JP2022020424A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長期の使用においても高い気密性が維持される高い信頼性、及び、耐湿性、耐腐食性など高い耐環境性を有する半導体装置を提供する。【解決手段】半導体発光素子と、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、半導体発光素子の放射光を透過する窓部１３Ａと、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２１が固着されたフランジ接合面を有するフランジ１３Ｂとを備え、半導体発光素子を収容する空間を有して基板に封止接合された透光キャップと、を有している。フランジ金属層は、フランジに固着され、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、第１の金属層上に形成された第２の金属層とからなる。【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、半導体発光装置、特に紫外光を放射する半導体発光素子が内部に封入された半導体発光装置に関する。

従来、半導体素子を半導体パッケージの内部に封入する半導体装置が知られている。半導体発光モジュールの場合では、半導体発光素子が載置された支持体に、発光素子からの光を透過するガラスなどの透明窓部材が接合されて気密封止される。

例えば、特許文献１、２には、半導体発光素子を収容する凹部が設けられた基板と、窓部材とが接合された半導体発光モジュールが開示されている。

また、特許文献３、４には、紫外線発光素子が搭載された実装基板と、スペーサと、ガラスにより形成されたカバーとが接合された紫外光発光装置が開示されている。

また、非特許文献１には、銅ナノ粒子を用いた低温焼結技術について開示されている。

特開２０１５－１８８７３号公報 特開２０１８－９３１３７号公報 特開２０１６－１２７２５５号公報 特開２０１６－１２７２４９号公報

東北大学、三井金属鉱業株式会社、https://www.mitsui-kinzoku.co.jp/wp-content/uploads/topics_190130.pdf、2020-03-04

しかしながら、基板と窓部材との間の封止性、接合信頼性について一層の向上が求められている。紫外光を放射する半導体発光素子、特にＡｌＧａＮ系の半導体発光素子は、気密が不十分であると劣化し易く、当該半導体発光素子が搭載された半導体装置には高い気密性が求められる。

また、ＡｌＧａＮ系結晶は水分によって劣化する。特に、発光波長が短波長になるほどＡｌ組成が増加して劣化し易い。そこで、発光素子を収めるパッケージ内部に水分が侵入しない気密構造として、基板とガラス蓋を金属接合材で気密する構造が採用されていたが、多湿環境下又は水回りで使用される場合に気密が十分でないという問題があった。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、長期の使用においても高い気密性が維持される高い信頼性、及び、耐湿性、耐腐食性など高い耐環境性を有する半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の１実施形態による半導体発光装置は、
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。 半導体発光装置１０の側面を模式的に示す図である。 半導体発光装置１０の裏面を模式的に示す平面図である。 半導体発光装置１０の内部構造を模式的に示す図である。 第１の実施形態の透光キャップ１３の１／４部分を模式的に示す斜視図である。 図１ＡのＡ－Ａ線に沿った半導体発光装置１０の断面を模式的に示す断面図である。 図２Ａの接合部（Ｗ部）の断面を拡大して示す部分拡大断面図である。 基板１１と透光キャップ１３の接合前の状態を模式的に示す断面図である。 基板１１と透光キャップ１３の接合後の状態を模式的に示す断面図である。 基板１１及びフランジ部１３Ｂの接合部の断面を拡大して示す部分拡大断面図である。 基板１１及びフランジ部１３Ｂの接合部の断面を拡大して示す部分拡大断面図である。 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と基板金属層１２との接合方法について説明する部分拡大断面図である。 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部分拡大断面図である。 基板金属層１２がフランジ金属層２１の最表面金属層である金属層２１Ｍと同一金属のＣｕ層（金属層１２Ｍ）である場合を示す部分拡大断面図である。 接合部２４と半導体発光素子１５が接合された配線電極１４との間に溝１１Ｇが形成されていることを示す部分拡大断面図である。 第２の実施形態による半導体発光装置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。 基板１１と平板状の透光キャップ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。 押圧環２１Ａの他の構造を模式的に示す部分拡大断面図である。

