JPWO2013080396A1 - 窒化物半導体発光装置 - Google Patents

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Abstract

窒化物半導体発光装置は、窒化物半導体発光素子３と、窒化物半導体発光素子３を保持し且つ第１の金属を主成分とする基台１１と、基台１１に固着されたキャップ３０と、基台１１に形成された開口部１１ｃと、開口部１１ｃを通るリードピン１４ａ、１４ｂとを備え、リードピン１４ａ、１４ｂは該リードピン１４ａ、１４ｂの側から順に絶縁部材１８ａ、１８ｂと緩衝部材２０ａ、２０ｂとを間に挟んで開口部１１ｃの内壁に固定され、絶縁部材１８ａ、１８ｂは成分にシリコン酸化物を含む。緩衝部材２０ａ、２０ｂは第１の金属より標準酸化還元電位の小さい第２の金属または該第２の金属を含む合金からなる。

Description

本発明は、プロジェクターなどのディスプレイやレーザ加工装置に用いる半導体発光装置に関する発明である。特に、出射光の波長が紫外光から青色光の光を発し且つ出射光強度の大きい窒化物半導体発光素子を用いた窒化物半導体発光装置に関する発明である。
レーザディスプレイやプロジェクターなどの画像表示装置の光源や、レーザスクライビング装置、薄膜のアニール装置などの産業用加工装置の光源用途として、半導体レーザなどの窒化物半導体発光素子を用いた窒化物半導体発光装置が盛んに開発されている。これらの窒化物半導体発光素子の出射光は、波長が紫外光から青色光であり、また、光出力は１ワットを超える非常にエネルギーが大きい場合もある。このため、窒化物半導体発光素子が実装されるパッケージにもさまざまな工夫が必要となる。
このような背景に対し、従来の窒化物半導体発光装置においては、例えば、特許文献１で説明されているように、出射光の波長が赤外や赤色である半導体レーザが搭載された半導体発光装置と同様のパッケージ構造が用いられてきた。具体的に半導体発光装置は、半導体発光素子を金属製の基台上に実装し、その後、光透過窓が取り付けられたキャップ部材で封止される。この構成により、半導体発光素子を外部から封止するとともに、半導体発光素子からの放熱と、半導体発光素子からの光を外部に取り出すことの両立を実現する。以下、まず、図１１を用いて従来の半導体発光装置について説明する。
従来の半導体発光装置１０００は、半導体レーザ素子１０３０と、サブマウント１０１０と、パッケージ１０４０と、キャップ部材１１００で構成され、パッケージ１０４０は、鉄系材料で構成されたステム１００１と、ステム１００１上に取り付けられた無酸素銅で構成されたブロック部１００２と、ステム１００１の貫通孔１００１ａ、１００１ｂにガラスで構成された絶縁リング１０２０を介して取り付けられたリードピン１００４、１００５およびステム１００１に直接取り付けられたリードピン１００３で構成される。半導体レーザ素子１０３０はサブマウント１０１０を介してブロック部１００２に実装され、２本のワイヤ１００８、１００９によりリードピン１００４、１００５に電気的に接続される。また、キャップ部材１１００は、コバールで構成された金属キャップ１１０３と低融点ガラス１１０５で固定されたガラスからなる光透過窓１１０４で構成される。金属キャップ１１０３は円筒状の側壁部１１０１と、側壁部１１０１の一端を閉じるとともに半導体レーザ素子１０３０からのレーザ光を外部に取り出す出射孔１１０２ａが形成された天面部１１０２と、側壁部１１０１の他端に配設され、半導体レーザ素子１０３０が設置されたステム１００１の上面に抵抗溶接によりキャップ部材１１００を密着させるためのフランジ部１１０３ａとを備えている。また、出射孔１１０２ａには開口部を塞ぐように光透過窓１１０４が天面部１１０２に取り付けられる。
一方、このようなパッケージ構成に対し、特許文献２では放熱性と気密性を両立させたパッケージ構造が提案されている。以下、図１２を用いて従来の半導体発光装置２０００の構成について説明する。半導体発光装置２０００において半導体レーザ素子２０３０を固定するパッケージ２０４０のステム２００１にはキャップ２１００と溶接接合する部位に溶接補助部材２０１５を銀蝋付けにより固着形成する。その溶接補助部材２０１５にキャップ２１００を溶接接合する。これにより、ステム２００１とキャップ２１００は溶接補助部材２０１５を介して接合するため、キャップ２１００とステム２００１との溶接性を考慮せずにステム２００１の構成材料を選択することができる。その結果、半導体レーザ素子２０３０から発生した熱はサブマウント２０１０、素子固定ブロック２００２、ステム２００１の経路により外部に効率良く放出され、半導体レーザ素子２０３０の発生熱の放熱性を向上させることが可能となる。
特開２００９−１３５２３５号公報 特開２００１−３５８３９８号公報
上記のような構成において、従来のパッケージを用いた窒化物半導体発光装置には次のような課題があげられる。まず、図１１に示す発明では、キャップ部材が取り付けられるステムにＦｅ系材料を用いているため、熱伝導率が不十分となり、半導体発光素子の高出力化が難しい。
