JP6339652B1 - 光半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】光半導体素子を有する光半導体装置の信頼性を高める。【解決手段】光半導体装置１０の製造方法は、酸素（Ｏ２）を含む第１ガスの雰囲気中で、光半導体素子２０が収容されるパッケージ基板３０上に、金錫（ＡｕＳｎ）を含む接合材５６を間に挟んで、透光性を有する蓋体４０を載置する工程と、パッケージ基板３０上に載置される蓋体４０の上から荷重をかけて仮封止した状態で、雰囲気中に含まれる酸素濃度が低下するように雰囲気ガスを第２ガスに交換する工程と、第２ガスに交換する工程の開始後に接合材５６を加熱溶融させてパッケージ基板３０と蓋体４０の間を接合する工程と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、光半導体装置に関し、特に、光半導体素子を有する光半導体装置に関する。
近年、青色光を出力する発光ダイオードやレーザダイオード等の半導体発光素子が実用化されており、さらに波長の短い深紫外光を出力する発光素子の開発が進められている。深紫外光は高い殺菌能力を有することから、深紫外光の出力が可能な半導体発光素子は、医療や食品加工の現場における水銀フリーの殺菌用光源として注目されている。
発光素子は、外部環境から素子を保護するためのパッケージ内に収容される。深紫外光を出力可能な窒化物半導体の場合、酸素を含む雰囲気ガス中に封止することで半導体層の劣化を抑制できることが知られており、例えば、酸素（Ｏ２）および窒素（Ｎ２）を含むガスで発光素子が封止される（例えば、特許文献１参照）。また、金錫（ＡｕＳｎ）の共晶接合を用いることにより深紫外光用の発光素子を高い信頼性で封止する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００７−６７３７３号公報 特開２０１５−１８８７３号公報
金錫を封止材とする場合、封止工程の雰囲気ガスに酸素が含まれていると加熱溶融時に金錫が酸化して溶融が阻害され、信頼性の高い封止ができなくなるおそれがある。一方、封止ガスに酸素が含まれていなければ、光半導体素子が劣化しやすくなり、光半導体装置の信頼性が低下してしまう。
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、光半導体装置の信頼性を高める技術を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の光半導体装置の製造方法は、酸素（Ｏ２）を含む第１ガスの雰囲気中で、光半導体素子が収容されるパッケージ基板上に、金錫（ＡｕＳｎ）を含む接合材を間に挟んで、透光性を有する蓋体を載置する工程と、パッケージ基板上に載置される蓋体の上から荷重をかけて仮封止した状態で、雰囲気中に含まれる酸素濃度が低下するように雰囲気ガスを第２ガスに交換する工程と、第２ガスに交換する工程の開始後に接合材を加熱溶融させてパッケージ基板と蓋体の間を接合する工程と、を備える。
この態様によると、酸素を含む第１ガスの雰囲気中で蓋体を載置することにより、パッケージ内の封止ガスに酸素を含ませることができる。また、蓋体に荷重をかけて仮封止をしながら雰囲気中の酸素濃度を低下させることにより、パッケージ内から外への酸素の漏出を抑えてパッケージ内に酸素を残しつつ、雰囲気中の酸素濃度が低い状態で金錫の接合材を加熱溶融して好適に共晶接合を形成できる。したがって、本態様によれば、酸素を封入することによる光半導体素子の劣化防止と、金錫接合材の酸化防止とを両立して信頼性の高い光半導体装置を製造することができる。
この方法は、第２ガスの雰囲気中で、パッケージ基板上に接合される蓋体の上から荷重をかけた状態を維持しながら接合部を冷却する工程をさらに備えてもよい。
第１ガスは、酸素（Ｏ２）の含有率が１０体積％以上であってもよく、第２ガスは、酸素（Ｏ２）の含有率が０．０１体積％以下であってもよい。
パッケージ基板の内部の酸素濃度が１体積％以下に低下する前に接合材の加熱溶融を開始させてもよい。
パッケージ基板の外部の酸素濃度が０．１体積％以下に低下した後に接合材の加熱溶融を開始させてもよい。
本発明によれば、光半導体装置の信頼性を高めることができる。
実施の形態に係る光半導体装置を概略的に示す断面図である。 光半導体装置の製造工程を概略的に示す図である。 光半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 雰囲気ガスの交換時におけるパッケージ内外の酸素濃度の変化を模式的に示すグラフである。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。説明の理解を助けるため、各図面における各構成要素の寸法比は必ずしも実際の装置の寸法比と一致しない。
