JP7233304B2 - 発光装置、および、その製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ＬＥＤ等の発光素子を実装した発光装置に関し、特に、紫外光を発するＬＥＤのように大電流の供給が必要な発光素子を気密パッケージに封止した発光装置に関する。
紫外光を発するＬＥＤは、湿度によって劣化しやすいＡｌＧａＮ半導体を発光層に用いるため、パッケージを気密封止することが望ましい。しかしながら、可視光ＬＥＤの周囲に樹脂を充填して封止する構造は、樹脂が紫外光により劣化するため紫外光ＬＥＤには用いることができない。そのため、例えばＡｌＮセラミック焼結体により形成したキャビティの底面に、ＡｌＮのサブマウントに搭載した紫外光ＬＥＤを実装し、キャビティの開口を石英板により封止した構造が用いられる。
特許文献１には、ＡｌＮからなる基板の厚さ方向に貫通して形成した貫通電極を設け、貫通電極とＡｌＮ基板上に、発光素子を搭載して接合するダイパッドを配置した構成が開示されている。
特開２０１６－１２７２５４号公報
近年、大光量、かつ、大面積で、一様に発光するＬＥＤが求められている。そのため、ＬＥＤの大面積の半導体層に対して、一様に大電流を供給可能で、さらに、大電流供給によりＬＥＤが発する熱を効率よく外部の放熱構造まで伝導するパッケージ構造が必要とされている。
特許文献１に記載の構造は、貫通電極を用いているが、大電流を半導体層に対して一様に供給し、発生する熱を外部まで伝導するための工夫はなされていない。具体的には、めっき充填の際に内部にボイドが生じやすい貫通電極を用いながら、電気抵抗を下げ、熱伝導性を高めるための構成は開示されてない。
本発明の目的は、発光素子の大面積な半導体層に、一様に、大電流を供給可能であって、かつ、熱引き特性がよい発光装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明では、発光層を含む半導体層と、前記半導体層に接合され、発光層を発光させる電流を供給する第１および第２の素子電極とを備えた発光素子と、キャビティが設けられ、キャビティの底面に発光素子が搭載されたＳｉ基板とを有する。第１の素子電極は、半導体層のキャビティの底面側を向く面に配置されている。Ｓｉ基板のキャビティの底面には、発光素子の第１の素子電極に対向する位置に、スリット状の貫通孔と、貫通孔を充填する貫通電極とが備えられている。貫通電極の上面の長軸方向の長さは、貫通電極のＳｉ基板の厚さ方向における高さよりも大きい。発光素子の第１の素子電極と、対向する貫通電極の上面との間には、それぞれ、貫通電極の上面形状に対応する形状を有する接合層が配置されている。貫通電極の上面全体は、接合層を介して、第１の素子電極と接合されている。
本発明によれば、発光素子の大面積な半導体層に、一様に、大電流を供給可能であって、かつ、熱引き特性がよい発光装置を提供することができる。
本発明の実施形態の発光装置の断面図。 （ａ）実施形態の発光装置のＳｉ基板１の上面図、（ｂ）その下面図。 実施形態の発光装置のＳｉ基板１のキャビティ２の底面領域の斜視図。 実施形態の発光装置の発光素子５の断面図。 図４の発光素子５の下面図。 （ａ）および（ｂ）は実施形態の発光装置のＳｉ基板１の貫通電極４の断面図。 （ａ）実施形態の発光装置のＳｉ基板１のキャビティ２を蓋部材９で封止する工程を示す説明図、（ｂ）封止後の構造を示す説明図。 （ａ）～（ｅ）実施形態の発光装置の製造工程を示す断面図。 （ａ）～（ｄ）実施形態の発光装置の製造工程を示す断面図。 （ａ）～（ｅ）実施形態の発光装置の製造工程を示す断面図。 （ａ）～（ｅ）実施形態の発光装置の製造工程を示す断面図。 実施形態の発光装置のＳｉ基板１の貫通孔３，１３の内壁を凹凸形状にした例を示す断面図。
本発明の一実施形態の発光装置について図面を用いて説明する。
本実施形態の発光装置の断面図を図１に示す。また、発光装置の基板１の上面図及び下面図を図２（ａ）、（ｂ）に、発光装置の基板１の貫通電極４の斜視図を図３に示す。
本実施形態の発光装置は、Ｓｉ基板１に設けたキャビティ（凹部）２の底面２ａに、スリット状の貫通孔３を設け、さらにスリット状の貫通孔３を充填する形状の貫通電極４を設けた構成とする。図２（ａ）および図３のように、貫通電極４の上面の長軸方向の長さは、貫通電極４の高さ（Ｓｉ基板１の厚さ方向）よりも大きく、貫通電極４の上面の短軸方向の幅が貫通電極４の高さよりも小さくなるように設計されている。
また、キャビティ２の底面２ａには、発光素子５が搭載され、発光素子５の底面の第１の素子電極６を貫通電極４の上面に接合層８によって直接接合する。
このように、スリットを充填した形状の貫通電極４により、発光素子５の素子電極６に直接接合して電流を供給することにより、発光素子５の底面電極６と貫通電極４との接触面積が、特許文献１などに記載されているような一般的な柱状の貫通電極を用いた場合よりも、貫通電極４の上面の長軸方向について大きく、発光素子５の第１の素子電極６に一様に大電流を効率よく供給できる。
特に、第１の素子電極６の形状が、スリットを充填した形状の貫通電極４の上面形状に対応した線状の電極である場合、線状の電極の全体に貫通電極４の上面が接合層６を介して接合されて、線状の電極の全面に電流を供給できるため、線状の電極に一様に大電流を供給でき、広い領域の半導体層を効率良く発光させることができる。