一方、図１２に示すような発明では、ステムに熱伝導率の高い材料を用いることが可能になるが、本願発明者らの検討によれば、ステムに用いる材料によっては、窒化物半導体発光素子の特性劣化を生じるという現象が確認できた。
本発明は、上記課題を解決するものであり、窒化物半導体発光素子をパッケージングした窒化物半導体発光装置において、窒化物半導体発光素子の特性劣化を抑えることを第１の目的とする。さらに、窒化物半導体発光素子から発生するジュール熱を効率よくパッケージ外部へ排熱することで、特性劣化の抑制と放熱性の向上とが両立された半導体発光装置を実現することを第２の目的とする。
本発明の窒化物半導体発光装置は、窒化物半導体発光素子と、窒化物半導体発光素子を保持し、且つ第１の金属を主成分とする基台と、基台に固着されたキャップと、基台に形成された開口部と、開口部を通るリードピンとを備え、リードピンは、該リードピンの側から順に絶縁部材と緩衝部材とを間に挟んで開口部の内壁に固定され、絶縁部材は成分にシリコン酸化物を含み、緩衝部材は第１の金属より標準酸化還元電位の小さい第２の金属もしくは該第２の金属を含む合金からなることを特徴とする。
この構成により、基台とシリコン酸化物を成分に含む絶縁部材とが緩衝部材により分離されるため、窒化物半導体発光素子の特性劣化を抑えることができる。
本発明の窒化物半導体発光装置において、基台はＣｕを主成分とすることが好ましい。
この構成により、窒化物半導体発光素子から発生するジュール熱を効率よくパッケージ外部へ排熱することができるとともに、窒化物半導体発光素子の特性劣化を抑えることができる。
本発明の窒化物半導体発光装置において、緩衝部材は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｗのいずれか、またはこれらの金属のいずれかを含む合金からなることが好ましい。
この構成により、窒化物半導体発光素子から発生するジュール熱を効率よくパッケージ外部へ排熱することができるとともに、窒化物半導体発光素子の特性劣化を抑えることができる。
本発明の窒化物半導体発光装置において、緩衝部材はＦｅまたはＦｅ合金からなることが好ましい。
この構成により、窒化物半導体発光素子の特性劣化を効果的に抑えることができる。
本発明の窒化物半導体発光装置において、緩衝部材の熱膨張係数は、絶縁部材の熱膨張係数と同等かもしくは大きいことが好ましい。
本発明の窒化物半導体発光装置において、リードピンの熱膨張係数は絶縁部材の熱膨張係数と同等かもしくは小さいことが好ましい。
本発明の窒化物半導体発光装置において、基台の熱膨張係数は緩衝部材の熱膨張係数と同等かもしくは大きいことが好ましい。
本発明の窒化物半導体発光装置において、基台およびキャップにより封止された雰囲気が酸素を含んでいてもよい。
本発明の窒化物半導体発光装置において、窒化物半導体発光素子から出射される光密度が１００ＭＷ／ｃｍ2以上であることが好ましい。
この構成により窒化物半導体発光装置の光出力をワット以上にすることができるとともに、窒化物半導体発光素子の長期駆動中の特性劣化を抑制することができる。
本発明の窒化物半導体発光装置において、基台は、開口部が形成されたベースと、ベースに接続されたポストとを備え、ベースは、窒化物半導体発光素子に面する主面と、該主面とは反対側の固定面とを有し、ポストは、ベースの主面に対して垂直な素子固定面を有し、ベースおよびポストのいずれもＣｕを主成分とすることが好ましい。
この構成により、窒化物半導体発光素子から発生するジュール熱を効率よくパッケージ外部へ排熱することができる。
本発明の窒化物半導体発光装置において、緩衝部材の固定面側の表面は、開口部の内部に位置することが好ましい。
この構成により、緩衝部材が開口部から突出しないため、ベースの固定面と固定冶具の密着性が向上し、窒化物半導体発光装置の放熱性を向上させることができる。
本発明の窒化物半導体発光装置において、ベースを保持する固定冶具を更に備え、固定面に接する側の固定冶具は、開口部の一部を覆うことが好ましい。
この構成により、窒化物半導体発光装置の放熱性をさらに向上させることができる。
本発明の窒化物半導体発光装置において、リードピンを複数備え、開口部および緩衝部材は、複数のリードピン毎に設けてもよい。
本発明の窒化物半導体発光装置において、リードピンを複数備え、開口部および緩衝部材は、複数のリードピンに対し共通であり、緩衝部材には、複数のリードピンが通る複数の開口部が設けられても良い。
本発明の窒化物半導体発光装置によれば、リードピンが絶縁膜を間に挟んで基台に固定されるパッケージにおいて、基台とシリコン酸化物を成分に含む絶縁部材とが緩衝部材により分離されるため、窒化物半導体発光素子の特性劣化を抑えることができる。さらに、基台に熱伝導率の高い材料を使用することができ、窒化物半導体発光素子で発生した熱を効率よくパッケージ外部に放出させることができる。
