及びｎ側電極５２７は、線状に形成されて略矩形状の発光領域を介して対向配置され、さらに線状端部から延びる延在部５２６Ａ，５２７Ａが形成されている。ｐ側パッド電極４２６とｎ側電極４２７は、ともに平面視にて短辺に沿って延びる矩形状を呈している。この構成によれば、各延在部５２６Ａ，５２７Ａが拡散電極として機能することから、電流密度のさらなる均一化を図ることができる。ｐ側パッド電極５２６とｎ側電極５２７はそれぞれ矩形状に形成されており、その中央部が素子搭載基板４０３の突出部４３１Ａとの接触領域５２６Ｂ，５２７Ｂをなしている。ここで、ＬＥＤ素子５０２のコンタクト電極５２５は、平面視にて、ｎ側電極５２７の延在部５２７Ａを避けるよう形成される。
（第７の実施の形態）
図１６及び図１７は第７の実施の形態を示し、図１６は固体素子デバイスの上面図、図１７は図１６のＡ−Ａ断面図である。
（固体素子デバイス６０１の構成）
この固体素子デバイス６０１は、フリップチップ型の複数のＧａＮ系のＬＥＤ素子１０２と、平面視にて正方形状に形成され複数のＬＥＤ素子１０２をマウントする多層構造の素子搭載基板６０３と、を有している。また、固体素子デバイス６０１は、素子搭載基板６０３の両面及び層内に、それぞれタングステン（Ｗ）層１３６を含む回路パターン６３２、ビアパターン６３４及び外部配線パターン６３５を有している。尚、回路パターン６３２及び外部配線パターン６３５には、さらにニッケル（Ｎｉ）及び金（Ａｕ）のめっきが施されて、Ｎｉ層１３０及びＡｕ層１３１が形成される。また、素子搭載基板６０３の実装面と反対側の面には、各ＬＥＤ素子１０２にて生じた熱を外部へ放散する放熱パターン６３６が形成されている。放熱パターン６３６は、外部配線パターン６３５と同工程にて形成され、Ｗ層１３６を有している。また、固体素子デバイス６０１は、各ＬＥＤ素子１０２を封止するとともに素子搭載基板６０３と接着されるＢ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｌｉ２Ｏ−Ｎａ２Ｏ−ＺｎＯ−Ｎｂ２Ｏ５系の低融点ガラスからなるガラス封止部６０４を有している。
各ＬＥＤ素子１０２は縦横について３個×３個の配列で並べられ、合計９個のＬＥＤ素子１０２が１つの素子搭載基板６０３に実装されている。各ＬＥＤ素子１０２は、回路パターン６３２により電気的に直列に接続されている。外部配線パターン６３５は、対角のＬＥＤ素子１０２の近傍の角部（図１６において左上と右下）に配置され、２つの外部配線パターン６３５を通じて電圧を印加することにより、９つのＬＥＤチップ素子１０２を発光させることができる。
（第７の実施の形態の効果）
上記した第７の実施形態によれば、複数個のＬＥＤ素子１０２を密集させて実装する構成であっても、ＬＥＤ素子１０２およびガラス封止部６０４の熱膨張率が同等であるので、クラックを生じることなく信頼性に優れる固体素子デバイス６０１が得られる。また、ガラス封止部６０４と素子搭載基板６０３についても同等の熱膨張率で形成されることにより、ガラス接着強度に優れる。
また、Ａｌ２Ｏ３からなる素子搭載基板６０３を用いることにより、発熱量の大なるＧａＮ系のＬＥＤ素子１０２を密集させて実装する構成としても安定した放熱性が得られる。また、容易に直列回路をパターン形成することができ、電解めっきを施す際の配線引き回しも容易に形成できる。
さらに、層内の中間層から外部配線パターン６３５を取り出し、底面に放熱パターン６３６を設けることで、密集して実装された９個のＬＥＤ素子１０２を発光させることに基づいて生じる熱を、放熱パターン６３６を通じてヒートシンク等へ速やかに熱伝導させることが可能になる。また、放熱パターン６３６が黒色のＷ層１３６を有していることから、放熱パターン６３６による光吸収作用が大きくなるところ、素子搭載基板６０３への入射光が抑制されることから、放熱パターン６３６に起因する光損失を低減することができ、実用に際して極めて有利である。
また、上記した第１から第７の実施形態では、固体素子としてＬＥＤ素子を用いたものを示したが、固体素子はＬＥＤ素子に限定されず、例えばＬＤ素子等であってもよいし、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。
