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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】2024-09-11
(45)【発行日】2024-09-20
(54)【発明の名称】半導体発光装置及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 33/54 20100101AFI20240912BHJP
H01L 33/56 20100101ALI20240912BHJP
【ＦＩ】
H01L33/54
H01L33/56
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2021022564
(22)【出願日】2021-02-16
(65)【公開番号】P2022124748
(43)【公開日】2022-08-26
【審査請求日】2024-01-19
(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２０１９－２２０６７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２１－０１２９６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０２１９３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２８５２３２（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ３３／００－３３／６４
Ｈ０１Ｓ ５／００－ ５／５０
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(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に接続された配線と、前記半導体発光素子を囲む環形状の基板金属層が固着された基板接合面とを有する気密性の基板と、
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環形状のキャップ金属層が固着されたフランジ部とを有し、接合層によって前記キャップ金属層が前記基板金属層に接合されて前記半導体発光素子を収容する内部空間を有して前記基板に気密接合された気密性の透光キャップと、を有し、
前記接合層は、金（Ａｕ）網目構造体に接合金属が含浸した含浸接合体である、半導体発光装置。
【請求項2】
前記含浸接合体は内部に配列された空洞を有する、請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項3】
前記空洞は半球形状を有する、請求項２に記載の半導体発光装置。
【請求項4】
前記内部空間には窒素及び酸素を含む混合ガスが封入されている、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。
【請求項5】
前記混合ガスは酸素を３～２０％の範囲で含む、請求項４に記載の半導体発光装置。
【請求項6】
前記半導体発光素子はＡｌＧａＮ系の発光素子である、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。
【請求項7】
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の製造方法であって、前記気密性の前記基板の前記基板金属層の延在方向に沿って前記基板金属層上に複数の接合材バンプを配列し、
前記複数の接合材バンプを包埋するようにナノＡｕペーストを塗布し、
前記ナノＡｕペースト上から前記キャップ金属層を載置しつつ前記フランジ部を押圧し、
第１の熱処理温度で前記ナノＡｕペーストの焼結を行ってＡｕ網目構造体を形成し、前記基板と前記気密性の前記透光キャップとを結合し、
前記基板及び前記透光キャップの結合体を減圧環境下に置いて前記内部空間内の排気を行い、
前記排気の後に、前記結合体を前記減圧環境よりも高圧かつ所定のガスの環境下に置いて前記内部空間内を前記所定のガスで置換し、
前記所定のガスによる置換後、前記第１の熱処理温度よりも高温の第２の熱処理温度で前記接合材バンプの接合材を前記Ａｕ網目構造体に含浸させる、半導体発光装置の製造方法。
【請求項8】
前記内部空間内の前記排気を行うステップは、前記ナノＡｕペーストに含まれるフラックスを前記内部空間から排気するステップを含む、請求項７に記載の半導体発光装置の製造方法。
【請求項9】
前記接合材を前記Ａｕ網目構造体に含浸させるステップは、前記含浸接合体の内部に配列された空洞を形成するステップを含む、請求項７又は８に記載の半導体発光装置の製造方法。
【請求項10】
前記接合材はＡｕＳｎである、請求項７ないし９のいずれか一項に記載の半導体発光装置の製造方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体発光装置及びその製造方法、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及びその製造方法に関する。
【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には、通気用貫通孔を有するキャビティ内に発光チップが配置され、通気用貫通孔を通してキャビティ内の気体を排気した後、通気用貫通孔を封止して発光チップが外部の水蒸気と酸素に接触することを防止する発光素子が開示されている。
【0004】
特許文献２には、紫外線などの短波長光を放射する半導体発光素子パッケージが開示されている。当該パッケージは、ホットメルト系材料によって貫通孔を封止し、内部を不活性ガスで封入されている。
【0005】
特許文献３には、貫通孔が設けられ、当該貫通孔が封止材により封止された光素子収納用パッケージが開示されている。
【0006】
また、特許文献４には、パッケージに設けられた排気口を通してパッケージ内部を真空にした後、排気口を封止した電子部品装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特開２０１８－１４２６９０号公報
【文献】特開２００６－９３３７２号公報
【文献】特開２００７－１２３４４４号公報
【文献】特開２００７－２８７９６７号公報
【非特許文献】