図１Ａは第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置の斜視図である。 図１Ｂは第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置の分解斜視図である。 図２Ａは図１Ａの窒化物半導体発光装置のＩａ−Ｉａ線における断面図である。 図２Ｂは図１Ａの窒化物半導体発光装置のＩｂ−Ｉｂ線における断面図である。 図３は第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置に搭載される窒化物半導体発光素子の断面図である。 図４Ａは第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置の動作を説明する図である。 図４Ｂは第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置の動作を説明する図である。 図５は窒化物半導体発光装置に用いられる材料の特性を示す図である。 図６Ａは第１の実施例で想定されるガス発生メカニズムを説明する図である。 図６Ｂは第１の実施例で想定されるガス発生メカニズムを説明する図である。 図６Ｃは第１の実施例で想定されるガス発生メカニズムを説明する図である。 図７Ａは第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置と比較例との比較結果を説明する図である。 図７Ｂは比較例２に係る窒化物半導体発光装置におけるＳｉＯ2堆積量と光密度の関係を説明する図である。 図７Ｃは第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置の各部品の材料構成例を示す図である。 図７Ｄは第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置の各部品の材料構成例を示す図である。 図７Ｅは第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置の各部品の材料構成例を示す図である。 図８Ａは第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置の製造方法を説明する図である。 図８Ｂは第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置の製造方法を説明する図である。 図８Ｃは第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置の製造方法を説明する図である。 図８Ｄは第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置の製造方法を説明する図である。 図８Ｅは第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置の製造方法を説明する図である。 図８Ｆは第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置の製造方法を説明する図である。 図９Ａは第２の実施例に係る窒化物半導体発光装置を示す断面図である。 図９Ｂは第２の実施例に係る窒化物半導体発光装置の等価回路を示す図である。 図１０は第３の実施例に係る窒化物半導体発光装置の分解斜視図である。 図１１は従来の半導体発光装置の構成を説明する図である。 図１２は従来の半導体発光装置の構成を説明する図である。
以下、図面を用いて本発明の最良の形態について説明する。
図１〜図８を用いて第１の実施例の窒化物半導体発光装置について説明する。図１Ａは本実施例の窒化物半導体発光装置の斜視図であり、図１Ｂは本実施例の窒化物半導体発光装置の構成を説明するため、パッケージ１０からキャップ３０を分解した斜視図である。図２Ａおよび図２Ｂは、本実施例の窒化物半導体発光装置の構成を詳細に説明するための模式的な断面図であり、図２Ａは図１ＡのＩａ−Ｉａ線における断面図、図２Ｂは図１ＡのＩｂ−Ｉｂ線における断面図である。図３は本実施例の窒化物半導体発光装置に搭載される窒化物半導体発光素子の模式的な断面図である。図４Ａおよび図４Ｂは、本実施例の窒化物半導体発光装置の動作を説明するための模式的な断面図である。図５は、半導体発光装置のパッケージに用いられる材料の一覧表である。図６Ａ〜図６Ｃは、本実施例の窒化物半導体発光装置で想定されるガスの発生メカニズムを説明する図である。図７Ａ〜図７Ｅは、本実施例と比較例の窒化物半導体発光装置の熱抵抗を比較した図、および本実施例の窒化物半導体発光装置に用いられる各部品の材料構成の例を示す図である。図８は本実施例の窒化物半導体発光装置の製造方法を説明する図である。
先ず、図１Ａ〜図３を用いて、本実施例の窒化物半導体発光装置の構成について説明する。図１Ａに示すように、本実施例の窒化物半導体発光装置１は、いわゆるＣＡＮタイプと呼ばれるパッケージタイプである。具体的に窒化物半導体発光装置１の構成は、図１Ｂに示すように、パッケージ１０にサブマウント６を介して窒化物半導体発光素子３が固着され、その後、キャップ３０により気密封止される。
