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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-03-13
(45)【発行日】2024-03-22
(54)【発明の名称】半導体発光装置
(51)【国際特許分類】
H01L 33/54 20100101AFI20240314BHJP
H01L 33/62 20100101ALI20240314BHJP
H01L 23/02 20060101ALI20240314BHJP
【ＦＩ】
H01L33/54
H01L33/62
H01L23/02 F
H01L23/02 B
【請求項の数】
14
(21)【出願番号】P 2020076894
(22)【出願日】2020-04-23
(65)【公開番号】P2021174852
(43)【公開日】2021-11-01
【審査請求日】2023-03-06
(73)【特許権者】
【識別番号】000002303
【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000800
【氏名又は名称】デロイトトーマツ弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】宮村 真一
【審査官】高椋 健司
(56)【参考文献】
【文献】特開２００８－１３５６９６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－２１６８１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０４－０２３３８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／００３１１１８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０３９０７２４９（ＣＮ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０３７９０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－３０３２４２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ３１／００－３１／０２
Ｈ０１Ｌ ３１／０８－３１／１０
Ｈ０１Ｌ ３１／１８
Ｈ０１Ｌ ３３／００－３３／６４
Ｈ０１Ｓ ５／００－ ５／５０
Ｈ１０Ｋ ３０／６０－３０／６５
Ｈ１０Ｋ ３９／３０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、基板金属層で被覆された基板接合面を有する基板と、
前記半導体発光素子の放射光を透過する窓部と、内縁が円形状の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性キャップを有し、
前記フランジ接合面は、表面が金属層であり、平坦部と前記平坦部から突出し当該円形状の前記内縁と同心の円環状凸部である押圧環とを有し、
前記基板金属層及び前記金属層は、前記基板金属層と前記押圧環の頂部とが一定の間隔で接合材によって接合されている、半導体発光装置。
【請求項2】
前記フランジ接合面は円環形状を有し、前記押圧環は、前記フランジ接合面の当該円環と同心である同心円に沿って設けられている、請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項3】
前記押圧環は、前記フランジ接合面の当該円環の幅の中心を円周とする前記同心円に沿って設けられている、請求項２に記載の半導体発光装置。
【請求項4】
前記押圧環は、前記同心円の円周に垂直な断面において半円形状、矩形状又は台形状を有する、請求項２または３に記載の半導体発光装置。
【請求項5】
前記押圧環の頂部及び前記基板金属層は、前記押圧環の頂部の全周に渡って一定の間隙で接合されている、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。
【請求項6】
前記押圧環は、前記押圧環の頂部の全周に渡って前記頂部が前記基板金属層に直接に接している、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。
【請求項7】
前記フランジ接合面は、前記押圧環と同心であり、前記平坦部から突出した円環状凸部であって前記押圧環よりも径の大きな補助押圧環を有する、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。
【請求項8】
前記フランジ接合面は矩形状の外縁を有し、前記フランジ接合面は、前記フランジ接合面の対角線上であって、前記押圧環の外側に、前記平坦部から突出した凸部である補助押圧部をさらに有する、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
【請求項9】
前記補助押圧部の突出高さは前記押圧環の突出高さよりも小さい、請求項８に記載の半導体発光装置。
【請求項10】
前記補助押圧部は、複数の補助押圧要素からなり、前記複数の補助押圧要素のうち少なくとも１つは前記対角線上に位置している、請求項８又は９に記載の半導体発光装置。
【請求項11】
前記複数の補助押圧要素は、前記押圧環の外側であって、前記押圧環の同心円上に配されている、請求項１０に記載の半導体発光装置。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項14】
前記透光性キャップは、石英ガラス又はホウ珪酸ガラスからなる、請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の半導体発光装置。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０１５－１８８７３号公報