また、貫通電極４が、発光素子５の素子電極６に直接接合することにより貫通電極４を介して発光素子５の発する熱を効率よく放熱することができる。固貫通電極４と発光素子５の素子電極６との接合において、Ｓｉ基板上に形成される熱酸化膜が介在することもない。さらに、スリットを充填した形状の貫通電極４は、発光素子５の発する熱を上面全体で受け取って、上面の長手方向に平行な方向について分散させながら、高さ方向に伝導することができる。よって、発光素子５の半導体層において発生する熱を、スリットを充填した形状の貫通電極４によって効率よく伝導し、Ｓｉ基板１の外部に放熱することができる。
スリット状の貫通孔３を充填する貫通電極４は、長軸方向と幅方向の両方のサイズが高さ方向のサイズよりも大きい大容積の貫通電極と比較して、貫通電極形成時にボイドが内部に形成されにくく、結果的に、電気抵抗を低く、かつ、熱伝導を高くすることができる。
貫通電極４がスリット状であることにより、特許文献１などに記載されている一般的な柱状の貫通電極を備えた場合と比較して、熱膨張差による問題を抑制することができる。つまり、金属からなる貫通電極４、Ｓｉからなる基板１、および、基板１表面および貫通孔内壁に形成された熱酸化膜（ＳｉＯ２）の熱膨張差により、クラックなどが生じることを抑制することができる。特に、貫通電極４をスリット状とすることにより、柱状の場合と比較して、熱酸化膜の占める割合が低くなり、熱酸化膜に発生するクラックを抑制することができる。
以下、本実施形態の発光装置をさらに具体的に説明する。
図１に示すように、本実施形態の発光装置は、発光素子５と、Ｓｉ基板１とを備えて構成されている。発光素子５は、発光層を含む半導体層１５と、第１および第２の素子電極６，７とを備えている。
ここでは、第１および第２の素子電極６，７は、半導体層１５の底面に接合され、発光層を発光させる電流を供給する。発光素子５の断面構造は、図４の構造であり、半導体基板１５ｄと、半導体基板１５ｄの下面全体に備えられたｎ型半導体層１５ｃと、ｎ型半導体層１５ｃの下面に備えられた発光層１５ａおよびｐ型半導体層１５ｂとを備えて構成される。
発光層１５ａおよびｐ型半導体層１５ｂの積層体は、長さよりも幅が狭い矩形であり、この矩形の積層体が、複数本（ここでは６本）、所定の間隔をあけてストライプ状に、ｎ型半導体層１５ｃの全体にわたって配置されている。発光層１５ａとｐ型半導体層１５ｂの積層体の端部は、互いに接続されている。発光層１５ａおよびｐ型半導体層１５ｂの積層体の側面は、絶縁層により覆われている。
発光素子５の下面形状を図５に示す。第１の素子電極６は、長さよりも幅が狭い複数の線状電極部６ａと、線状電極部６ａの端部を接続する接続電極部６ｂとを含み、櫛形である。線状電極部６ａは、ストライプ状のｐ型半導体層１５ｂの下面の長手方向に沿うようにそれぞれ接合されている。なお、図４に示すように、第１の素子電極６は、ｐ電極６１とパッド電極６２との積層構造である。
同様に、第２の素子電極７は、長さよりも幅が狭い線状電極部７ａと、線状電極部７ａの端部を接続する接続電極部７ｂとを含み、櫛形である。線状電極部７ａは、ストライプ状のｐ型半導体層１５ｂの間隙の、ｎ型半導体層１５ｃが露出されている領域にそれぞれ配置されている。なお、第２の素子電極６は、ｎ電極１７１とパッド電極１７２との積層構造である。
第１の素子電極６と第２の素子電極７との間に、電流を流すことにより、発光層１５ａに電流が流れて発光し、半導体基板１５ｄの上面から出射される。半導体基板１５ｄの上面には、光の取り出し効率を向上させるために、凹凸加工が施されている。凹凸の表面には、保護層４５が配置されている。
本実施形態の発光素子５を半導体層１５の各層の組成の一例は、図４に示した通りであり、ＡｌＧａＮ系の発光層１５ａを用いる。この発光層１５ａは、紫外光を発光する。ＡｌＧａＮ系の発光層１５ａは、湿度により劣化する性質を有するため、本実施形態の発光装置は、発光素子５を気密に封止することにより、湿気の侵入を防ぐ。封止構造については後述する。
一方、Ｓｉ基板１には、キャビティ２が設けられ、キャビティ２の底面に発光素子５が搭載されている。
Ｓｉ基板１のキャビティ２の底面領域には、図２（ａ）のように、発光素子５の第１の素子電極６のストライプ状の線状電極部６ａに対向する位置に、スリット状の貫通孔３が設けられている。貫通孔３の内部には、貫通孔３を充填する貫通電極４が備えられている。Ｓｉ基板１の裏面（キャビティ２の底面領域とは反対側の面）には、裏面電極１１が設けられ、裏面電極１１は貫通電極４と接続されている。
また、Ｓｉ基板１のキャビティ２の底面領域には、第２の素子電極７の接続電極部７ｂに対向する位置に、スリット状の貫通孔１３が設けられている。貫通孔１３の内部には、貫通孔１３を充填する貫通電極１４が設けられている。Ｓｉ基板１の裏面には、裏面電極１２が設けられ、裏面電極１２は貫通電極１４と接続されている。
貫通電極４の形状は、上述したように、上面の長軸方向の長さが高さよりも大きく、上面の短軸方向の幅が高さよりも小さい図３のような形状である。貫通電極１４の形状も同様である。具体的には例えば、貫通電極４、１４の上面の長軸方向の長さは、短軸方向の幅の３倍以上、好ましくは１０倍以上となるように設計する。
発光素子の第１の素子電極６の線状電極部６ａと、対向する貫通電極４の上面との間には、それぞれ、貫通電極４の上面形状に対応する形状を有する接合層８が配置され、貫通電極４の上面全体は、接合層８を介して、第１の素子電極６の線状電極部６ａと接合されている。
同様に、貫通電極１４の上面全体は、接合層８を介して、第２の素子電極７の接続電極部７ｂと接合されている。