パッケージ１０の基本的な構成は、例えば無酸素銅で構成された基台１１に電気接続のためのリードピン１４ａ、１４ｂが取り付けられる。基台１１は、具体的には、例えば円盤状のベース１１ａと、ベース１１ａの窒化物半導体発光素子３に面する側の面である主面１１ｅに接続される、窒化物半導体発光素子３を固定するためのポスト１１ｂとで構成される。ベース１１ａには、主面１１ｅ側と反対側の固定面１１ｄ側とを電気的に接続するリードピンを固定するため、開口部１１ｃが形成される。このときベース１１ａおよびポスト１１ｂは好ましくは熱伝導率の高い同一の材料で一体成型されていることが好ましい。具体的な材料としては、例えば無酸素銅や銅タングステン、銅モリブデン等の銅合金（銅を主成分とするもの）が挙げられる。リードピン１４ａ、１４ｂは、開口部１１ｃを通り、リードピンの側から順に絶縁部材と緩衝部材とを間に挟んで開口部の内壁に固定される。具体的には、開口部１１ｃには、例えばＦｅもしくはＦｅ合金（鋼鉄、ステンレス等）で構成されたリング状の緩衝部材２０ａ、２０ｂが、例えば銀蝋である接着層１９ａ、１９ｂで固着されている。リードピン１４ａ、１４ｂは緩衝部材２０ａ、２０ｂの内側に、例えばシリコン酸化物（ＳｉＯ2もしくはＳｉＯx）に修飾酸化物を添加した軟質ガラスであるリング状の絶縁部材１８ａ、１８ｂを介して固定される。このとき、絶縁部材１８ａ、１８ｂと、基台１１（ベース１１ａ）とは、間にある緩衝部材２０ａ、２０ｂで分離されるため、直接接しないように固定される。また、緩衝部材２０ａ、２０ｂの固定面１１ｄ側の表面は、固定面１１ｄに対して一段下がった位置、言い換えれば開口部１１ｃの内部に配置する。これは後述するように、固定面１１ｄと外部固定冶具とを効果的に接触させるためである。アースリードピン１５はベース１１ａに溶接もしくは銀蝋により固定され、アースリードピン１５およびベース１１ａは電気的に接続される。さらにベース１１ａの主面１１ｅには、溶接台１２が、例えば銀蝋などの接着層１３を用いたロウ付けによりポスト１１ｂを取り囲むように固定される。溶接台１２は、ベース１１ａよりも抵抗率の大きい抵抗溶接に適した材料、例えばＦｅ：Ｎｉ合金（例えば４２アロイ）やコバール等で構成される。
上記のように構成された基台１１のポスト１１ｂには、図２Ｂに示すように、主面１１ｅに垂直な面に例えばＡｌＮセラミックで構成されたサブマウント６を介して窒化物半導体発光素子３が固着される。窒化物半導体発光素子３の構成は、図３に示すように、例えばｎ型ＧａＮである基板３ａ上に、たとえばｎ型のバッファ層、ｎ型クラッド層、ｎ型ガイド層の積層構造で構成される第１の窒化物半導体層３ｂと、例えばＩｎＧａＮとＧａＮの多重量子井戸で構成される発光層３ｃと、例えばｐ型のガイド層とｐ型クラッド層の積層構造で構成される第２の窒化物半導体層３ｄとが結晶成長技術により積層される。さらに、その上下面には、例えばＰｄ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｗ、Ａｕ等のいずれかの金属の金属積層膜で構成された第１の電極３ｅ、第２の電極３ｆがそれぞれ形成され、第１および第２の電極を介して外部からの電力が発光層３ｃに注入される。窒化物半導体発光素子３の前方方向および後方方向の端面には、誘電体多層膜で構成された後方端面膜３ｇ、前方端面膜３ｈが形成される。この誘電体多層膜は、例えば、ＡｌＮ、ＢＮ、ＳｉＮなどの窒化膜と、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2、ＡｌＯＮなどの酸化膜もしくは酸窒化膜とで形成される。この構成において、窒化物半導体発光素子３の前方端面膜３ｈ側からは例えば波長３９０ｎｍから５００ｎｍの紫外光から青色光の光が発射される。
キャップ３０は図２Ａに示すように、例えばコバール（Ｋｏｖａｒ）もしくはＦｅ：Ｎｉ合金（例えば４２アロイ）もしくは鉄で構成された円筒状の金属キャップ３１に、光透過窓３２が、接着層３３により固定された構成である。具体的には、金属キャップ３１は円筒部３１ａと、光透過窓３２を固定するための窓固定部３１ｂと、光取り出し開口部３１ｄとを有する。一方、金属キャップ３１のパッケージ１０側には、基台１１に容易に溶接可能なように外側に開いたフランジ部３１ｃが形成される。光透過窓３２は例えばＢＫ７などの光学ガラスの表面に反射防止膜が形成されてなり、接着層３３は例えば軟質ガラスで構成される。窒化物半導体発光素子３は、キャップ３０およびパッケージ１０により封止され、このキャップ３０およびパッケージ１０により封止された雰囲気は、酸素を含むガス、例えば酸素と窒素の混合ガスである封止ガス４５を含む。
続いて、図４Ａおよび図４Ｂを用いて本実施例の窒化物半導体発光装置の動作を説明する。窒化物半導体発光装置１は実際に装置内で発光させるときには、例えばアルミニウム合金や銅などの熱伝導率の高い材料で作製された開口部を有する固定冶具５０に、基台１１が密着されるように固定され、さらに押さえ冶具５１にて挟み込むように固定される。ここで、固定冶具５０と、リードピン１４ａ、１４ｂが接触しないようにするために、基台１１の固定面１１ｄの外周側のみ密着するようにされる。このとき、緩衝部材２０ａ、２０ｂの固定面１１ｄ側の表面は、固定面１１ｄに対し一段下がった位置、言い換えれば開口部１１ｃの内部にあるため、緩衝部材２０ａ、２０ｂが固定冶具５０とベース１１ａとの接触に対して障害とならない。よって、固定冶具５０とベース１１ａとが固定面１１ｄにおいて高い密着性で接することができる。さらに、固定冶具５０の開口部の外径Ｄ２を、基台１１における緩衝部材の存在する外径Ｄ１よりも小さくすることで、固定面１１ｄに接する側の固定冶具５０は、開口部１１ｃの一部を覆うように形成される。これにより接触面積を最大化し、基台１１から固定冶具５０への放熱能力を向上させることができる。