【文献】特開２０１８－９３１３７号公報
【文献】特開２０１６－１２７２５５号公報
【文献】特開２０１６－１２７２４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、高接合性及び高気密性を有するとともに、高い信頼度及び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。
【課題を解決するための手段】
【0009】
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、基板金属層で被覆された基板接合面を有する基板と、
前記半導体発光素子の放射光を透過する窓部と、内縁が円形状の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性キャップを有し、
前記フランジ接合面は、表面が金属層であり、平坦部と前記平坦部から突出し当該円形状の前記内縁と同心の円環状凸部である押圧環とを有し、
前記基板金属層及び前記フランジ金属層は、前記基板金属層と前記押圧環の頂部とが一定の間隔で接合材によって接合されている。
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、基板金属層で被覆された基板接合面を有する基板と、
前記半導体発光素子の放射光を透過する窓部と、内縁が円形状の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性キャップを有し、
前記フランジ接合面は、表面が金属層であり、平坦部と前記平坦部から突出し当該円形状の前記内縁と同心の円環状凸部である押圧環とを有し、
前記基板金属層及び前記フランジ金属層は、前記基板金属層と前記押圧環の頂部とが一定の間隔で接合材によって接合されている。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1A】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】半導体発光装置１０の側面を模式的に示す図である。
【図1C】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】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】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3A】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。
【図3B】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。
【図4A】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。
【図4B】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。
【図5A】第２の実施形態による半導体発光装置３０の上面を模式的に示す平面図である。
【図5B】半導体発光装置３０の側面を模式的に示す図である。
【図5C】半導体発光装置３０の裏面を模式的に示す図である。
【図5D】半導体発光装置３０の内部構造を模式的に示す図である。
【図5E】第２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7A】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。
【図7B】接合部の部分拡大断面図であり、押圧環２１Ａの頂部が基板金属層１２に突き当たっている場合を示している。
【図8A】第２の実施形態の改変例を模式的に示す平面図である。
【図8B】第２の実施形態の改変例のフランジ部１３Ｂの角部を拡大して示す上面図である。
【図8C】第２の実施形態の改変例のフランジ部１３Ｂの角部を拡大して示す上面図である
【図9】第２の実施形態の他の改変例を示す上面図である。
【図10】フランジ部１３Ｂの底面が平坦面である場合を示す部分拡大断面図である。
【図11】押圧環２１Ａの外側に、押圧環２１Ａと同心の円環状凸部である補助押圧環２１Ｃが設けられた場合を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
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。また、図２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。
［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。また、図２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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
図１Ｅ及び図２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。なお、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。
【0015】
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。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、基板１１と透光キャップ１３との気密が保たれている。
【0016】
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。なお、基板１１の基材としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）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。