このとき、本実施形態においては、接合層８はその一部が、Ｓｉ基板１の貫通孔３の内壁の上部と、貫通電極４の上部との間に存在する極めてわずかな間隙をも充填するように構成され、貫通電極４の周囲を気密に封止している（図６（ａ），（ｂ）参照）。なお、図６は、接合層８が間隙を埋めることを説明するために間隙を強調して示すものであり、貫通電極と貫通孔３の内壁とは、基本的に密着している。
また、キャビティ２の開口の上面には、開口を塞ぐ蓋部材９が搭載され、キャビティ２の開口の周囲を気密に封止している。
つまり、Ｓｉ基板１の蓋部材９が搭載されている領域には、Ｓｉ基板１と蓋部材９とを固相拡散によって接合する固相拡散接合部７０が設けられている。固相拡散接合部７０は、発光素子、キャビティ２を囲むように環状に形成されている。
固相拡散接合部７０は、蓋部材９側とＳｉ基板１側の両方に固相拡散接合可能な材料を備えるとともに、いずれかを塑性変形可能な材料とすることにより形成されている。また、固相拡散可能な材料としては、金属またはＳｉを用いることができ、塑性変形可能な材料としては、金属を用いる。例えば、固相拡散接合部７０は、(1)Ｓｉ基板１側に形成された金属層と、蓋部材９側に形成された金属層とを固相拡散により接合した構成であってもよいし、(2)Ｓｉ基板１側に形成された金属層と、蓋部材９側に形成されたＳｉ層とを固相拡散により接合した構成であってもよいし、(3)Ｓｉ基板１そのもの、またはＳｉ基板１側に形成されたＳｉ層と、蓋部材９側に形成された金属層とを固相拡散により接合した構成であってもよい。
固層拡散接合部７０は、Ｓｉ基板１および蓋部材９の一方に設けられた凹部と、他方に設けられた凸部とが嵌めあわされた領域に形成してもよい。
例えば、蓋部材９の下面およびＳｉ基板１の上面のうち、一方（ここではＳｉ基板１の上面側）には、図７（ａ）のような凹部７１が備えられ、他方（ここでは蓋部材９側）には、塑性変形する材料により構成された凸部７２が備えられ、凸部７２は、凹部７１に挿入されて塑性変形することにより凹部７１を充填し、凹部７１と密着した図７（ｂ）のような構造とすることができる。これにより、凹部７１の内壁と、凸部７２とは、固相拡散接合され、Ｓｉ基板１と蓋部材９とを気密に封止する固相拡散接合部７０を構成することができる。
凹部７１は、凸部７２により完全に充填されるものであっても、空洞を含む状態で充填されるものであってもよく、凹部７１の内壁と凸部７２との間において固相拡散接合がなされていればよい。また、固相拡散接合は、凹部７１の内壁の内側で形成されていてもよいし、凹部７１の内壁の外側で形成されていてもよい。
凸部７２は、例えば表面がＡｕ層である金属製とすることにより、Ｓｉ基板１の内壁と固相拡散接合することができる。また、Ｓｉ基板１の内壁にも、表面がＡｕ層である金属層７３を設けることにより、Ａｕ－Ａｕ固相拡散により、凸部７２と凹部７１とを接合することができる。
例えば凸部７２は、図７（ａ）の構造の場合、蓋部材９側から順にＣｒ層、Ｎｉ層、Ａｕ層を積層した構造とすることができる。また、凹部７１の内壁の金属層７３は、Ｓｉ基板１側から順にＣｒ層、Ｎｉ層、Ａｕ層を積層した構造とすることができる。
また、本実施形態のように、Ｓｉ基板１上に金属層７３を形成することだけでなく、Ｓｉ基板１表面に形成された熱酸化膜（ＳｉＯ２）を部分的に除去してＳｉ基板１の一部を露出することにより、当該Ｓｉ基板１の露出部と蓋部材９側に形成された金属層（凸部７２）とを圧着させて固相拡散接合部７０を形成することもできる。
本実施形態のように、Ｓｉ基板１上に形成される凹部７１は、溝として形成されるものに限られず、Ｓｉ基板１の外側面に凹部７１の内壁が露出するように形成されていてもよい。
また、固層拡散接合部７０を形成する凹部と凸部との組み合わせは、凸部をＳｉとし、凹部の内側を金属層（めっき層）として、両者を圧着することにより、凹部内側の金属層を塑性変形させて固相拡散を生じさせて接合する構成にすることもできる。具体的には、図７（ａ），（ｂ）のようにＳｉ基板１側に凹部７１を設けて凹部７１内に金属層７３を設け、蓋部材９側に陽極酸化接合等によりＳｉからなる凸部７２を取り付け、両者を圧着することにより、固相拡散接合部を形成することもできる。
さらに、本実施形態の発光装置のように、凹部と凸部とを組み合わせる構成に限らず、キャビティ２の内壁において固層拡散接合部を形成することもできる。
なお、蓋部材９は、発光素子５の発する光を透過させる材料により構成され、板状部材であってもよいし、レンズ等のように所望の光学特性を備えた光学部品であってもよい。
このように、接合層８によって貫通電極４の上部の周囲を充填するとともに、キャビティ２の開口を蓋部材９によって塞ぐことにより、キャビティ２内の空間を気密に封止することができる。これにより、発光素子５の半導体層１５がＡｌＧａＮ系のように湿度により劣化を生じやすいものを用いる場合であっても、キャビティ２を気密に保つことで湿気の侵入を防いで劣化を抑制し、信頼性を向上させることができる。
なお、貫通電極４，１４は、接合層８よりも融点の高い金属により構成され、かつ、貫通電極４，１４の上面は、Ｓｉ基板１のキャビティ２の底面よりも貫通孔３，１３の内側に位置するように設計されている。これにより、キャビティ２の底面にめっきにより貫通電極４，１４を形成する場合であっても、貫通電極４，１４がＳｉ基板１のキャビティ２の底面から突出して発光素子５の搭載時の妨げになるのを防止できる。しかも、接合層８を、貫通電極４，１４よりも融点を低いものを用いることにより、接合層８を溶融することにより貫通電極４，１４の上面と第１及び第２の素子電極６，７と接合することができる。