このように配置された窒化物半導体発光装置１では、図示しない外部電源からリードピン１４ａ、１４ｂを通じて窒化物半導体発光素子３に電力が供給される。窒化物半導体発光素子３に印加された電力は例えば波長３９０ｎｍから５００ｎｍの紫外光から青色光の光に変換され、窒化物半導体発光素子３から外部へ出射される。窒化物半導体発光素子３から出射された光は、窒化物半導体発光素子３から光透過窓３２へ向かう方向（主光線７０ａ）に所定の拡がり角をもった出射光７０となり、光透過窓３２を透過し窒化物半導体発光装置１外部に出射される。一方、窒化物半導体発光素子３で印加された電力を光へ変換される際に、一部の電力は光に変換されず、ジュール熱となる。窒化物半導体発光素子３で発生したジュール熱は、図４Ｂの放熱経路８０に示すように、サブマウント６、基台１１のポスト１１ｂおよびベース１１ａを伝熱し、パッケージ外部に放出される。このとき、ベース１１ａの固定面１１ｄは、押さえ冶具５１により固定冶具５０に密着されているため、ジュール熱は、接触面５５を通って効率的に放熱できる。この結果、ジュール熱の発生に起因する窒化物半導体発光素子３の温度上昇を抑制させることができる。
次に、本実施例の効果を検証するため、本実施例と比較例とを比較検証した結果を説明する。図５は、本実施例のパッケージ１０の構成材料を検討する上で用いた純金属の熱伝導率等の特性一覧を示した図である。また図７Ａには、本実施例のパッケージ１０の構成と、比較例として検討した構成とを示している。比較例１の半導体発光装置の基台１１の材料としては、ベースとして鋼（Ｓｔｅｅｌ）、ポストとして無酸素銅を用いている。比較例２では、さらに熱伝導率が高い構成材料としてベースおよびポストいずれも無酸素銅を用いている。ここで、比較例２の構成においては、リードピンとベースとの間に緩衝部材を挿入しておらず、ベースの無酸素銅とシリコン酸化物（ＳｉＯ2もしくはＳｉＯx）を含む絶縁部材が直接接する構成としている。すると、比較例２において窒化物半導体発光素子３が動作し、非常に高い光密度の光が前方端面膜より放射される場合、長期駆動時に大量のＳｉＯ2が出射部に堆積し、窒化物半導体発光素子３の特性を急激に劣化させる現象が確認できた。このＳｉＯ2の堆積物は、図７Ｂに示すように出射部の光密度が１００ＭＷ／ｃｍ2以上のときに顕著に現れた。一方で、本実施例の構成では、このような急激な劣化は起こらなかった。比較例２においてこのような急激な劣化が発生するメカニズムは定かではないが、本願発明者らの考察によれば、可能性の１つとして以下のようなメカニズムが考えられる。
すなわち、比較例２においては、リードピン周辺の絶縁部材とベースの無酸素銅が直接接するため、まず図６Ａに示すシリコン酸化物（ここではＳｉＯ2とする）の還元反応により、気体の一酸化珪素（ＳｉＯ）が微少量発生し、このＳｉＯの一部は封止ガス４５の一部として、浮遊している。このＳｉＯの一部は、図６Ｂに示すようにパッケージ内に微小に存在する炭素（Ｃ）、水分（Ｈ2Ｏ）、有機物のいずれかと反応しＳｉ有機化合物ガスＳｉＯ−Ｒとしても浮遊する。一方、窒化物半導体発光素子３が動作中、非常に高い光密度の光が前方出射端面膜より放射されているため、光ピンセット効果によりＳｉＯやＳｉＯ−Ｒが光密度の高い前方出射端面膜に集まるとともに、図６Ｃに示すようにＯ2と反応を起こしＳｉＯ2を堆積させる。上記反応のうち図６Ｃの反応を抑制させるため、封止ガスとして酸素を混合させないことが考えられるが、この場合、窒化物半導体発光素子の後方端面膜３ｇ、前方端面膜３ｈの酸素が脱離し劣化させるため、別の現象により窒化物半導体発光素子３を特性劣化させてしまう。よって、封止ガス４５は酸素を含むことが好ましい。ただし、意図的に酸素を混入させない場合でも、封止ガス４５に自然に混入した酸素により、同様の現象は起こり得る。一方、本実施例においては、絶縁部材１８ａ、１８ｂと接する材料としてベース材料よりもイオン化傾向の高い鉄合金（鋼鉄等）を用いている。これらのイオン化傾向の高い金属または該金属を含む合金は表面に安定な酸化皮膜を形成するため、絶縁部材を構成するシリコン酸化物（ＳｉＯ2もしくはＳｉＯx）と還元力を有する緩衝部材の金属が直接接しない。よって、このような緩衝部材をベースと絶縁部材との間に配置することで、図６Ａに示した反応を抑制し、窒化物半導体発光素子３の特性劣化を抑制することができると考えられる。なお、イオン化傾向は標準酸化還元電位により表すことができ、イオン化傾向の高い材料とは、標準酸化還元電位の小さい材料である。すなわち、ベースの主成分である金属よりも標準酸化還元電位の小さい金属、または該金属を含む合金を緩衝部材に用いたことにより、窒化物半導体発光素子の特性劣化を抑制することができたと考えられる。このようなメカニズムを裏付ける文献として、特開２００４−２８９０１０号公報には、ＣＡＮパッケージ内におけるＳｉ有機化合物ガスが半導体発光素子の特性劣化を引き起こすことが示されている。ただし、当該文献では、このようなＳｉ有機化合物ガスは、パッケージに用いられる有機物接着剤に起因すると述べられている。