以下においては、本発明の好適な実施例について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。
［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。

また、図２Ａは、図１ＡのＡ－Ａ線に沿った半導体発光装置１０の断面を模式的に示す断面図である。図２Ｂは、図２Ａの接合部（Ｗ部）の断面を拡大して示す部分拡大断面図である。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、半導体発光装置１０は、矩形板形状の基板１１と、半円球状のガラスからなる透光性窓である透光キャップ１３と、が接合されて構成されている。より詳細には、基板１１の上面上には、円環状の金属層１２（以下、基板金属層１２ともいう。）が形成され、透光キャップ１３と接合されている。

なお、基板１１の側面がｘ方向及びｙ方向に平行であり、基板１１の上面がｘｙ平面に平行であるとして示している。

図１Ｅ及び図２Ａに示すように、透光キャップ１３は、半円球状のドーム部１３Ａと、ドーム部１３Ａの底部に設けられたフランジ部１３Ｂとからなる。

図２Ｂには、フランジ部１３Ｂ及びフランジ部１３Ｂに固着された金属層が拡大して示されている。フランジ部１３Ｂは円環板形状を有している。フランジ部１３Ｂの底面にはフランジ金属層２１が固着されており、フランジ接合面が形成されている。

より詳細には、フランジ金属層２１は、フランジ部１３Ｂの底面に固着された低熱膨張金属層２１Ｋ（第１の金属層）と、その上に形成された下地金属／金（Ａｕ）層２１Ｌ（第２の金属層）とからなる。低熱膨張金属層２１Ｋは、例えばニッケル－コバルト－鉄（Ｎｉ－Ｃｏ－Ｆｅ）系低熱膨張金属、又はコバール（Ｋｏｖａｒ）（登録商標）である。下地金属／金層２１Ｌは、例えばニッケルを下地金属とするニッケル／金層（Ｎｉ／Ａｕ層）である。すなわち、本実施例の場合、フランジ金属層２１は、Ｋｏｖａｒ／Ｎｉ／Ａｕ層として構成されている。例えば、Ｎｉ－Ｃｏ－Ｆｅ金属と同じ熱膨張係数に調整されたガラスとＮｉ－Ｃｏ－Ｆｅ金属とを溶着した接合部の強度は、約数百℃以上の耐熱性と高い圧縮応力耐性を有する。

なお、下地金属／金（Ａｕ）層２１Ｌにおいて、下地金属及び金（Ａｕ）の間にＰｄ、Ｐｔ等のバリア金属を挿入してもよい。

基板金属層１２上に接合層２２によってフランジ金属層２１が接合されることによって接合部２４が形成され、基板１１と透光キャップ１３との気密が保たれている。

基板１１は、ガス等を透過しないセラミック基板である。例えば、高い熱伝導率を有し、気密性に優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられる。ＡｌＮセラミックの熱伝導率は１５０～１７０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、また熱膨張係数は４．５～４．６ （１０^－６・Ｋ^－１）である。

なお、基板１１の基材としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の気密性に優れた他のセラミックを用いることができる。

透光キャップ１３は、半導体発光装置１０内に配された発光素子１５からの放射光を透過する透光性のガラスからなる。例えば、石英ガラス、ホウ珪酸ガラス又は珪酸塩系ガラスを好適に用いることができる。

本実施例の接合部においては、固いが脆いＡｌＮ基板１１と、展性のあるフランジ金属層２１と、固いが脆い透光キャップ１３で構成されている。コバール（Ｋｏｖａｒ）（登録商標）等の低熱膨張金属層２１Ｋは展延性を有し、基板１１と透光キャップ１３と間で応力緩衝体として機能する。