図１は、実施の形態に係る光半導体装置１０を概略的に示す断面図である。光半導体装置１０は、光半導体素子２０と、パッケージ基板３０と、蓋体４０と、封止構造５０とを備える。
光半導体素子２０は、中心波長λが約３６０ｎｍ以下となる「深紫外光」を発するように構成されるＬＥＤ（Light Emitting Diode）チップである。このような波長の深紫外光を出力するため、光半導体素子２０は、バンドギャップが約３．４ｅＶ以上となる窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料で構成される。本実施の形態では、特に、中心波長λが約２４０ｎｍ〜３５０ｎｍの深紫外光を発する場合について示す。
光半導体素子２０は、半導体積層構造２２と、光出射面２４と、第１素子電極２６と、第２素子電極２７とを有する。
半導体積層構造２２は、光出射面２４となる基板上に積層されるテンプレート層、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層などを含む。光半導体素子２０が深紫外光を出力するように構成される場合、光出射面２４となる基板としてサファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板が用いられ、半導体積層構造２２のテンプレート層として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層が用いられる。また、半導体積層構造２２のクラッド層や活性層はＡｌＧａＮ系半導体材料で構成される。
第１素子電極２６および第２素子電極２７は、半導体積層構造２２の活性層にキャリアを供給するための電極であり、それぞれがアノード電極またはカソード電極である。第１素子電極２６および第２素子電極２７は、光出射面２４と反対側に設けられる。第１素子電極２６は、パッケージ基板３０の第１内側電極３６に取り付けられ、第２素子電極２７は、パッケージ基板３０の第２内側電極３７に取り付けられる。
パッケージ基板３０は、上面３１と下面３２を有する矩形状の部材である。パッケージ基板３０は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などを含むセラミック基板であり、いわゆる高温焼成セラミック多層基板（ＨＴＣＣ、High Temperature Co-fired Ceramic）である。
パッケージ基板３０の上面３１には、光半導体素子２０を収容するための凹部３４が設けられる。凹部３４の底面には、光半導体素子２０を取り付けるための第１内側電極３６および第２内側電極３７が設けられる。パッケージ基板３０の下面３２には、光半導体装置１０を外部基板などに実装するための第１外側電極３８および第２外側電極３９が設けられる。
蓋体４０は、凹部３４の開口を覆うように設けられる板状の保護部材である。蓋体４０は、光半導体素子２０が発する紫外光を透過する材料で構成され、例えば、ガラス、石英、水晶、サファイアなどを用いることができる。蓋体４０は、特に深紫外光の透過率が高く、耐熱性および気密性の高い材料で構成されることが好ましい。このような特性を備える材料として、石英ガラスを蓋体４０に用いることが望ましい。光半導体素子２０が発する紫外光は、蓋体４０を介して蓋体４０の外面４３からパッケージの外部へと出力される。
封止構造５０は、第１金属層５１と、第２金属層５２と、金属接合部５３とを有する。
第１金属層５１は、パッケージ基板３０の上面３１に枠状に設けられる。第１金属層５１は、矩形のパッケージ基板３０に対応した矩形枠形状を有する。第１金属層５１は、四隅がＲ面取りされていてもよい。第１金属層５１は、例えばセラミック基板へのメタライズ処理により形成される。第１金属層５１は、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等を含む基材にニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）等がメッキされて形成され、例えば、Ｗ／Ｎｉ／Ａｕの積層構造を有する。第１金属層５１は、金属接合部５３と接合される。