なお、貫通電極４，１４と接合層８との間には、貫通電極４，１４と接合層８との混合を防ぐバリア層１０が配置されている。バリア層１０を配置することにより、接合層８を溶融した際に、貫通電極４，１４を構成する材料が接合層８に混合しない。よって、接合層８として共晶半田等の共晶合金を用いる場合であっても、その融点や合金特性を維持することができる。なお、バリア層１０の上面は、キャビティ２の上面よりも貫通孔３の内側に位置するように形成することが、発光素子５の搭載時の妨げとならず望ましい。
例えば、貫通電極４，１４をＣｕ製とし、接合層８として、ＡｕＳｎ層を用いることができる。この場合、バリア層１０としては、Ｎｉ層を用いることができる。
＜発光装置の製造方法＞
ここで、本実施形態の発光装置の製造方法について説明する。
図８（ａ）のように、Ｓｉ基板１として、結晶面方位が（100）のベアＳｉウエハ（厚み４００μｍ）を用意し、図８（ｂ）のように、レジストマスク８１を表面に形成し、凹部であるアライメントマーク８２および封止用の凹部７１を深掘りドライエッチング（ＤＲＩＥ）により形成する。凹部７１のサイズは一例として、開口幅３～５μｍ、深さ３μｍ～５μｍとする。
図８（ｃ）のように、レジストマスク８１を除去した後、Ｓｉ基板１の両面に熱酸化膜（SiO2）８３，８４を、例えば厚さ１μｍ程度に形成する。
つぎに、図８（ｄ）のように、Ｓｉ基板１の凹部７１側が形成されている側の面にレジストマスク８５を形成して、キャビティ２の開口となる領域の熱酸化膜８３をドライエッチングにより除去する。さらに、図８（ｅ）のように、熱酸化膜８３および８４をマスクとして、Ｓｉ結晶異方性エッチングによりキャビティ２を形成する。エッチング溶液としては、例えば、２５ｗｔ％ＴＭＡＨ（水酸化テトラメリルアンモニウム）溶液を用い、８０℃で１３時間エッチングを行うことにより、深さ３００μｍで、底面のＳｉ基板１の厚みが１００μｍのキャビティ２を形成することができる。
一方、図９（ａ）に示すように、支持基板９１となるＳｉ基板を用意し、片面にワックスを塗布してワックス層９２を形成する。図９（ｂ）のようにキャビティ２が形成されたＳｉ基板１のキャビティ２の開口側の面に、支持基板９１をワックス層９２により固定する。例えば、ウエハボンダーで１４０℃に加熱し、１０００Ｎの圧力で押すことにより、支持基板９１をＳｉ基板１に固定する。
つぎに、図９（ｃ）のように、Ｓｉ基板１の熱酸化膜８４の上にレジストマスク９３を形成し、スリット状の貫通孔３，１３を形成すべき位置の熱酸化膜８４を反応性イオンエッチング装置等を用いてドライエッチングにより除去する。
図９（ｄ）のように、レジストマスク９３および熱酸化膜８４をマスクとして、反応性イオンエッチング装置等を用いてＳｉ基板１を深掘りドライエッチングすることにより、スリット状の貫通孔３，１３を形成する。
図１０（ａ）のように、支持基板９１から剥離してマスク９３を除去したのち、図１０（ｂ）のようにＢＨＦ（バッファードフッ酸）溶液に浸漬して、Ｓｉ基板１から熱酸化膜８３，８４を除去する。
図１０（ｃ）のように、貫通孔３，１３の内壁も含めて、Ｓｉ基板１の全面に熱酸化膜を厚さ１μｍ程度形成する。
図１０（ｄ）のように、電界めっき用のＣｕ電極１０２をＳｉ基板の裏面に接着テープ等を用いて貼りつける。この際、Ｓｉ基板１とＣｕ電極との間に隙間が生じないようにする。
図１０（ｅ）のように、Ｓｉ基板１のキャビティ２の開口側に、電極１０３を配置し、電極１０２，１０３間に電圧を印加して、電解めっきにより、Ｓｉ基板１の貫通孔３，１３内に、Ｃｕ電極１０２側からＣｕ層（９５μｍ）、Ｎｉ層（５μｍ）、ＡｕＳｎ層（５μｍ）を順に連続して積層する。めっき溶液は、開始時には、めっき浴として硫酸銅溶液を用いてＣｕ層を形成し、Ｃｕ層が所望の厚さ形成されたならば、ＮｉおよびＡｕＳｎに対応しためっき浴に変更し、Ｎｉ層とＡｕＳｎ層を形成する。
Ｃｕ層は、貫通電極４であり、Ｎｉ層はバリア層１０であり、ＡｕＳｎ層は、接合層８である。
バリア層（Ｎｉ層）１０の上面は、Ｓｉ基板１上の熱酸化膜１０１の上面よりも貫通孔３，１３の内側に位置する。接合層８の上面は、Ｓｉ基板１上の熱酸化膜１０１の上面よりもキャビティ２内に突出している。
ここでは、貫通孔３，１３の形状を開口の長軸方向の大きさが、高さ（Ｓｉ基板１の厚さ方向）より大きく、開口の短軸方向の大きさが、高さより小さく形状であるため、めっき浴へ添加する添加剤や通電量を調整することにより、ボイドのないＣｕ層、Ｎｉ層、ＡｕＳｎ層をめっきにより形成することができる。
なお、電解めっきの前に、スパッタによるシード層形成や、無電解めっきによるシード層形成は行わない。シード層を形成すると、電解めっきで形成される貫通電極４、バリア層１０および接合層８にボイトが発生しやすくなるためである。
図１１（ａ）のようにＳｉ基板１の裏面に、裏面電極１１，１２をリフトオフプロセスで形成する。例えば、裏面電極１１、１２は、Ｓｉ基板１側から順にＴｉ層（０．０５μｍ）、Ｃｕ層（０．１μｍ）、Ｎｉ層（１μｍ）、Ａｕ層（０．５μｍ）を積層した構造とする。
図１１（ｂ）のように、Ｓｉ基板１の凹部７１の少なくとも内壁とその開口周囲に、金属層７３を形成する。具体的には例えば、ステンシルマスクを用い、スパッタ成膜により、Ｓｉ基板１側から順に、Ｔｉ層（０．０５μｍ）、Ｎｉ層（０．５μｍ）、Ａｕ層（１μｍ）を形成することにより金属層７３を形成する。