また、接合される部材の熱膨張係数（線熱膨張係数）の差を１ （×１０^－６・Ｋ^－１）以内とすることで、発光素子１５の駆動による熱履歴、雰囲気温度等の変動による気密接合部２４へ掛かる応力の低減を可能としている。すなわち、透光キャップ１３と低熱膨張金属層２１Ｋとの熱膨張係数の差を１ （×１０^－６・Ｋ^－１）以内、又は低熱膨張金属層２１Ｋと基板１１との熱膨張係数の差を１ （×１０^－６・Ｋ^－１）以内であることが好ましい。

具体的には、珪酸塩系ガラスの透光キャップ１３の熱膨張係数α＝５．８（×１０^－６・Ｋ^－１）、低熱膨張金属層２１Ｋのコバール（登録商標）の熱膨張係数α＝５．１ （×１０^－６・Ｋ^－１）、ＡｌＮセラミックの基板１１の熱膨張係数α＝４．５（×１０^－６・Ｋ^－１）である。

半導体発光装置１０内の封入ガスとしては、ドライな窒素ガスや酸素含有割合が低いドライな空気などを用いることができ、あるいは内部を真空としてもよい。

図１Ｄに示すように、基板１１上には、半導体発光装置１０内の配線電極である第１配線電極（例えば、アノード電極）１４Ａ及び第２配線電極（例えば、カソード電極）１４Ｂが備えられている（以下、特に区別しない場合には、配線電極１４と称する。）。発光ダイオード（ＬＥＤ）又は半導体レーザなどの半導体発光素子１５が第１配線電極１４Ａ上に金属接合層１５Ａによって接合され、発光素子１５のボンディングパッド１５Ｂがボンディングワイヤ１８Ｃを介して第２配線電極１４Ｂに電気的に接続されている。

発光素子１５は、ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層を含む半導体構造層が形成されたアルミ窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ）系の半導体発光素子（ＬＥＤ）である。また、発光素子１５は、半導体構造層が、反射層を介して導電性の支持基板（シリコン：Ｓｉ）上に形成（接合）されている。

発光素子１５は、支持基板の半導体構造層が接合された面の反対面（発光素子１５の裏面とも称する）にアノード電極を備え（図示せず）、基板１１上の第１配線電極１４Ａに電気的に接続されている。また、発光素子１５は、半導体構造層の支持基板が接合された面の反対面（発光素子１５の表面とも称する）にカソード電極（パッド１５Ｂ）を備え、ボンディングワイヤを介して第２配線電極１４Ｂに電気的に接続されている。

発光素子１５は、前述するように支持基板に半導体構造層を接合したタイプ以外に、半導体構造層から放射される光を透光する成長基板上に半導体構造層を有するものを用いることもできる。
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。

また、成長基板が絶縁性の場合においては、半導体構造層の上面側のｐ型半導体層上にアノード電極を備え、ｎ型半導体層上にカソード電極を備える。当該発光素子は、アノード電極とカソード電極の各々を、第１配線電極１４Ａと第２配線電極１４Ｂの各々に、金属接合層を介して接合されている。

発光素子１５は、波長２６５～４１５ｎｍの紫外光を発光する窒化アルミ系の発光素子であることが好適である。具体的には、発光中心波長が、２６５ｎｍ、２７５ｎｍ、３５５ｎｍ、３６５ｎｍ、３８５ｎｍ、４０５ｎｍ又は４１５ｎｍの発光素子を用いた。

窒化アルミ系の紫外線を放射する発光素子（ＵＶ-ＬＥＤ素子）を構成する半導体結晶のＡｌ組成は高く、酸素（Ｏ₂）や水分（Ｈ₂Ｏ）によって酸化劣化され易い。なお、発光素子１５の第１配線電極１４Ａへの接合にフラックス等の有機物を含む接合部材を用いた場合には、当該残留フラックス（有機物）による発光素子表面への炭化物堆積が起こる。封入ガスに若干のＯ₂を混合することで炭化物堆積は防止でき、同時に、混合したＯ₂は発光素子１５を劣化させる以前に不活性化されるので問題とならない。