第２金属層５２は、蓋体４０の内面４４に枠状に設けられる。第２金属層５２は、矩形の蓋体４０に対応した矩形枠形状を有する。第２金属層５２は、四隅がＲ面取りされていてもよい。第２金属層５２は、真空蒸着やスパッタリングなどの方法により形成される。第２金属層５２は、蓋体４０の内面４４上にチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）が順に積層される多層膜である。なお、チタンの代わりにクロム（Ｃｒ）を用いてもよいし、白金（Ｐｔ）の代わりに銅（Ｃｕ）およびニッケル（Ｎｉ）を用いてもよい。第２金属層５２は、金属接合部５３と接合される。
金属接合部５３は、第１金属層５１と第２金属層５２の間に設けられ、パッケージの外周部においてパッケージ基板３０と蓋体４０の間を接合して封止する。金属接合部５３は、第１金属層５１と第２金属層５２の間を充填するよう構成される。金属接合部５３は、低融点の金属材料で構成され、例えば金錫（ＡｕＳｎ）の合金を含む。金属接合部５３は、溶融状態において第１金属層５１と第２金属層５２の間に広がって共晶接合を形成する。金属接合部５３は、高い封止信頼性を有するとともに溶融温度が３００℃以下の低温となるように、錫（Ｓｎ）の含有量が２０重量％〜２４重量％の金錫で構成されることが好ましい。
光半導体素子２０が収容されるパッケージの内部には、酸素（Ｏ２）を含むガスが封入される。封入ガスに酸素を含めることにより、光半導体素子２０の劣化を防止することができ、酸素が実質的に含まれないガスが封入される場合よりも光半導体装置１０を長寿命化することができる。封入ガスとして、例えば、窒素（Ｎ２）などの不活性ガスに酸素を一定程度混合させたものを用いることができる。封入ガスに含まれる酸素濃度は、１体積％以上であることが好ましく、３体積％以上であることがより好ましい。
金錫接合材を加熱溶融して金属接合部５３を形成する場合、雰囲気中に酸素が含まれると酸化により金錫の溶融が阻害され、封止の信頼性が低下するおそれが生じる。一般に、金錫の酸化を防ぐには酸素濃度が０．１体積％以下である必要があり、好ましくは０．０４体積％以下にする必要がある。一方、封入ガスの酸素濃度は１体積％以上であることが好ましいことから、このような封入ガスの雰囲気下で金錫接合材を加熱溶融させると金錫が酸化してしまう。そこで、本実施の形態では、光半導体装置１０のパッケージ内には一定以上の酸素が含まれる一方で、光半導体装置１０のパッケージ外には実質的に酸素が含まれないような環境下で金錫の接合工程を行う。以下、このような接合工程を実行するための光半導体装置１０の製造方法について説明する。
図２は、光半導体装置１０の製造工程を概略的に示す図であり、光半導体装置１０の封止工程に用いる製造装置６０の一例を示す。製造装置６０は、チャンバ６２と、載置台６４と、加熱冷却機構６６と、蓋体搬送部６８と、第１ガス供給口７２と、第２ガス供給口７４と、ガス排出口７６とを有する。
チャンバ６２は、光半導体装置１０の封止工程を行う容器である。チャンバ６２には、第１ガス供給口７２、第２ガス供給口７４およびガス排出口７６が設けられる。第１ガス供給口７２は、第１ガス供給部８２と接続されており、酸素濃度が１０体積％以上の第１ガスをチャンバ６２内に導入する。第２ガス供給口７４は、第２ガス供給部８４と接続されており、酸素濃度が０．０１体積％以下の第２ガスをチャンバ６２内に導入する。ガス排出口７６は、チャンバ６２内の雰囲気ガスの交換時に開放され、交換対象となるガスをチャンバ６２の外部に排出する。
載置台６４は、チャンバ６２の内部に設けられ、封止工程の対象となるパッケージ基板３０が載置される。載置台６４には加熱冷却機構６６が設けられる。加熱冷却機構６６は、パッケージ基板３０を加熱するためのヒータと、パッケージ基板３０を冷却するための空冷機構または水冷機構とを有し、パッケージ基板３０の加熱および冷却を可能にする。加熱冷却機構６６は、加熱機能だけを有してもよく、自然放熱によりパッケージ基板３０が冷却されてもよい。
載置台６４の上方には蓋体搬送部６８が設けられる。蓋体搬送部６８は、蓋体４０をパッケージ基板３０の上部に搬送してパッケージ基板３０の上に蓋体４０が載置されるようにする。蓋体搬送部６８は、パッケージ基板３０の上に載置された蓋体４０に荷重を加えて、パッケージ基板３０と蓋体４０の間が仮封止されるようにする。金属接合材５６は、あらかじめパッケージ基板３０または蓋体４０のいずれか一方に仮止めされていてもよいし、蓋体４０の搬送前に蓋体搬送部６８などによりパッケージ基板３０の上に載置されてもよい。