図１１（ｃ）のように、キャビティ２の底面に、別途製造しておいた発光素子５を第１及び第２の素子電極６，７が、接合層８に接触するように搭載した後、加熱することにより、接合層８を溶融させ、接合層８により第１及び第２の素子電極６，７と貫通電極４，１４と接合する。例えば、３４０℃で１０秒間接合層８を加熱することにより接合する。発光素子５は、紫外光を発するＬＥＤである。
このとき、接合層８を溶融することにより、発光素子５の第１及び第２の素子電極６，７と貫通電極４，１４を接合層８で接合すると同時に、接合層８の溶融物により、貫通孔３，１３の上部における貫通孔３，１３内壁と貫通電極４，１４との間隙を充填することができる。これにより、貫通孔３，１３と貫通電極４，１４とを封止することができる。
図１１（ｄ）のように蓋部材９を用意し、Ｓｉ基板１の凹部７１と対向する位置に、金属により凸部７２を形成する。例えば、蓋部材９として石英ガラスを用意し、スパッタ成膜でＣｒ層（０．０５μｍ）を形成した後、その上に電解めっきによりＮｉ層（１μｍ）とＡｕ層（５μｍ）で積層し、リフトオフプロセスにより凸部７２の形状の金属層を形成する。凸部７２の幅は、例えば６～１０μｍとする。
図１１（ｅ）のように、蓋部材９の凸部７２を、無加熱（１００℃以下）で荷重（例えば３０００Ｎ程度）をかけて凹部７１に挿入する。凸部７２の幅は、凹部７１の内径よりも大きいため、凸部７２は金属層７３の表面に密着するとともに、凹部７１およびその内側の金属層７３に局所的に高圧力が加わり、凸部７２おおび金属層７３の最表面のＡｕ層の結晶が塑性変形する。塑性変形する際に、Ａｕ結晶面に滑り変位が生じて、清浄な結晶面が出現する。凸部７２側と金属層７３側のＡｕ層のそれぞれの清浄な結晶面同士は、強固な接合を形成する。これは、原子レベルでの固相拡散接合であり、接合面の強度は、金属（Ａｕ）バルクの結合強度と同等の高いものになる。結果として、キャビティ２の周囲を、高い気密性でシールすることができる。
なお、結晶面の滑り変位を促進するためには、１００℃～２００℃の温度が有効であり、この程度の温度にすることにより、接合に必要な荷重を低減することができる。凸部７２を凹部７１に挿入することにより、摩擦熱により局所的に温度が上昇するため別途の加熱は行う必要はないが、荷重低減による残留応力の低下のために２００℃未満に加熱しても良い。このように、接合層８（ＡｕＳｎ層）の融点未満の温度で、キャビティ２の周囲と蓋部材９とを接合できるため、接合層８を再溶融させることなく、封止することができる。
以上により、本実施形態の発光装置を製造することができる。
なお、ここでは、凹部７１の内壁がＳｉ基板１に垂直な構造を形成しているが、傾斜させた構成にしてもよいし、階段状の内壁構造としてもよい。
また、凸部７２および金属層７３は、最表面がＡｕ層に限定されるものではなく、Ｃｕ層やＡｇ層を最表面層とした場合も固相接合することができる。この場合Ｃｕ層は、硬いため、凸部７２を凹部７１に挿入する際に、挿入部の温度が２５０℃程度になるように加熱することが望ましい。一方、Ａｇ層は、表面が酸化や硫化しやすいため、不活性ガス中で固相接合を行うことが望ましい。
なお、本実施形態では、図４および図５のように、発光素子５として、第１の素子電極６がストライプ状に配置された線状電極部６ａを有する例について説明したが、本実施形態の発光素子５はこの構造に限定されるものではない。半導体層の下面全体に第１の素子電極６が配置されている発光素子５を用いることも可能である。この場合であって、貫通電極４を図２（ａ）のように配置することにより、ボイドが少ない貫通電極４により、第１の素子電極６の全体に効率よく電流を供給でき、発光素子５の発する熱を効率よく伝導して放熱することができる。
本実施形態では、貫通孔３，１３の内壁面が、Ｓｉ基板１の主平面に対して垂直な形状であったが、図１２に示すように、貫通孔３，１３の内壁を凹凸形状にしてもよい。図１２のように貫通孔３，１３の内壁を凹凸にすることにより、貫通孔３、１３の内壁と、貫通電極４，１４およびバリア層１０との密着性を向上させることができるため、より気密性が向上する。
本実施形態では、Ｓｉ基板１に対して結晶異方性エッチングを行うことにより、キャビティ２を形成するため、鏡面の斜面、底面を有するキャビティ構造を形成できる。また、Ｓｉ基板１のキャビティ２の斜面は、紫外光の反射率が５０～７０％となり、従来のＡｌＮセラミックパッケージの２０％前後の反射率よりも高い。よって、本実施形態の発光装置は、発光素子５の発する紫外光を斜面および底面により高効率で反射することができ、光の出射効率を高めることができる。
また、本実施形態では、貫通電極４の上部に、発光素子５を接合する際に溶融する接合層（ＡｕＳｎ層）８を形成しているため、貫通電極４の上面をキャビティ２の底面から突出させる必要がない。よって、発光素子５を搭載する際に、貫通電極４の上部が妨げになることがなく、平坦なキャビティ２の底面に発光素子５を搭載できるというメリットもある。
また、本実施形態の発光装置は、キャビティ２の底面のＳｉ基板１の厚みを、例えば１００μｍにすることができ、従来のセラミックパッケージ（５００μｍ）よりも非常に薄く放熱性に優れる。
さらに、本実施形態の発光装置は、薄いキャビティ２の底面に設けたスリット状の貫通孔３，１３を充填する貫通電極４，１４により、発光素子５の熱をダイレクトに熱引きするため、放熱性に優れる。