また、図７Ａは、本実施例と比較例の材料構成による熱抵抗の測定結果を比較した図である。図７Ａに示すように、本実施例の窒化物半導体発光装置の熱抵抗は、比較例２に示すベースとポストがいずれも無酸素銅のものと同等である。したがって、窒化物半導体発光装置１の窒化物半導体発光素子３で発生するジュール熱を効率良く放熱させることができるとともに、窒化物半導体発光素子３の特性劣化を抑制することができる。一方で、比較例１では、比較例２ほどの急激な劣化は確認できないものの、ベースに用いた鋼鉄の熱伝導率が低く熱抵抗が大きいためか、劣化ペースは本実施例よりも早かった。一方、本実施例の窒化物半導体発光装置においては、劣化ペースが比較例１よりも緩やかで、かつ窒化物半導体発光素子３の光出射部の光密度が１００ＭＷ／ｃｍ2以上であっても急激な特性劣化がなく寿命が一桁向上した。すなわち、本実施例においては、窒化物半導体発光素子３の特性劣化の抑制と、窒化物半導体発光素子３で発生するジュール熱の効率的な排熱とを、高いレベルで両立できることが判明し、さらにその効果は半導体発光素子の光密度が大きいときに顕著であることが分かった。
図７Ｃ〜図７Ｅは、図７Ａにおける本実施例と同等の効果が得られるパッケージの部品の材料の組み合わせを示した図である。図５には、純金属として表面に酸化皮膜が形成されやすい材料を示したが、実際には部品の材料としては合金を用いることが多い。しかしながら、合金の特性は、構成する純金属の特性が影響するため、図５の特性から材料構成を検討することが可能である。
図７Ｃはパッケージの部品の材料構成例１を示す。この場合、パッケージは圧縮封止型であり、絶縁部材に軟質ガラスを用いた場合の構成である。緩衝部材には、ベースの主成分となる金属よりも標準酸化還元電位の小さい金属または該金属を含む合金を選んでいる。本材料構成例ではベースの主成分がＣｕであるため、図５に基づき、緩衝部材にはＣｕよりも標準酸化還元電位の小さい金属を選べばよい。ここで、モリブデン（Ｍｏ）およびタングステン（Ｗ）については、標準酸化還元電位の正確な値は不明ではあるが、Ｃｕよりも小さい値である。以上のことから、ベースの主成分がＣｕであるとき、緩衝部材には、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｗのいずれか、またはこれらの金属のいずれかを含む合金が好ましいことが分かる。さらに、緩衝部材としては、パッケージの気密性を向上させるため、軟質ガラスと比較し、熱膨張係数が同等もしくは大きいアルミニウム合金、マグネシウム合金、鋼鉄、ステンレス、ニッケル、チタンなどの材料もしくはこれらの材料の合金が好ましい。さらに好ましくは、リードピンを構成する材料は、軟質ガラスと比較し、熱膨張係数が同等もしくは小さいＦｅ：Ｎｉ合金、コバール等が挙げられる。さらに好ましくは、緩衝部材を構成する材料とベースを構成する材料は、ベースを構成する材料の方が熱膨張係数が大きい方がよい。
図７Ｄは絶縁部材に硬質ガラスを用いた場合の材料構成例２である。この場合も、各部品の間で、材料構成例１と同様の熱膨張係数の関係が成り立つことが好ましい。ここでは、銅モリブデンや銅タングステンを一例に挙げているが、銅にモリブデンやタングステンを混ぜることで、表面に酸化皮膜が形成されやすくなり、窒化物半導体発光素子の劣化を抑制することが出来る。
図７Ｅは、パッケージを整合封止とした場合の材料構成例３である。この場合、リードピンと絶縁部材と緩衝部材の熱膨張係数を同等に揃える必要があるが、緩衝部材にはモリブデンやタングステンなどの熱膨張係数の比較的小さい材料を用いることができる。なお、緩衝部材とベースとの熱膨張係数の好ましい関係は、材料構成例１、２と同様である。
なお、上記の材料構成例１〜３において、ベースの材料にはいずれも無酸素銅を用いたが、これに限られない。ベースには、緩衝部材に用いる材料よりもイオン化傾向が低い（標準酸化還元電位が大きい）材料が使用され、特に高い熱伝導率を有する材料を用いることが好ましい。銅の他に、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）も使用できる。また、純金属に限られず、緩衝部材に用いる材料よりもイオン化傾向が低い材料が主成分であれば、合金でも良い。
続いて図８Ａ〜図８Ｆを用いて本実施例の窒化物半導体発光装置の製造方法を説明する。図８Ａは、本実施例の窒化物半導体発光装置１に用いられるパッケージ１０の部品を分解した分解図である。まず、例えば、基台１１のベース１１ａ、ポスト１１ｂおよび開口部１１ｃの形状を有する金型により無酸素銅（ＯＦＣＵ）を用いて、ベース１１ａとポスト１１ｂを一体に成型する。続いて、リング状の溶接台１２を作製した後、例えば銀蝋である接着層１３を用いて溶接台１２を基台１１の主面１１ｅに固定させる。このとき同時もしくは連続して、開口部１１ｃに所定の冶具を用いて、例えばＦｅＮｉ合金であるリードピン１４ａ、１４ｂ、例えば軟質ガラスであるリング状の絶縁部材１８ａ、１８ｂ、例えば鉄もしくは鉄合金である緩衝部材２０ａ、２０ｂ、例えばリング状の銀蝋である接着層１９ａ、１９ｂを中心から外側に向かって開口部１１ｃ内に固定して、加熱することにより、リードピン１４ａ、１４ｂを開口部１１ｃに接着・固定する。続いて図８Ｂに示すようにアースリードピン１５を、例えば抵抗溶接によりベース１１ａの固定面１１ｄ側に接着する。