図３は、実施の形態に係る光半導体装置１０の製造方法を示すフローチャートである。まず、酸素を含む第１ガスの雰囲気中で光半導体素子２０が収容されたパッケージ基板３０の上に蓋体４０を載置する（Ｓ１０）。第１ガスは、酸素濃度が１０体積％以上であり好ましくは酸素濃度が２０体積％以上である。第１ガスは、窒素（Ｎ２）と酸素を含む乾燥空気であってもよい。このとき、パッケージ基板３０の上面３１と蓋体４０の内面４４との間に金錫の金属接合材５６が挟み込まれるようにする。金属接合材５６は、例えば、枠状の第１金属層５１に対応した枠形状のプリフォームである。金属接合材５６は、あらかじめパッケージ基板３０の第１金属層５１に取り付けられていてもよいし、蓋体４０の第２金属層５２に取り付けられていてもよい。
つづいて、パッケージ基板３０の上に蓋体４０が載置された状態で、雰囲気中の酸素濃度が低下するように雰囲気ガスを第２ガスに交換する（Ｓ１２）。第２ガスは、実質的に酸素を含まない不活性ガスであり、例えば、純窒素ガスである。第２ガスは、酸素濃度が０．０１体積％以下であり、好ましくは酸素濃度が０．００５体積％以下である。このような実質的に酸素を含まない第２ガスに雰囲気ガスを交換することで、パッケージ基板３０の外部の雰囲気中の酸素濃度を低下させることができる。このとき、パッケージ基板３０の内部の酸素が外部に漏出し、パッケージ基板３０の内部の酸素濃度が低下するのを抑制するために、蓋体４０の上から荷重をかけてパッケージ基板３０と蓋体４０の間が仮封止されることが好ましい。ここで、仮封止とは、完全な密閉性を有しないものの、パッケージ基板３０と蓋体４０の間の隙間を小さくすることによりパッケージ基板３０の内部の気密性が高められるようにすることをいう。
次に、雰囲気ガスを第２ガスに交換する工程の開始後、蓋体４０の上から荷重を加えた状態で金錫接合材５６を加熱溶融する（Ｓ１４）。これにより、パッケージ基板３０の第１金属層５１と蓋体４０の第２金属層５２の間で金錫の共晶接合が形成されるようにする。金錫接合材を加熱するタイミングは、雰囲気ガスが完全に第２ガスに交換されるまで待つのではなく、第２ガスの交換工程と並行して行うことが望ましい。特に、パッケージ基板３０の内部の酸素濃度が１体積％以上、好ましくは３体積％以上である一方、パッケージ基板３０の外部の酸素濃度が０．１体積％以下、好ましくは０．０４体積％以下となるタイミングで行うことが好ましい。このような条件下で加熱溶融することで、パッケージ基板３０の内部に１体積％以上の酸素が含まれるようにしつつ、酸素濃度が０．１体積％以下の雰囲気下で金錫の加熱溶融を行うことができる。
次に、蓋体４０の上から荷重を加えた状態のまま第２ガスの雰囲気中で金属接合部５３を冷却する（Ｓ１６）。加熱溶融した金属接合材５６が冷えて固まるまでの間、実質的に酸素が含まれない第２ガスの雰囲気下に置くことにより、金属接合部５３の酸化を防いで信頼性の高い共晶接合部を形成することができる。これにより、図１に示す光半導体装置１０ができあがる。
図４は、雰囲気ガスの交換時におけるパッケージ内外の酸素濃度の変化を模式的に示すグラフである。グラフの曲線Ａは、パッケージ基板３０の内部の酸素濃度の変化を示し、グラフの曲線Ｂは、パッケージ基板３０の外部の酸素濃度の変化を示す。グラフに示す例では、第１ガスの酸素濃度が２０体積％であり、第２ガスの酸素濃度が０．００５体積％である。グラフは、第２ガスの交換の開始時点からの時間経過を示し、縦軸の酸素濃度［体積％］は対数表記である。曲線Ｂに示されるように、パッケージ基板３０の外部の酸素濃度は、酸素を実質的に含まない第２ガスの注入により酸素濃度が急速に低下する。例えば、パッケージ外の雰囲気中の酸素濃度は、時刻ｔ１において０．１体積％となり、時刻ｔ２において０．０４体積％となる。一方、パッケージ基板３０の内部の酸素濃度の低下は、パッケージ基板３０の外部よりも遅い。例えば、パッケージ内の酸素濃度は、時刻ｔ２よりも後の時刻ｔ３に３体積％となり、時刻ｔ４に１体積％となる。
図示されるグラフから、第２ガスの交換の開始後の時刻ｔ１〜ｔ４の間に金属接合材５６の加熱溶融をすれば、パッケージ外の酸素濃度が０．１体積％以下であり、かつ、パッケージ内の酸素濃度が１体積％以上という条件下で金錫接合を行うことができる。また、時刻ｔ２〜ｔ３の間に金属接合材５６の加熱溶融をすれば、パッケージ外の酸素濃度が０．０４体積％以下であり、かつ、パッケージ内の酸素濃度が３体積％以上という好適な条件下で金錫接合を行うことができる。パッケージ内外の酸素濃度の変化は、チャンバ６２の容積や第２ガスのフローレート、パッケージ基板３０と蓋体４０の間の仮封止の程度などに依存する。ある実施例において、時刻ｔ１は１〜５秒後、時刻ｔ２は５〜１０秒後、時刻ｔ３は１０〜１５秒後、時刻ｔ４は２０〜３０秒後である。したがって、第２ガスの交換を開始してから５〜１５秒程度、例えば１０秒程度待ってから金属接合材５６の加熱溶融されるようにすることで、好適な酸素濃度の条件下で金属接合部５３を形成できる。