また、基板１１上には、第１配線電極１４Ａ及び第２配線電極１４Ｂに接続されたツェナーダイオード（ＺＤ）である保護素子１６が設けられ、発光素子１５の静電破壊を防止する。

図１Ｃに示すように、基板１１の裏面には、第１配線電極１４Ａ及び第２配線電極１４Ｂにそれぞれ接続された第１実装電極１７Ａ及び第２実装電極１７Ｂ（以下、特に区別しない場合には、実装電極１７と称する。）が設けられている。具体的には、第１配線電極１４Ａ及び第２配線電極１４Ｂの各々は、金属ビア１８Ａ、１８Ｂ（以下、特に区別しない場合には、金属ビア１８と称する。）を介してそれぞれ第１実装電極１７Ａ及び第２実装電極１７Ｂに接続されている。

配線電極１４、実装電極１７及び金属ビア１８は、例えば、タングステン／ニッケル／金（Ｗ／Ｎｉ／Ａｕ）、もしくは、ニッケルクロム／金／ニッケル／金 （ＮｉＣｒ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ）である。

図２Ａを参照すると、半導体発光装置１０は配線回路基板（図示しない）上に実装されるように構成され、第１実装電極１７Ａ及び第２実装電極１７Ｂへの電圧印加によって、発光素子１５は発光し、発光素子１５の表面（光取り出し面）からの放射光ＬＥは透光キャップ１３を経て外部に放射される。

次に、基板１１と透光キャップ１３のフランジ部１３Ｂとの接合について説明する。
（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。

図３Ａは、基板１１と透光キャップ１３の接合前の状態を模式的に示す断面図である。フランジ部１３Ｂの円環状底面の半径方向（幅方向）の中央部には、フランジ部１３Ｂの底面（フランジ接合面）と同心円の円周に沿って凸部１３Ｃが形成されている。すなわち、フランジ部１３Ｂの底面は、平坦面と当該平坦面から突出した凸部１３Ｃとが形成されている（以後、円環状凸部と称することもある）。また、円環状凸部１３Ｃの当該同心円の円周に垂直な断面形状は半円形であるが、これに限定されない。例えば、矩形状又は台形状であってもよい。
（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。

このようなフランジ金属層２１は、予め成形した透光キャップ１３の底面に、当該底面に対応した形状に成形した低熱膨張金属を９００℃で溶着して低熱膨張金属層２１Ｋを形成し、次に低熱膨張金属層２１Ｋの表面に下地金属／金層２１Ｌを電子ビーム蒸着（ＥＢ蒸着）等によって積層することで形成できる。

なお、押圧環２１Ａの形成は、上記の構造に限定されるものではない。例えば、図１０に示すように、フランジ部１３Ｂの底面を平坦面とし、当該平坦底面に対応し、円環状凸部２１Ｃを有する形状に成形した低熱膨張金属をフランジ部１３Ｂの当該平坦底面に溶着して低熱膨張金属層２１ＫＣ（第１の金属層）を形成してもよい。

この場合、低熱膨張金属層２１ＫＣの表面に下地金属／金層２１Ｌを電子ビーム蒸着（ＥＢ蒸着）等によって積層することでフランジ金属層２１を形成することができる。

すなわち、低熱膨張金属層２１ＫＣ（第１の金属層）の円環状凸部２１Ｃ及び低熱膨張金属層２１ＫＣ上に形成された下地金属／金層２１Ｌは、円環形状を有するフランジ部１３Ｂの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２１Ａとして機能する。
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。

基板金属層１２は、第１配線電極１４Ａ、第２配線電極１４Ｂ、発光素子１５及び保護素子１６とは電気的に絶縁され、これらを取り囲むように形成されている。

円環状の基板金属層１２上に、円環状の接合材が載置され、加熱しつつ、透光キャップ１３に力Ｆを印加し押圧することによって、図３Ｂに示すように、基板１１に透光キャップ１３が接合された円環状のキャップ接合層２２が形成される。