本発明の第１の実施の形態に係る固体素子デバイスを示す縦断面図である。 ＬＥＤ素子を示し、（ａ）は電極形成面を示す底面図、（ｂ）は実装状態を示す平面図である。 ＬＥＤ素子の基板側に放射される光の挙動について示す図であり、（ａ）は第１の実施の形態のガラス封止構造による光の挙動、（ｂ）は封止樹脂等の封止材料でＬＥＤ素子と素子搭載基板との間が封止された構成における光の挙動を示す。 第２の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示し、（ａ）は電極形成面を示す底面図、（ｂ）はＬＥＤ素子の縦断面図である。 第３の実施の形態に係る固体素子デバイスを示す縦断面図である。 図５に示す固体素子デバイスに搭載されるＬＥＤ素子の電極形成面を示す底面図である。 ＬＥＤ素子の他の-電極形成面を示す底面図である。 第４の実施の形態に係る固体素子デバイスの縦断面図である。 Ａｕバンプを省略したＬＥＤ素子の底面図である。 素子搭載基板へ実装した際のガラス封止部の形成状態を示すＬＥＤ素子の底面説明図である。 第４の実施の形態を変形例を示すＬＥＤ素子の底面説明図である。 第５の実施の形態に係るものであって、素子搭載基板へ実装した際のガラス封止部の形成状態を示すＬＥＤ素子の底面説明図である。 第６の実施の形態に係るＬＥＤ素子の底面図である。 素子搭載基板の一部縦断面図である。 第６の実施の形態の変形例を示すＬＥＤ素子の底面図である。 第７の実施の形態を示す固体素子デバイスの上面図である。 図１６のＡ−Ａ断面図である。
符号の説明
１ 固体素子デバイス
２ ＬＥＤ素子
３ 素子搭載基板
４ ガラス封止部
５ 空気層
２０ サファイア基板
２１ ＡｌＮバッファ層
２２ ｎ−ＧａＮ層
２３ ＭＱＷ層
２４ ｐ−ＧａＮ層
２５ コンタクト層
２５Ａ 表面
２６ ｐ側電極
２６Ａ パッド電極
２６Ｂ Ｎｉ層
２７ ｎ側電極
３０ Ｎｉ層
３１ Ａｕ層
３２ 回路パターン
３３ ビアホール
３４ ビアパターン
３５ 外部配線パターン
４０ パッシベーション膜
１０１ 固体素子デバイス
１０２ ＬＥＤ素子
１０３ 素子搭載基板
１０３Ａ 第１層
１０３Ｂ 第２層
１０３Ｃ 段状部
１０４ ガラス封止部
１０５ 中空部
１２０ サファイア基板
１２１ ＡｌＮバッファ層
１２２ ｎ−ＧａＮ層
１２３ ＭＱＷ層
１２４ ｐ−ＧａＮ層
１２５ コンタクト電極
１２６ ｐ側パッド電極
１２７ ｎ側電極
１２８ Ａｕバンプ
１３０ Ｎｉ層
１３１ Ａｕ層
１３２ 回路パターン
１３３ ビアホール
１３４ ビアパターン
１３５ 外部配線パターン
１３６ Ｗ層
１４０ パッシベーション膜
１５１ Ａｌ層
１５２ Ｎｉ層
１５３ Ａｕ層
２０２ ＬＥＤ素子
２２５ ｐ側コンタクト電極
２２６ ｐ側パッド電極
２２６Ａ 延在部
２２７ ｎ側電極
２４０ パッシベーション膜
２７０ Ａｌ層
２７１ Ｎｉ層
２７２ Ａｕ層
３０２ ＬＥＤ素子
３２５ コンタクト電極
３２６ ｐ側パッド電極
３２６Ａ 延在部
３２７ ｎ側電極
３２８ Ａｕバンプ
３４０ パッシベーション膜
４０２ ＬＥＤ素子
４０３ 素子搭載基板
４２６ ｐ側パッド電極
４２６Ｂ 接触領域
４２７ ｎ側電極
４２７Ｂ 接触領域
４３０ Ｎｉ層
４３１ Ａｕ層
４３１Ａ 突出部
４３２ 回路パターン
５０２ ＬＥＤ素子
５２６ ｐ側パッド電極
５２６Ａ 延在部
５２６Ｂ 接触領域
５２７ ｎ側電極
５２７Ａ 延在部
５２７Ｂ 接触領域
６０１ 固体素子デバイス
６０３ 素子搭載基板
６３２ 回路パターン
６３４ ビアパターン
６３５ 外部配線パターン
６３６ 放熱パターン

Claims (6)

  1. III族窒化物系化合物半導体からなり、該III族窒化物系化合物半導体とコンタクトする側と反対側の表面が粗面状の透明導電性酸化物材料のコンタクト電極と前記コンタクト電極より小なるサイズのパット電極とを有する発光素子と、
    前記発光素子がフリップチップ実装される素子搭載基板と、
    前記発光素子を封止する無機封止材料からなる無機封止部と、
    前記発光素子の前記コンタクト電極の前記素子搭載基板側に形成され、前記コンタクト電極及び前記無機封止部より小さい屈折率を有し、前記コンタクト電極と界面を形成する第一面を有した小屈折率膜と、
    前記小屈折率膜と前記素子搭載基板との間に形成され、前記小屈折率膜の第二面と界面を形成する気体層と、
    を有し、
    前記無機封止部は、前記気体層を残すようにして前記発光素子と前記素子搭載基板の間にまわり込んでいることを特徴とする発光素子デバイス。
  2. 前記コンタクト電極は、前記発光素子の成長基板と同等の熱膨張率を有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子デバイス。
  3. 前記透明導電性酸化物材料は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）である請求項２に記載の発光素子デバイス。
  4. 前記小屈折率膜は、誘電体層を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光素子デバイス。
  5. 前記誘電体層は、ＳｉＯ２層を含むことを特徴とする請求項４に記載の発光素子デバイス。
  6. 前記無機封止部は、蛍光体を含む請求項１から５のいずれか１項に記載の発光素子デバイス。
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