続いて図８Ｃに示すように、図示しない、例えばＮｉ、Ａｕのメッキをパッケージ１０に行い、表面が酸化することを防止する。
続いて図８Ｄに示すようにパッケージ１０のポスト１１ｂにサブマウント６を介して、窒化物半導体発光素子３を実装する。その後、ワイヤ４０ａ、４０ｂを取り付け、窒化物半導体発光素子３とリードピン１４ａ、１４ｂを電気的に接合する。
続いて図８Ｅに示すように、キャップ３０をパッケージ１０の上部に配置する。このときキャップ３０は、以下の製造方法により作製される。まず例えばコバール等の熱膨張係数がガラスに近い材料を用いて、プレス加工により、筒状の金属キャップ３１に光取り出し開口部３１ｄおよびフランジ部３１ｃを形成する。同時にフランジ部３１ｃには溶接用の突起部３１ｅが形成される。次に、光透過窓３２を、例えば低融点ガラスである接着層３３により光取り出し開口部３１ｄに固定する。光透過窓３２は、例えばガラスであり、表面に窒化物半導体発光素子３から放射される光の波長に対して反射率が低い反射防止膜が形成されている。
続いて、図８Ｆに示すように、パッケージ１０とキャップ３０を固定台９１ａおよび押さえ９１ｂを用いて固定し、所定の電流を流し、突起部３１ｅを用いて溶接台１２とキャップ３０を溶接させる。
以上の製造方法により本実施例の窒化物半導体発光装置は容易に製造することができる。
続いて、図９Ａおよび図９Ｂを用いて第２の実施例の窒化物半導体発光装置について説明する。図９Ａは、第２の実施例の窒化物半導体発光装置の構成を示す断面図であり、図９Ｂは、第２の実施例の窒化物半導体発光装置の等価回路を示す図である。第１の実施例と共通の構成要素については、同じ番号を付すことにより説明を省略する。
まず、図９Ａにおいては、第２の実施例に係る窒化物半導体発光装置１Ａ、１Ｂ、１Ｃの３つと、それらを固定するための固定冶具５０、押さえ冶具５１、コリメータレンズ５３、レンズ押さえ５２と、電気配線５８により構成される。
本実施例において、図９Ｂに示すように、窒化物半導体発光装置１Ａ、１Ｂ、１Ｃが、電気配線５８により直列に接続している。このとき本実施例の窒化物半導体発光装置は、基台１１に対して、窒化物半導体発光素子３のアノード、カソードが、いずれも電気的に分離しているため、容易に直列に接続させることができる。特に、基台１１の固定面１１ｄが、窒化物半導体発光素子３と電気的に分離されているため、基台１１と固定冶具５０とを、両者の間に絶縁層を挿入することなしに接触させることができるため、窒化物半導体発光装置で発生する熱を固定冶具５０を介して外部に容易に放熱させることができる。また、窒化物半導体発光装置１Ａ、１Ｂ、１Ｃから出射された出射光７０は、コリメートレンズ５３により平行光として放射させることができる。
続いて、図１０を用いて第３の実施例の窒化物半導体発光装置２０１について説明する。図１０は、第３の実施例に係る窒化物半導体発光装置のパッケージ１０からキャップ３０を分解した斜視図である。第１の実施例と共通の構成要素については、同じ番号を付すことにより説明を省略する。窒化物半導体発光装置２０１は第１の実施例の窒化物半導体発光装置１と比較し、緩衝部材の個数と形状が大きく異なる。第１の実施例では、複数のリードピンの各々に対して、リング状の緩衝部材がそれぞれを用意されていたが、本実施例では、複数のリードピンに対して共通の緩衝部材を配置している。具体的には、ベース１１ａには複数のリードピンに対して共通の開口部１１ｃが設けられ、開口部１１ｃには、複数のリードピンを固定するための複数の開口が設けられた緩衝部材２０が固着されている。複数のリードピン１４ａ、１４ｂは緩衝部材２０の開口部の内側に、リング状の絶縁部材１８ａ、１８ｂを介して固定される。このような構成でも、第１の実施例と同様に、絶縁部材１８ａ、１８ｂと基台１１（ベース１１ａ）とは、間にある緩衝部材で分離されるため、直接接しないように固定される。この構成によりパッケージ１０の部品点数を減らすことができるため、窒化物半導体発光装置をより低コストで実現することが可能となる。
なお上記の実施例１〜３において、パッケージのリードピンは２本で、アースリードピンを１本としたがこの限りではない。例えばベースを外部の固定冶具に固定し、該固定冶具によりアースをとる場合にはアースリードを不要とすることができる。また、窒化物半導体発光装置に搭載する窒化物半導体発光素子を複数の導波路を有するアレイ素子とし、リードピンを３本以上にし、それぞれの導波路にワイヤ接続しても良い。この場合は、複数リードピン全てに緩衝部材リングを適用することにより、より効果的に窒化物半導体発光素子の劣化を抑制することができる。
なお、上記の実施例１〜３においては、窒化物半導体発光素子を、例えば発光波長が３８０〜５００ｎｍで光出力が１ワットを超える高出力の窒化物半導体系半導体レーザもしくは窒化物半導体系半導体レーザアレイとしたが、他の窒化物半導体発光素子を用いてもよく、さらには、例えば、画像表示装置に適するスペックルノイズの低い窒化物半導体系スーパールミネッセントダイオードでもよい。