基板金属層１２は、基板１１上に、順にタングステン／ニッケル／金を積層した構造（Ｗ／Ｎｉ／Ａｕ）あるいは、ニッケルクロム／金／ニッケル／金を積層した構造（ＮｉＣｒ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ）を有している。

キャップ接合層２２となる接合材は、例えば、フラックスを含まない円環状のＡｕＳｎ（金スズ）シートであり、Ｓｎを２０ｗｔ％含有するもの（溶融温度：約２８０℃）を用いた。金スズ合金シートの両表面に、Ａｕ（１０～３０ｎｍ）層を備えることもできる。ＡｕＳｎ合金の酸化を防ぎ、後述するキャップ接合工程において安定な接合を可能とするので気密性を向上する。また、このＡｕ層は、溶融固化（接合）時に、キャップ接合層２２に溶解される。
［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。

次に、発光素子１５を揮発性ソルダーペースト上に載せて、基板を３３０℃まで加熱して、ＡｕＳｎを溶融・固化して第１配線電極１４Ａ上に発光素子１５を接合する。なお、保護素子１６を搭載する場合には同時に行う。このとき、揮発性ソルダーペーストに含まれるフラックスは殆ど揮発する。このように形成された金属接合層１５Ａの融点は、発光素子１５の裏面電極と、第１配線電極１４Ａの表面に設けられたＡｕ層を融解して固化するので３３０℃以上となる。

次に、発光素子１５の上部電極のボンディングパッド１５Ｂと第２配線電極１４Ｂとの間をボンディングワイヤ１８Ｃ（Ａｕワイヤ）によって電気的に接続する。
（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。

続いて、基板１１及び透光キャップ１３の雰囲気を封入ガスであるドライ窒素（Ｎ_２）ガス、１気圧（１０１．３ｋＰａ）で満たす。次に、基板１１の基板金属層１２上に環状ＡｕＳｎシート（キャップ接合層２２の接合材）載せ、さらにその上に透光キャップ１３を載せ押圧する。

図３Ａに示すように、透光キャップ１３を環状ＡｕＳｎシートに押圧しつつ、３００℃まで加熱する。加熱により、ＡｕＳｎシートは押圧環２１Ａに密着した部分から内側および外側に向かって溶融し、金属層１２および２１の金を若干量溶融しつつ固化する、又は冷却により固化する（図３Ｂ）。以上のように、基板１１及び透光キャップ１３が接合され、半導体発光装置１０が完成する。

なお、本工程で用いた環状ＡｕＳｎシートにはＡｕ－Ｓｎ２０ｗｔ％（溶融温度２８０℃）のＡｕ－Ｓｎ合金を用いた。
［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。

この場合、押圧環２１Ａの頂部及び基板金属層１２は、押圧環２１Ａの頂部の全周に渡って一定の間隔（間隙）ＧＡで接合される。なお、以下においては、説明及び理解の容易さのため、内側領域ＪＩ、狭窄接合領域ＪＮ及び外側接合領域ＪＯの幅をそれぞれ同一符号（ＪＩ、ＪＮ、ＪＯ）を用いて説明する。

なお、上記接合工程において、さらに押圧環２１Ａが溶融したＡｕＳｎを押し広げ、押圧環２１Ａの頂部が基板金属層１２に突き当たるまで押圧することができる。この場合、図４Ｂに示すように、押圧環２１Ａの頂部と基板金属層１２とが接する円形状の接続線、すなわち押圧環２１Ａ及び基板金属層１２の間に接合材（ＡｕＳｎ）が存在しない円形状の接続部ＪＬが形成され、この部分に線状の気密構造が形成される。