特に、貫通電極４，１４を複数配置することにより、貫通電極４，１４の上面の面積を、発光素子５の底面の面積の５０％以上にすることが可能である。よって、従来のセラミックパッケージと比較して、倍以上の熱引き特性を発揮できる。
また、本実施形態の発光装置は、放熱性が良いため、発光素子５に流せる電流量が増加し、結果として光出力が増大する。
本実施形態の発光装置は、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）プロセスにより、Ｓｉ基板１として用いるＳｉウエハを一括加工して製造することができるため、生産性に優れる。また、小型、薄型対応に優れている。
また、Ｓｉ基板１として、ベアＳｉウエハを用いるため、ＡｌＮセラミックによりキャビティを形成する発光装置と比較して、低コストに製造できる。
本実施形態の発光装置の製造方法は、発光素子５を接合層８によりＳｉ基板１上に実装した後は、常温で蓋部材９をキャビティ２の開口に封止することができるため、接合層８の融点よりも高温に加熱する工程がない。このため、接合層８が再溶融されることにより生じる、接合不具合等のリスクを回避できるとともに、製造コストを低減できる。
また、蓋部材９をキャビティ２の開口に封止する工程は、蓋部材９をキャビティ２に押圧する工程であるため、ウエハ単位で、一括して行うことができ、生産性に優れている。
特に、蓋部材９とＳｉ基板１のキャビティ２の周囲との封止工程は、常温で行うことができるため、蓋部材９として、石英を用いる場合であっても、Ｓｉ基板１と石英との熱膨張係数差による応力歪みによる割れや剥離が生じることがない。これにより、Ｓｉ基板１として、６インチ以上の大口径ウエハを用い、ウエハ単位で蓋部材９を搭載して封止することが可能になり、生産効率が従来の個片実装に比べて大幅に向上し、製造コストの大幅低減が実現できる。
また、第１の素子電極６が線状電極部６ａを含む場合、貫通電極４の形状を線状電極部６ａの形状に１対１に対応させることができる。また、線状電極部６ａ以外であっても、その電極も貫通電極４の形状を対応させることが可能である。また、スリット状の貫通孔を充填した貫通電極４に、正方形や矩形の貫通電極を組み合わせて形成することが可能である。これにより、キャビティ２の底面のＳｉ基板１の表面に、第１の素子電極６に貫通電極４を接続するための再配線パターンが不要であり、直接貫通電極４と第１の素子電極６とを接続することができる。
なお、本実施形態は、貫通電極４の形状と線状電極部６ａの形状とを１対１に対応させているが、本実施形態は１対１対応に限定されるものではない。複数の貫通電極４の一部はまたは全部が相互に連結されることにより一体となった形状や、線状電極部６ａの一部または全部が相互に連結されることにより一体となった形状であってもよい。
また、紫外光を発する発光素子の発光層であるＡｌＧａＮは水分（湿気）により劣化しやすいが、本実施形態の発光装置は、キャビティ２内の気密性を確保することができる。
なお、上述したように、本実施形態の発光装置では、電解めっき工程により、貫通電極４、１４およびバリア層１０の上面が、キャビティ２の底面の貫通孔３、１３の内側に位置し、接合層（ＡｕＳｎ層）８の上面がキャビテイ２の底面から数μｍ突出した電極構造を形成し、溶融したＡｕＳｎが貫通孔３，１３と貫通電極４，１４との微小な隙間を充填し、紫外光の発光素子が要求する気密性を確保する構造であった。本発明は、この構成に限定されるものでなく、貫通孔３，１３の気密性を、裏面電極１１，１２構造の工夫により生じさせる構造でもよい。
具体的には、裏面電極１１，１２をＳｉ基板１側から順に、Ｎｉ層、Ｃｕ層、Ｎｉ層、Ａｕ層の積層構造とする。これにより、貫通電極４，１４のＣｕと裏面電極１１，１２のＣｕ層とのＣｕ同士の固相拡散により密着性を高め、さらに、裏面電極のＮｉ層、Ａｕ層が貫通孔３，１３と貫通電極４との間の微小な隙間をキャップすることができる。これにより、貫通孔３，１３の気密性を確保することができる。
なお、上述の実施形態では、キャビティ２の周囲の凹部７１は、一列であるが、２列以上形成することにより、気密シール性をさらに向上することができる。
本実施形態の発光装置は、Ｓｉ基板１として単結晶Ｓｉを用いたが、多結晶Ｓｉを用いることもできる。Ｓｉ基板として多結晶Ｓｉを用いた場合には、キャビティ加工をドライプロセスで行うことにより、貫通孔形成工程、貫通電極形成工程、トレンチ形成工程は、単結晶Ｓｉ基板を用いた本実施形態の発光装置の製造方法の工程と同様に行うことができる。
本実施形態の発光装置は、発光素子５として、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）素子を用いた発光装置、または、ＶＣＳＥＬ素子をアレイ状配置した発光装置として用いることができる。また、紫外光のＬＥＤを発光素子５として用いる紫外光発光装置として用いることができる。さらに、発光素子５として、紫外光を発するＬＥＤを用い、蓋部材９に蛍光体もしくは蛍光体層を塗布した構造として、可視光ＬＥＤの発光装置を提供することができる。
１…Ｓｉ基板、２…キャビティ、２ａ…キャビティの底面、３，１３…スリット状の貫通孔、４、１４…貫通電極、５…発光素子、６…第１の素子電極、７…第２の素子電極、８…接合層、１１，１２…裏面電極、７２…凸部

Claims (25)

  1. 発光層を含む半導体層と、前記半導体層に接合され、前記発光層を発光させる電流を供給する第１および第２の素子電極とを備えた発光素子と、
    キャビティが設けられ、前記キャビティの底面に前記発光素子が搭載されたＳｉ基板とを有し、