【0017】
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ガラスからなる。例えば、石英ガラス又はホウ珪酸ガラスを好適に用いることができる。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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（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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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、例えば銅（Ｃｕ）からなる金属ビア１８Ａ、１８Ｂ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。
【0026】
図２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、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。
【0027】
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）
また、図１Ａ及び図１Ｂ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の底部に設けられたフランジ部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。
（透光キャップ１３及びフランジ部１３Ｂ）
また、図１Ａ及び図１Ｂ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の底部に設けられたフランジ部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。
【0028】
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、フランジ部１３Ｂの底面には金属層２１が固着されている。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。
（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。
（フランジ金属層２１）
また、フランジ部１３Ｂの底面には金属層２１が固着されている。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。
（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。
【0029】
また、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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
フランジ部１３Ｂの底面の金属層２１は、フランジ部１３Ｂの基材（ガラス）上に、順にクロム、ニッケル、金を積層した構造（Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｕ）、あるいはチタン、パラジウム、銅、ニッケル、金を積層した構造（Ｔｉ／Ｐｄ／Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ）を有している。
【0033】
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２２ｗｔ％含有するもの（溶融温度：約３００℃）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、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ＡｕＳｎ揮発性ソルダーペーストはんだを塗布する。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３００℃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。
［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ＡｕＳｎ揮発性ソルダーペーストはんだを塗布する。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３００℃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。
【0034】
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。
（フラックス追揮発工程）
上記のように発光素子１５が接合された基板１１をヒーターにセットし、窒素雰囲気下で、アニール温度３２０℃で２０秒加熱して、揮発性ソルダーペーストの残留物（フラックス）を揮発させる。
（フラックス追揮発工程）
上記のように発光素子１５が接合された基板１１をヒーターにセットし、窒素雰囲気下で、アニール温度３２０℃で２０秒加熱して、揮発性ソルダーペーストの残留物（フラックス）を揮発させる。
【0035】
追揮発温度の下限は、残留物（フラックス）が揮発する３００℃以上（すなわち、接合層２２の溶融温度以上）が好ましい。また、追揮発温度の上限は、接合層２２が再溶融しない温度以下、例えば３３０℃以下が好ましい。
（エキシマ光洗浄工程）
追揮発後の基板１１をエキシマ－光照射装置にセットし、2000 mJ/cm2以上のエキシマ光を基板に照射する。これにより、基板１１及び発光素子１５の表面に吸着している残留物（フラックス）を分解除去した。