すなわち、押圧環２１Ａの頂部が基板金属層１２に密着した円形状の気密構造が形成される。この場合、円形状の接続部ＪＬにおいて、押圧環２１Ａの頂部及び基板金属層１２の間隔（間隙）ＧＡ＝０である。

上記したように、押圧環２１Ａによって、キャップ接合層２２は、押圧環２１Ａの中心を境に、内側接合領域ＪＩ、狭窄接合領域ＪＮ及び外側接合領域ＪＯの３領域に区分される。押圧環２１Ａは、接合材の押圧部であると同時に、キャップ接合層２２の領域区分、及び位置決めの機能を有する。

また、押圧環２１Ａは、押圧環２１Ａの頂部と基板金属層１２との間の間隙（ギャップ）ＧＡの制御による接合材のオーバーフロー防止の機能を有する。

内側接合領域ＪＩ及び外側接合領域ＪＯは、押圧環２１Ａに対してフィレットとしての機能を有し、シェア強度、すなわち横方向（接合面に平行な方向）の破壊強度を向上する。

さらに、間隙ＧＡ＝０の場合には、狭窄接合領域ＪＮは、押圧環２１Ａの頂部と基板金属層１２とが位置ＪＬ（図４Ｂ）で線状（円状）に接した線状気密として働き、内側接合領域ＪＩ及び外側接合領域ＪＯは、帯状気密として働く。

従って、接合結晶部を薄く、もしくは無くすことができ、リーク発生の原因となる金属粒界面の面積を極小化できるため、気密歩留まりを向上できる。

また、内側接合領域ＪＩ及び外側接合領域ＪＯのキャップ接合層２２は、押圧環２１Ａを起点に内側および外側に向かって溶融しつつ固化するので応力の内在を防ぎ、接合層２２を形成する金属粒界間に間隙ができることを防止できるため、気密歩留まりを向上できる。

狭窄接合領域を採用し、線状気密又は帯状気密にすることにより、接合不良が発生する領域を小さくできるため、気密性を向上することができる。また、リーク発生の原因となる金属粒界面の面積を極小化できるため、気密性を向上することができる。さらに、狭窄接合領域とその両側に気密構造を有するため高い気密信頼性が得られる。また、さらに、金属粒界間に間隙ができることを防止できるため、気密性を向上することができる。

なお、押圧環２１Ａは、内側接合領域ＪＩ及び外側接合領域ＪＯの幅が等しくなる（すなわち、幅ＪＩ＝ＪＯ）ように構成されていることが好ましい。すなわち、押圧環２１Ａは、円環状のフランジ金属層２１（フランジ接合面）の当該円環の幅の中心を円周とする円に沿って設けられている。

また、フランジ金属層２１に低熱膨張金属層２１Ｋを用いることによって、ガラス製のフランジ部１３Ｂの円環状凸部１３Ｃが保護され、キャップ接合工程において力が集中する円環状凸部１３Ｃが欠けるなどして気密不良を起こすことを防止できる。

また、フランジ部１３Ｂの底面を平坦にして、円環状凸部２１Ｃを有する形状に成形した低熱膨張金属をフランジ部１３Ｂの当該平坦底面に溶着して低熱膨張金属層２１ＫＣを設ける構造によって、透光キャップ１３を基板１１へ強く押圧することが可能となり、押圧環２１Ａの先端を基板金属層１２に接触させることができる（ＧＡ＝０）。

また、透光キャップ１３の窓部であるドーム部１３Ａの肉厚は、全体が等厚であるように、又は中央部を厚く（凸メニスカスレンズ）して配光を狭くし、又は周囲を厚く（凹メニスカスレンズ）して配光を広くすることができる
［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。

本実施形態の半導体発光装置３０が、上記した第１の実施形態の半導体発光装置１０と異なるのはフランジ部１３Ｂ及び基板１１の接合部であり、その他の構成は第１の実施形態の半導体発光装置１０と同様である。