本発明の半導体発光装置および光源は、レーザディスプレイやプロジェクターなどの画像表示装置や、レーザ加工やレーザアニールなどの産業用のレーザ機器といった、比較的高い光出力が必要な装置の光源として特に有用である。
１ 窒化物半導体発光装置
３ 窒化物半導体発光素子
６ サブマウント
１０ パッケージ
１１ 基台
１１ａ ベース
１１ｂ ポスト
１１ｃ 開口部
１１ｄ 固定面
１１ｅ 主面
１２ 溶接台
１３ 接着層
１４ａ、１４ｂ リードピン
１５ アースリードピン
１８ａ、１８ｂ 絶縁部材
１９ａ、１９ｂ 接着層
２０ａ、２０ｂ 緩衝部材
３０ キャップ
３１ 金属キャップ
３１ａ 円筒部
３１ｂ 窓固定部
３１ｃ フランジ部
３１ｄ 光取り出し開口部
３１ｅ 突起部
３２ 光透過窓
３３ 接着層
４０ａ、４０ｂ ワイヤ
４５ 封止ガス
５０ 固定冶具
５１ 押さえ冶具
５５ 接触面
６１ 入力電流
６２ 出力電流
７０ 出射光
７０ａ 主光線
８０ 放熱経路

Claims (14)

  1. 窒化物半導体発光素子と、
    前記窒化物半導体発光素子を保持し、且つ第１の金属を主成分とする基台と、
    前記基台に固着されたキャップと、
    前記基台に形成された開口部と、
    前記開口部を通るリードピンとを備え、
    前記リードピンは、該リードピンの側から順に絶縁部材と緩衝部材とを間に挟んで前記開口部の内壁に固定され、
    前記絶縁部材は成分にシリコン酸化物を含み、
    前記緩衝部材は前記第１の金属より標準酸化還元電位の小さい第２の金属、もしくは該第２の金属を含む合金からなることを特徴とする窒化物半導体発光装置。
  2. 前記基台はＣｕを主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光装置。
  3. 前記緩衝部材は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｗのいずれか、またはこれらの金属のいずれかを含む合金からなることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光装置。
  4. 前記緩衝部材はＦｅまたはＦｅ合金からなることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体発光装置。
  5. 前記緩衝部材の熱膨張係数は、前記絶縁部材の熱膨張係数と同等かもしくは大きいことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体発光装置。
  6. 前記リードピンの熱膨張係数は前記絶縁部材の熱膨張係数と同等かもしくは小さいことを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体発光装置。
  7. 前記基台の熱膨張係数は前記緩衝部材の熱膨張係数と同等かもしくは大きいことを特徴とする請求項５または６に記載の窒化物半導体発光装置。
  8. 前記基台および前記キャップにより封止された雰囲気が酸素を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の窒化物半導体発光装置。
  9. 前記窒化物半導体発光素子から出射される光密度が１００ＭＷ／ｃｍ2以上であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の窒化物半導体発光装置。
  10. 前記基台は、前記開口部が形成されたベースと、前記ベースに接続されたポストとを備え、
    前記ベースは、前記窒化物半導体発光素子に面する主面と、該主面とは反対側の固定面とを有し、
    前記ポストは、前記ベースの主面に対して垂直な素子固定面を有し、
    前記ベースおよび前記ポストのいずれもＣｕを主成分とすることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の窒化物半導体発光装置。
  11. 前記緩衝部材の前記固定面側の表面は、前記開口部の内部に位置することを特徴とする請求項１０に記載の窒化物半導体発光装置。
  12. 前記ベースを保持する固定冶具を更に備え、前記固定面に接する側の前記固定冶具は、前記開口部の一部を覆うことを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光装置。
  13. 前記リードピンを複数備え、前記開口部および前記緩衝部材は、前記複数のリードピン毎に設けられることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の窒化物半導体発光装置。
  14. 前記リードピンを複数備え、前記開口部および緩衝部材は、前記複数のリードピンに対し共通であり、前記緩衝部材には、前記複数のリードピンが通る複数の開口部が設けられることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の窒化物半導体発光装置。
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