（キャップ接合工程）
エキシマ光洗浄工程後の基板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。
（エキシマ光洗浄工程）
追揮発後の基板１１をエキシマ－光照射装置にセットし、2000 mJ/cm2以上のエキシマ光を基板に照射する。これにより、基板１１及び発光素子１５の表面に吸着している残留物（フラックス）を分解除去した。
（キャップ接合工程）
エキシマ光洗浄工程後の基板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。
【0036】
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（Ｎ２）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。
【0037】
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、３２０℃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。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。
［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。
［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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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５Ａは、本発明の第２の実施態様による半導体発光装置３０の上面を模式的に示す平面図である。図５Ｂ及び図５Ｃは、それぞれ半導体発光装置３０の側面及び裏面を模式的に示す図である。図５Ｄは、半導体発光装置３０の内部構造を模式的に示す図である。図５Ｅは、透光キャップ１３の１／４の部分を模式的に示す斜視図である。また、図６は、図５ＡのＢ－Ｂ線に沿った半導体発光装置３０の断面を模式的に示す断面図である。なお、図６は、図面及び説明の明確さのため透光キャップ１３の片側１／２の部分を示している。
［第２の実施形態］
図５Ａは、本発明の第２の実施態様による半導体発光装置３０の上面を模式的に示す平面図である。図５Ｂ及び図５Ｃは、それぞれ半導体発光装置３０の側面及び裏面を模式的に示す図である。図５Ｄは、半導体発光装置３０の内部構造を模式的に示す図である。図５Ｅは、透光キャップ１３の１／４の部分を模式的に示す斜視図である。また、図６は、図５ＡのＢ－Ｂ線に沿った半導体発光装置３０の断面を模式的に示す断面図である。なお、図６は、図面及び説明の明確さのため透光キャップ１３の片側１／２の部分を示している。
【0050】
図５Ａ及び図５Ｂに示すように、半導体発光装置３０は、矩形の板形状の基板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、図５Ｄに示すように、基板１１の上面上には、基板金属層１２が形成され、透光キャップ１３と接合されている。以下に、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、より詳細に説明する。
（透光キャップ１３及びフランジ部１３Ｂ）
図５Ａ及び図６に示すように、第２の実施形態の透光キャップ１３は、半円球状の窓部であるドーム部１３Ａと、ドーム部１３Ａの底部に設けられたフランジ部１３Ｂとからなる。
（透光キャップ１３及びフランジ部１３Ｂ）
図５Ａ及び図６に示すように、第２の実施形態の透光キャップ１３は、半円球状の窓部であるドーム部１３Ａと、ドーム部１３Ａの底部に設けられたフランジ部１３Ｂとからなる。
【0051】
図５Ａ及び図５Ｅに示すように、本実施形態の透光キャップ１３は、第１の実施形態の透光キャップ１３とは異なり、フランジ部１３Ｂは角柱状の外形を有している。より詳細には、フランジ部１３Ｂは外縁（外周）が矩形である板形状を有している。ここでは、フランジ部１３Ｂが正方形状の外縁を有している場合について説明する。なお、フランジ部１３Ｂの内縁はドーム部１３Ａの縁部に接続されており、円形状（中心：Ｃ）を有している。
【0052】
図５Ａ及び図６に示すように、フランジ部１３Ｂの底面には、ドーム部１３Ａと同心円（中心：Ｃ）の円環状の凸部１３Ｃが形成されている。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。
【0053】
さらに、正方形状の外縁を有するフランジ部１３Ｂの対角線ＤＬ上であって、円環状凸部１３Ｃの外側に円環状凸部１３Ｃから離間して半円球状の凸部１３Ｄが設けられている
（フランジ金属層２１）
また、図６に示すように、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。すなわち、フランジ接合面は、内縁が円形状を有し、外縁が矩形状を有している。
（フランジ金属層２１）
また、図６に示すように、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。すなわち、フランジ接合面は、内縁が円形状を有し、外縁が矩形状を有している。
【0054】
凸部１３Ｃ及びフランジ金属層２１によって、フランジ部１３Ｂの底面に沿った円環状の凸部である押圧環２１Ａが形成されている。また、凸部１３Ｄの表面がフランジ金属層２１によって被覆された凸部である補助押圧部２１Ｂが形成されている。
（基板金属層１２）
図５Ａ及び図５Ｄに示すように、基板１１には、外縁が矩形形状の基板金属層１２が固着され、基板接合面が形成されている。すなわち、基板金属層１２は、内縁（内周）が円形状で外縁が矩形形状のフランジ部１３Ｂの底面に対応する形状を有している。また、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）