本実施形態の半導体発光装置３０においては、フランジ金属層２１がナノサイズ金属粒子の接合層２２によって基板金属層１２に接合されることによって接合部２４が形成され、基板１１と透光キャップ１３との気密が保たれている。
（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。

基板金属層１２は、低熱膨張金属層１２Ｋ（第３の金属層）及び金属層１２Ｍ（第４の金属層）から構成されている（金属層１２Ｍが最表面）。より具体的には、コバール（登録商標）層／Ｃｕ層からなる。基板金属層１２は、セラミック基板である基板１１にＡＭＢ（Active Metal Brazing）法によってコバール（登録商標）／Ｃｕ箔を接合することができる。

基板金属層１２の最表面層（金属層１２Ｍ）は、フランジ金属層２１の最表面層又は終端金属層（金属層２１Ｍ）と同一の金属（本実施形態の場合、Ｃｕ）の層によって形成されている。
（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。

図６Ａに示すように、低熱膨張金属層２１Ｋ及び最表面金属層（Ｃｕ層）２１Ｍからなるフランジ金属層２１の下面（最表面金属層の表面）に銅ナノ粒子混合液を塗布する。

塗布して形成した銅ナノ粒子の堆積体を１００～３００℃で加熱して残留溶媒（及び仮バインダー）を除去する。溶媒（仮バインダー）が除去された銅ナノ粒子は、バインダー除去時の加熱により弱く結着（弱く焼結）する。

次に、基板１１と透光キャップ１３とを押圧して密着させて固定する。このとき、仮結着した銅ナノ粒子は破砕され、フランジ金属層２１及び基板金属層１２に食い込ませつつ広げる。

続いて、図６Ｂに示すように、発光素子１５の金属接合層１５Ａが再溶融しないように、基板１１の裏面を冷却しつつ、フランジ部１３Ｂのガラス面外側からレーザ光ＬＢを照射し、フランジ金属層２１、銅ナノ粒子（金属ナノ粒子接合層２２）及び基板金属層１２を２００～５００℃に加熱して、銅ナノ粒子を焼結し、気密性のキャップ接合層を形成する。焼結温度は、２００℃なら３０～１８０分程度、５００℃なら数分程度加熱して銅ナノ粒子を焼結する。尚、Ａｕ－Ｓｎなど素子接合部材の再溶融温度（３３０℃程度）以下で焼成する場合は、全体をオーブンで加熱して焼結しても良い。

以上のように、フランジ金属層２１及び基板金属層１２が、ナノサイズ金属粒子の焼結層である接合層２２によって接合され、基板１１と透光キャップ１３との気密封止が保たれる。

本実施形態の発光装置においては、フランジ部１３Ｂと、フランジ金属層２１のフランジ部１３Ｂと接合する側の金属を低熱膨張金属層２１Ｋとしたことで高い接合強度と高温下における熱膨張係数差を小さくでき、高温下においてもフランジ１３Ｂと低熱膨張金属層２１が剥離することがないので、フランジ部１３側から高出力のレーザ光による加熱を可能としている。

なお、図７に示すように、基板金属層１２がフランジ金属層２１の最表面金属層である金属層２１Ｍと同一金属のＣｕ層（金属層１２Ｍ）のみで構成されていても良い。この場合、基板金属層１２（すなわち、金属層１２Ｍ）は、ＡＭＢ（Active Metal Brazing）法又はＤＢＣ（Direct Bonding of Copper）法等によって基板１１上に接合して形成することができる。
（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。

例えば、基板金属層１２の場合、ＡＭＢ法等によって基板１１上に接合されたＣｕ層上に、Ｎｉ/Ａｕメッキを施して最表面金属層が金（Ａｕ）層である金属層１２Ｍを形成しても良い。
［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。