    前記第１の素子電極は、前記半導体層の前記キャビティの底面側を向く面に配置され、
    前記Ｓｉ基板の前記キャビティの底面には、前記発光素子の前記第１の素子電極に対向する位置に、スリット状の貫通孔と、前記貫通孔を充填する貫通電極とが備えられ、
    前記貫通電極の上面の長軸方向の長さは、前記貫通電極の前記Ｓｉ基板の厚さ方向についての高さよりも大きく、前記貫通電極の上面の短軸方向の長さは前記高さより小さく、
    前記発光素子の前記第１の素子電極と、対向する前記貫通電極の上面との間には、それぞれ、前記貫通電極の上面形状に対応する形状を有する接合層が配置され、
    前記貫通電極の上面全体は、前記接合層を介して、前記第１の素子電極と接合されていることを特徴とする発光装置。
  2. 請求項１に記載の発光装置であって、前記接合層の一部は、前記Ｓｉ基板の前記貫通孔の内壁の上部と前記貫通電極との間隙を充填していることを特徴とする発光装置。
  3. 請求項１または２に記載の発光装置であって、前記キャビティの開口の上面には、前記発光素子の発する光を通過させ、前記開口を塞ぐ蓋部材が搭載されていることを特徴とする発光装置。
  4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発光装置であって、前記第１の素子電極は、長さよりも幅が狭い線状電極部を複数含み、前記複数の線状電極部は、当該線状電極部の幅方向について所定の間隔をあけて並べて配置され、
    前記貫通電極は、前記複数の線状電極部の夫々に対向するように複数が設けられていることを特徴とする発光装置。
  5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発光装置であって、前記貫通電極の上面の長軸方向の長さは、短軸方向の幅の３倍以上であることを特徴とする発光装置。
  6. 請求項４に記載の発光装置であって、前記半導体層の前記キャビティの底面側を向く面は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層が、縞状に交互に配置された領域を有し、
    前記第１の素子電極は、複数の前記線状電極部を含み、前記複数の線状電極部は、縞状のｐ型半導体層にそれぞれ接合されていることを特徴とする発光装置。
  7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の発光装置であって、前記貫通電極は、前記接合層よりも融点の高い金属により構成され、かつ、前記貫通電極の上面は、前記Ｓｉ基板の前記キャビティの底面よりも前記貫通孔の内側に位置することを特徴とする発光装置。
  8. 請求項３に記載の発光装置であって、前記Ｓｉ基板の前記蓋部材が搭載されている領域には、前記Ｓｉ基板と前記蓋部材とを固相拡散によって接合する固相拡散接合部が設けられ、
    前記固相拡散接合部は、前記発光素子を囲む環状に形成されていることを特徴とする発光装置。
  9. 請求項８に記載の発光装置であって、前記固相拡散接合部は、前記Ｓｉ基板側に形成された金属層と前記蓋部材側に形成された金属層とを固相拡散により接合した接合部、前記Ｓｉ基板側に形成された金属層と前記蓋部材側に形成されたＳｉ層とを固相拡散により接合した接合部、および、前記Ｓｉ基板または当該Ｓｉ基板側に形成されたＳｉ層と前記蓋部材側に形成された金属層とを固相拡散により接合した接合部、のうちのいずれかであることを特徴とする発光装置。
  10. 請求項８または請求項９に記載の発光装置であって、前記固層拡散接合部は、前記Ｓｉ基板および前記蓋部材の一方に設けられた凹部と、他方に設けられた凸部とが嵌めあわされた領域に形成されていることを特徴とする発光装置。
  11. 請求項３に記載の発光装置であって、前記キャビティの前記開口を塞ぐ部材の下面および前記Ｓｉ基板の上面のうち、一方には、凹部が備えられ、他方には、塑性変形する材料により構成された凸部が備えられ、前記凸部は、前記凹部に挿入されて塑性変形することにより前記凹部を充填し、前記凹部と密着していることを特徴とする発光装置。
  12. 請求項１１に記載の発光装置であって、前記凹部の内壁と、前記凸部とは、固相拡散接合していることを特徴とする発光装置。
  13. 請求項６に記載の発光装置であって、前記第２の素子電極は、長さよりも幅が狭い第２線状電極部と、それらを接続する接続電極部を含み、
    前記第２線状電極部は、前記第１の素子電極の前記線状電極部と交互に配置され、前記縞状のｎ型半導体層にそれぞれ接合され、
    前記Ｓｉ基板の前記キャビティの底面には、前記接続電極部に対向する位置に、スリット状の接続電極用貫通孔と、前記接続電極用貫通孔を充填する接続電極用貫通電極とがさらに備えられ、
    前記接続電極用貫通電極の上面の長軸方向の長さは、前記貫通電極の前記Ｓｉ基板の厚さ方向における高さよりも大きく、
    前記発光素子の前記接続電極部と、前記接続電極用貫通電極の上面との間には、前記接続電極用貫通電極の上面形状に対応する形状を有する接続電極用接合層が配置され、
    前記接続電極用貫通電極の上面全体は、前記接続電極用接合層を介して、前記接続電極部と接合されていることを特徴とする発光装置。
  14. 発光層を含む半導体層と、前記半導体層に接合され、前記発光層を発光させる電流を供給する第１および第２の素子電極とを備えた発光素子と、