図５Ａ及び図５Ｄに示すように、基板１１には、外縁が矩形形状の基板金属層１２が固着され、基板接合面が形成されている。すなわち、基板金属層１２は、内縁（内周）が円形状で外縁が矩形形状のフランジ部１３Ｂの底面に対応する形状を有している。また、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。
【0055】
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、これらの周囲を取り囲むように形成されている。
【0056】
基板金属層１２上に、フランジ部１３Ｂの底面に対応する形状及び大きさを有する接合シートである接合層２２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６に示すように、基板１１と透光キャップ１３とを接合することができる。すなわち、フランジ金属層２１が接合層２２によって基板金属層１２に接合されることによって、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及びフランジ部１３Ｂの接合部］
図７Ａは基板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。上記した基板１１及びフランジ部１３Ｂの接合によって、押圧環２１Ａが溶融したＡｕＳｎを押し広げた円環状の領域が第１の狭窄接合領域ＪＮ１を形成する。また、押圧環２１Ａの内側及び外側、すなわち第１の狭窄接合領域ＪＮ１の内側及び外側にそれぞれ内側接合領域ＪＩと中間接合領域ＪＭが形成される。
［基板１１及びフランジ部１３Ｂの接合部］
図７Ａは基板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。上記した基板１１及びフランジ部１３Ｂの接合によって、押圧環２１Ａが溶融したＡｕＳｎを押し広げた円環状の領域が第１の狭窄接合領域ＪＮ１を形成する。また、押圧環２１Ａの内側及び外側、すなわち第１の狭窄接合領域ＪＮ１の内側及び外側にそれぞれ内側接合領域ＪＩと中間接合領域ＪＭが形成される。
【0057】
本実施形態の場合、内側接合領域ＪＩは、上面視において円環状形状を有する。また、中間接合領域ＪＭは、フランジ部１３Ｂの対角線ＤＬに沿った帯状の領域として形成される。
【0058】
また、当該接合時に、補助押圧部２１Ｂによって、接合材ＡｕＳｎが押し広げた第２の狭窄接合領域ＪＮ２が形成される。すなわち、補助押圧部２１Ｂが半円球状の場合、フランジ部１３Ｂの対角線ＤＬ上であって押圧環２１Ａの外側に、上面視において（フランジ部１３Ｂに垂直な方向から視たとき）円形の第２の狭窄接合領域ＪＮ２が形成される。
【0059】
第２の狭窄接合領域ＪＮ２の内側の領域は中間接合領域ＪＭであり、第２の狭窄接合領域ＪＮ２の外側には外側接合領域ＪＯが形成される。
【0060】
以下においては、補助押圧部２１Ｂの高さ（突起の高さ）Ｈ２は、押圧環２１Ａの高さＨ１よりも小さい場合について説明する。しかし、補助押圧部２１Ｂ及び押圧環２１Ａが同じ高さを有していてもよい（Ｈ１＝Ｈ２）。
【0061】
押圧環２１Ａの頂部及び基板金属層１２は、間隙ＧＡを有して接合される。また、補助押圧部２１Ｂ及び基板金属層１２は、間隙ＧＢを有して接合され、間隙ＧＡは間隙ＧＢよりも小さい（ＧＡ＜ＧＢ）。
【0062】
なお、第１の実施形態の場合と同様に、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７Ｂに示すように、押圧環２１Ａの頂部と基板金属層１２とが直接に接する円形の接続線、すなわち押圧環２１Ａ及び基板金属層１２の間に接合材（ＡｕＳｎ）が存在しない円形の接続部ＪＬが形成され、線状の気密構造が形成される。
【0063】
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（S間隙）ＧＡ＝０である。
（補助押圧部２１Ｂの機能）
基板１１とフランジ部１３Ｂとの接合（すなわち、接合材の溶融及び固化）は、押圧環２１Ａからフランジ１３Ｂの外側方向へ接合が進むのが好ましい。しかし、フランジ部１３Ｂが矩形の場合では、押圧環２１Ａから離れた部分において接合、すなわちＡｕＳｎ接合材の溶融及び固化が押圧環２１Ａの部分よりも遅れる場合がある。
（補助押圧部２１Ｂの機能）
基板１１とフランジ部１３Ｂとの接合（すなわち、接合材の溶融及び固化）は、押圧環２１Ａからフランジ１３Ｂの外側方向へ接合が進むのが好ましい。しかし、フランジ部１３Ｂが矩形の場合では、押圧環２１Ａから離れた部分において接合、すなわちＡｕＳｎ接合材の溶融及び固化が押圧環２１Ａの部分よりも遅れる場合がある。
【0064】
本実施形態においては、押圧環２１Ａからの距離が遠いフランジ部１３Ｂの角部領域（対角線ＤＬ方向）に補助押圧部２１Ｂを設けているので、当該領域における接合遅れを防止でき、フランジ部１３Ｂの全面に渡る安定な接合が可能である。また、接合遅れを防止することでＡｕＳｎ接合材の結晶粒界間に間隙ができることも防止できる。
［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、半導体発光装置３０の上面から視た構成を模式的に示す平面図である。また、図８Ｂは、フランジ部１３Ｂの角部を拡大して示す上面図である。本改変例においては、当該角部に複数の押圧要素２１Ｂ１，２１Ｂ２，２１Ｂ３からなる補助押圧部２１Ｂが設けられている。
［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、半導体発光装置３０の上面から視た構成を模式的に示す平面図である。また、図８Ｂは、フランジ部１３Ｂの角部を拡大して示す上面図である。本改変例においては、当該角部に複数の押圧要素２１Ｂ１，２１Ｂ２，２１Ｂ３からなる補助押圧部２１Ｂが設けられている。