本改変例においては、図６Ａに示した場合と同様に、フランジ金属層２１が低熱膨張金属層２１Ｋ及び金属層（Ｃｕ層）２１Ｍによって構成され、基板金属層１２が低熱膨張金属層１２Ｋ及び金属層１２Ｍによって構成されている。

フランジ金属層２１の下面に金属ナノ粒子混合液が塗布され、１００～３００℃の加熱により溶媒（及び仮バインダー）が除去された後、誘導コイルＲＦによって２００～５００℃に加熱され、金属ナノ粒子を焼結して、気密性のキャップ接合層２２が形成される。

本実施形態の発光装置においては、フランジ部１３Ｂと、フランジ金属層２１のフランジ部１３Ｂと接合する側の金属を低熱膨張金属層２１Ｋとしたことで高い接合強度と高温下における熱膨張係数差を小さくでき、高温下においてもフランジ１３Ｂと低熱膨張金属層２１Ｋが剥離することがないので、高出力の誘導加熱を可能としている。

本改変例においては、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、基板１１には、接合部２４と半導体発光素子１５が接合された搭載部との間、すなわち半導体発光素子１５が接合された配線電極１４との間に、断熱のための溝１１Ｇが環状に形成されている。誘導コイルＲＦ又はレーザ光ＬＢなどによって金属ナノ粒子を焼結する際の熱が半導体発光素子１５等の接合部へ伝達することを抑制できる。
［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。

より詳細には、透光キャップ１３の円環形状の外縁部がフランジ部１３Ｂであり、その内側が透光部である窓部１３Ａである。フランジ部１３Ｂの底面（すなわち、透光キャップ１３の底面の円環形状外周部）には円環形状のフランジ金属層２１が固着されている。

図９Ｂに示すように、フランジ金属層２１がナノサイズ金属粒子の接合層２２によって基板金属層１２に接合されることによって接合部２４が形成され、基板１１と透光キャップ１３との気密が保たれている。

本実施形態の半導体発光装置５０においては、基板１１は、半導体発光素子１５をその内部に収容する空間である凹部ＲＣを有している。より詳細には、基板１１は、基板１１の外周部に立設されて形成された枠１１Ａによって画定される円柱状の凹部ＲＣを有するハウジング構造（枠構造）として構成されている。枠１１Ａの平坦な頂面上に透光キャップ１３が接合されている。半導体発光素子１５は、凹部ＲＣの底面の基板１１上に接合層１５Ａによって接合されて設けられている。

本実施形態の半導体発光装置５０によれば、基板１１の枠１１Ａによって、高周波加熱又はレーザ光ＬＢ等によって金属ナノ粒子を焼結する際の熱が半導体発光素子１５等の接合部へ伝達することが抑制される。従って、気密封止する際の熱によって半導体発光素子１５等及びその接合部が劣化されず、高い気密性能を有する半導体発光装を提供することができる。

また、本実施形態による半導体発光装置５０においては、透光キャップ１３は、円盤状の平板で構成されており、加工が容易であり、基板との接合の均一性も高く、コストも低減できる。なお、透光キャップ１３は円盤状に限らず矩形状又は多角形形状等を有していてもよい。また、透光キャップ１３Ｂの接合面が矩形形状又は多角形形状を有する場合であっても、基板金属層１２及びフランジ金属層２１の角部に丸み（Ｒ面取り）が設けてあれば十分な気密接合性を得ることが可能となる。
［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。

また、基板１１が半導体発光素子１５を収容する凹部ＲＣを有する場合、基板金属層１２及びフランジ金属層２１の形状に応じて、凹部ＲＣは角柱形状、多角柱形状を有していてもよく、また、角部がＲ面加工（面取り）された角柱形状を有していてもよい。

上記したように、本実施形態による半導体発光装置によれば、長期の使用においても高い気密性が維持される高い信頼性、及び、耐湿性、耐腐食性など高い耐環境性を有する半導体装置を提供することができる。

１０，３０ 半導体発光装置
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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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