本実施の形態によれば、金属接合材５６の加熱溶融時において少なくともパッケージの外周に位置する金属接合材５６の酸化を防ぐことができるため、パッケージ外周の接合性を高めることができる。これにより、封止構造５０の信頼性を高めることができる。また、パッケージ内部には一定割合以上の酸素が残留するため、酸素濃度が低いことによる半導体積層構造２２の劣化を好適に防ぐことができる。これにより、光半導体素子２０の長寿命化を実現して光半導体装置１０の信頼性を高めることができる。
以上、本発明を実施の形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
上述の実施の形態および変形例では、光半導体装置のパッケージ内に光半導体素子のみを含める場合を示した。さらなる変形例においては、付加的な機能を持たせるために光半導体素子以外の電子部品をパッケージ内に組み込むこととしてもよい。例えば、電気的サージから光半導体素子を保護するためのツェナーダイオードを筐体内に組み込むこととしてもよい。また、光半導体素子が出力する光の波長を変換するための蛍光体を組み込んでもよいし、光半導体素子が発する光の配向を制御するための光学素子を組み込んでもよい。
上述の実施の形態および変形例では、パッケージ内に発光素子を封止した光半導体装置について示した。さらなる変形例においては、受光素子を封止するために上述の封止構造を用いてもよい。例えば、深紫外光を受光するための受光素子の封止に上述のパッケージ構造を用いてもよい。つまり、上記パッケージを光半導体素子の封止に用いてもよい。
上述の実施の形態および変形例では、基板の材料として高温焼成セラミック多層基板（ＨＴＣＣ）を用いる場合を示した。さらなる変形例では、セラミック材料としてシリカ（ＳｉＯ２）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）等を含む低温焼成セラミック多層基板（ＬＴＣＣ、Low Temperature Co-fired Ceramic）を用いてもよい。この場合、基板に形成される電極や金属層としてタングステンやモリブデンなどの高融点材料の代わりに、銅（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）などの比較的融点の低い金属材料を基材を使用し、その上にＮｉ／Ａｕの多層膜を形成してもよい。
１０…光半導体装置、２０…光半導体素子、３０…パッケージ基板、４０…蓋体、５３…金属接合部、５６…金属接合材。

Claims (5)

  1. 酸素（Ｏ２）を含む第１ガスの雰囲気中で、光半導体素子が収容されるパッケージ基板上に、金錫（ＡｕＳｎ）を含む接合材を間に挟んで、透光性を有する蓋体を載置する工程と、
    前記パッケージ基板上に載置される前記蓋体の上から荷重をかけて仮封止した状態で、雰囲気中に含まれる酸素濃度が低下するように雰囲気ガスを第２ガスに交換する工程と、
    前記第２ガスに交換する工程の開始後に前記接合材を加熱溶融させて前記パッケージ基板と前記蓋体の間を接合する工程と、を備えることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
  2. 前記第２ガスの雰囲気中で、前記パッケージ基板上に接合される前記蓋体の上から荷重をかけた状態を維持しながら接合部を冷却する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置の製造方法。
  3. 前記第１ガスは、酸素（Ｏ２）の含有率が１０体積％以上であり、前記第２ガスは、酸素（Ｏ２）の含有率が０．０１体積％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の光半導体装置の製造方法。
  4. 前記パッケージ基板の内部の酸素濃度が１体積％以下に低下する前に前記接合材の加熱溶融を開始させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光半導体装置の製造方法。
  5. 前記パッケージ基板の外部の酸素濃度が０．１体積％以下に低下した後に前記接合材の加熱溶融を開始させることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光半導体装置の製造方法。
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