    キャビティが設けられ、前記キャビティの底面に前記発光素子が搭載されたＳｉ基板とを有し、
    前記第１の素子電極は、長さよりも幅が狭い線状電極部を３本以上含み、前記３本以上の線状電極部は、前記半導体層の前記キャビティの底面側を向く面の全面に渡って、当該線状電極部の幅方向について所定の間隔をあけて並べて配置され、
    前記Ｓｉ基板の前記キャビティの底面には、前記発光素子の前記３本以上の線状電極部にそれぞれ対向する位置に、前記線状電極の形状に対応する開口形状を有するスリット状の貫通孔と、前記貫通孔を充填する貫通電極とが備えられ、
    前記発光素子の前記線状電極部と、対向する前記貫通電極の上面との間には、それぞれ、前記貫通電極の上面形状に対応する形状を有する接合層が配置され、
    前記貫通電極の上面全体は、前記接合層を介して、前記線状電極部と接合されていることを特徴とする発光装置。
  15. 請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の発光装置であって、
    前記貫通電極と前記接合層との間に、前記貫通電極と前記接合層との混合を防ぐバリア層が配置され、
    前記バリア層の上面は、前記キャビティの上面よりも前記貫通孔の内側に位置することを特徴とする発光装置。
  16. 請求項１５に記載の発光装置であって、前記貫通電極は、Ｃｕにより構成され、前記接合層は、ＡｕＳｎにより構成され、前記バリア層は、Ｎｉにより構成されていることを特徴とする発光装置。
  17. 請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の発光装置であって、前記発光素子は、紫外光を発することを特徴とする発光装置。
  18. Ｓｉ基板に、エッチングによってキャビティを形成する工程と、
    前記キャビティ底面に、エッチングによって、上面の開口の長軸方向の長さが、キャビティの底面の前記Ｓｉ基板の厚さよりも長く、前記開口の短軸方向の長さは前記厚さより小さいスリット状の貫通孔を形成する工程と、
    前記貫通孔をめっきにより充填することにより貫通電極を形成するとともに、貫通電極の上に接合用金属層を形成するめっき工程と、
    前記キャビティ底面上に露出した、前記接合層の上に、発光素子を直接実装する工程とを有することを特徴とする発光装置の製造方法。
  19. 請求項１８に記載の発光装置の製造方法であって、前記実装する工程において、前記接合層を溶融することにより、前記発光素子の電極と接合すると同時に、前記接合層の溶融物により、前記貫通孔の上部における前記貫通孔内壁と貫通電極との間隙を充填することを特徴とする発光装置の製造方法。
  20. 請求項１８または１９に記載の発光装置の製造方法であって、
    前記めっき工程は、
    前記貫通孔内の底面から前記貫通孔の上面より下方位置までめっきすることにより前記貫通電極を形成する工程と、
    前記貫通電極の上面から前記貫通孔の上面より下方位置までめっきすることによりバリア層を形成する工程と、
    前記バリア層の上面から前記貫通孔の上面より上方位置までめっきすることにより前記接合用金属層を形成する工程と、を有することを特徴とする発光装置の製造方法。
  21. 請求項１８ないし２０のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法であって、
    前記Ｓｉ基板の前記キャビティの周囲に、凹部、および、塑性変形する材料からなる凸部、のうちの一方を形成する工程と、
    前記キャビティの開口を覆う部材を用意し、前記キャビティの周囲に対応する位置に、前記凹部および前記塑性変形する材料からなる凸部のうちの他方を形成する工程と、
    前記部材を前記キャビティの前記開口に搭載し、前記凸部を前記凹部に圧入することにより、前記凸部を変形させ、前記凹部内壁に密着させて接合する工程とをさらに有することを特徴とする発光装置の製造方法。
  22. 請求項２１に記載の発光装置の製造方法であって、
    前記密着させて接合する工程においては、常温、または、前記接合用金属層の融点未満の温度、による加熱雰囲気下において、荷重による固相拡散接合が行われることを特徴とする発光装置の製造方法。
  23. 請求項１８ないし２２のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法であって、
    前記Ｓｉ基板は単結晶であり、
    前記キャビティを形成する工程は、前記単結晶のＳｉ基板をアルカリ溶液により結晶異方性エッチングする工程であることを特徴とする発光装置の製造方法。
  24. 請求項１８ないし２３のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法であって、
    前記貫通電極を形成する工程は、前記貫通孔を電解めっきにより充填する工程であることを特徴とする発光装置の製造方法。
  25. 請求項２１ないし２４のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法であって、前記凸部を構成する金属は、Ａｕであり、前記凹部の内壁にもＡｕ層が設けられ、前記密着させて接合する工程により前記凸部を構成するＡｕと前記凹部の内壁のＡｕ層とを、Ａｕ－Ａｕ固相拡散接合することを特徴とする発光装置の製造方法。
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