【0065】
より詳細には、上面視において矩形のフランジ部１３Ｂの対角線ＤＬ上に配された１つの押圧要素２１Ｂ１と、対角線ＤＬから外れた位置に複数の（本改変例では２つの）押圧要素２１Ｂ２，２１Ｂ３とが設けられている。このように複数の押圧要素２１Ｂｎ（ｎは２以上の整数）からなる補助押圧部２１Ｂを設ける場合には、少なくとも１つの押圧要素は対角線ＤＬ上に設けられていることが好ましい。また、補助押圧部２１Ｂは、フランジ部１３Ｂの４つの角部の全てに設けられていることが好ましい。
【0066】
あるいは、図８Ｃに示すように、複数の押圧要素２１Ｂｎが、押圧環２１Ａと同心円ＣＣ（中心：Ｃ）の円周上に、すなわち押圧環２１Ａから等距離であるように配されていてもよい。
【0067】
また、図９は、他の改変例を示す上面図である。当該改変例においては、補助押圧部２１Ｂは、押圧環２１Ａの外側に、押圧環２１Ａと同心であり、押圧環２１Ａよりも径の大きな円環の一部である円環部分として対角線ＤＬ上に配されている場合を示している。
【0068】
なお、補助押圧部２１Ｂとして、押圧環２１Ａと同心円環であり、押圧環２１Ａよりも径の大きな円環全体である補助押圧環を設けてもよい。
【0069】
本改変例においても、第２の実施形態と同様に、フランジ部１３Ｂの全面に渡る安定な接合が可能である。
【0070】
また、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、押圧環２１Ａによる領域区分、位置決めの機能、及び接合材のオーバーフロー防止の機能を有する。また、内側接合領域ＪＩ及び中間接合領域ＪＭは、押圧環２１Ａに対してフィレットとしての機能を有し、シェア強度の破壊強度を向上する機能を有する点も同様である。
【0071】
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で直接に接し、線状（上面視で円形）に接した線状気密として働く。一方、内側接合領域ＪＩ及び中間接合領域ＪＭは帯状気密として働く。
［さらなる改変例］
上記した実施形態においては、フランジ部１３Ｂの外縁が円形状を有する場合（第１の実施形態）、及び矩形の場合（第２の実施形態）について説明したが、フランジ部１３Ｂの外縁はｎ角形（ｎは３以上の整数）の多角形状を有する場合であってもよい。
［さらなる改変例］
上記した実施形態においては、フランジ部１３Ｂの外縁が円形状を有する場合（第１の実施形態）、及び矩形の場合（第２の実施形態）について説明したが、フランジ部１３Ｂの外縁はｎ角形（ｎは３以上の整数）の多角形状を有する場合であってもよい。
【0072】
フランジ部１３Ｂの外縁が円形状又はｎ角形状を有する場合、図１１に示すように、押圧環２１Ａの外側に、補助押圧部２１Ｂとして押圧環２１Ａと同心であり、フランジ部１３Ｂの底面の平坦部から突出した円環状凸部であって押圧環２１Ａよりも径の大きな補助押圧環２１Ｃを設けてもよい。
【0073】
また、フランジ部１３Ｂの外縁（外形）がｎ角形状（ｎは３以上の整数）を有する場合においても、補助押圧部２１Ｂとして押圧環２１Ａと同心円環であり、押圧環２１Ａよりも径の大きな補助押圧環を設けてもよい。特に、フランジ部１３Ｂの外形が回転対称性の低い、又は回転対称性を有しない形状を有する場合に、高い気密性を得ることができる。
【0074】
なお、上記した実施形態及び改変例においては、押圧環２１Ａ及び補助押圧部２１Ｂが、凸部１３Ｃ及び１３Ｄを有するフランジ部１３Ｂの底面に金属が被覆された構成として説明したが、これに限定されない。
【0075】
例えば、図１０に示すように、フランジ部１３Ｂの底面の全体又は一部が平坦面であって、当該底面上に金属層が押圧環２１Ａ又は補助押圧部２１Ｂとして機能する凸部を有するように構成されていてもよい。図１０は第２の実施形態の場合について示す断面図であるが、第１の実施形態の場合についても同様に適用可能である。また、当該凸部は、断面が半円状に限らず、矩形状、台形状、逆三角状（Ｖ字状）であってもよい。
【0076】
また、上記した半導体材料及び金属材料、数値等は、特記した場合を除いて、例示であり、限定的に解釈されない。また、本明細書において、用語「円環」は、楕円環、長円環、オーバル形の環等を含み、円、円球等についても同様である。また、用語「矩形」は、正方形、長方形、及びこれらの角部が面取りされた形状を含む。
【0077】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、高接合性及び高気密性を有するとともに、多湿などの悪環境下においても高い耐環境性を有する、高信頼度及び長寿命の半導体装置を提供することができる。
【符号の説明】
【0078】
１０，３０ 半導体発光装置
１１ 基板
１２ 基板金属層
１３ 透光キャップ
１３Ａ 窓部
１３Ｂ フランジ部
１３Ｃ，１３Ｄ 凸部
２１ フランジ金属層
２１Ａ 押圧環
２１Ｂ 補助押圧部
２１Ｂ１，２１Ｂ２，２１Ｂ３ 補助押圧要素
２１Ｃ 補助押圧環
２２ キャップ接合層
Ｃ 円中心
ＣＣ 同心円
ＧＡ，ＧＢ 間隙
ＤＬ 対角線
ＪＩ 内側接合領域
ＪＭ 中間接合領域
ＪＮ，ＪＮ１，ＪＮ２ 狭窄接合領域
ＪＯ 外側接合領域
１１ 基板
１２ 基板金属層
１３ 透光キャップ
１３Ａ 窓部
１３Ｂ フランジ部
１３Ｃ，１３Ｄ 凸部
２１ フランジ金属層
２１Ａ 押圧環
２１Ｂ 補助押圧部
２１Ｂ１，２１Ｂ２，２１Ｂ３ 補助押圧要素
２１Ｃ 補助押圧環
２２ キャップ接合層
Ｃ 円中心
ＣＣ 同心円
ＧＡ，ＧＢ 間隙
ＤＬ 対角線
ＪＩ 内側接合領域
ＪＭ 中間接合領域
ＪＮ，ＪＮ１，ＪＮ２ 狭窄接合領域
ＪＯ 外側接合領域
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図1E】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図9】
【図10】
【図11】