【0008】
【文献】長瀬産業株式会社 https://www.nagase-pactech.jp/solder/spec/
【文献】田中貴金属工業株式会社 https://tanaka-preciousmetals.com/jp/products/detail/aurofuse/?nav=use
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、半導体発光装置について、より一層の高い信頼性が求められている。特に、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、環境ガスによって劣化し易い。従って、半導体発光素子の劣化を防止する環境にパッケージ内部を置換し、高い気密性を有する封止構造のパッケージが求められている。
【0010】
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、パッケージにガス置換口を設けることなく、半導体発光素子が劣化し難い環境（ガス雰囲気）にパッケージ内部を置換でき、かつ高い気密性を有する半導体発光装置及びその製造方法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】
【0011】
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に接続された配線と、前記半導体発光素子を囲む環形状の基板金属層が固着された基板接合面とを有する気密性の基板と、
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環形状のキャップ金属層が固着されたフランジ部とを有し、接合層によって前記キャップ金属層が前記基板金属層に接合されて前記半導体発光素子を収容する内部空間を有して前記基板に気密接合された気密性の透光キャップと、を有し、
前記接合層は、金（Ａｕ）網目構造体に接合金属が含浸した含浸接合体である。
半導体発光素子と、
前記半導体発光素子に接続された配線と、前記半導体発光素子を囲む環形状の基板金属層が固着された基板接合面とを有する気密性の基板と、
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環形状のキャップ金属層が固着されたフランジ部とを有し、接合層によって前記キャップ金属層が前記基板金属層に接合されて前記半導体発光素子を収容する内部空間を有して前記基板に気密接合された気密性の透光キャップと、を有し、
前記接合層は、金（Ａｕ）網目構造体に接合金属が含浸した含浸接合体である。
【0012】
本発明の他の実施形態による半導体発光装置の製造方法は、上記した半導体発光装置の製造方法であって、
前記気密性の前記基板の前記基板金属層の延在方向に沿って前記基板金属層上に複数の接合材バンプを配列し、
前記複数の接合材バンプを包埋するようにナノＡｕペーストを塗布し、
前記ナノＡｕペースト上から前記キャップ金属層を載置しつつ前記フランジ部を押圧し、
第１の熱処理温度で前記ナノＡｕペーストの焼結を行ってＡｕ網目構造体を形成し、前記基板と前記気密性の前記透光キャップとを結合し、
前記基板及び前記透光キャップの結合体を減圧環境下に置いて前記内部空間内の排気を行い、
前記排気の後に、前記結合体を前記減圧環境よりも高圧かつ所定のガスの環境下に置いて前記内部空間内を前記所定のガスで置換し、
前記所定のガスによる置換後、前記第１の熱処理温度よりも高温の第２の熱処理温度で前記接合材バンプの接合材を前記Ａｕ網目構造体に含浸させる製造方法である。
前記気密性の前記基板の前記基板金属層の延在方向に沿って前記基板金属層上に複数の接合材バンプを配列し、
前記複数の接合材バンプを包埋するようにナノＡｕペーストを塗布し、
前記ナノＡｕペースト上から前記キャップ金属層を載置しつつ前記フランジ部を押圧し、
第１の熱処理温度で前記ナノＡｕペーストの焼結を行ってＡｕ網目構造体を形成し、前記基板と前記気密性の前記透光キャップとを結合し、
前記基板及び前記透光キャップの結合体を減圧環境下に置いて前記内部空間内の排気を行い、
前記排気の後に、前記結合体を前記減圧環境よりも高圧かつ所定のガスの環境下に置いて前記内部空間内を前記所定のガスで置換し、
前記所定のガスによる置換後、前記第１の熱処理温度よりも高温の第２の熱処理温度で前記接合材バンプの接合材を前記Ａｕ網目構造体に含浸させる製造方法である。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1A】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】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2B】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。
【図3A】製造工程ＳＴＥＰ１～ＳＴＥＰ３におけるキャップ金属層２１と基板金属層１２との接合部を模式的に示す図である。各工程における断面図を上側に示し、当該断面図のＡ－Ａ線に平行な面における平面図を下側に示している。
【図3B】製造工程ＳＴＥＰ４～ＳＴＥＰ６におけるキャップ金属層２１と基板金属層１２との接合部を模式的に示す図である。
【図4A】本発明の第２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。
【図4B】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。
【発明を実施するための形態】
【0014】
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。
［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。
【0015】
【0016】
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、透光キャップ１３とが接合されて発光素子パッケージ１０Ａが構成されている。そして、発光素子パッケージ１０Ａ内に発光素子１５が収容されている。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。
（透光キャップ１３及びキャップ金属層２１）
図１Ａ、１Ｂ及び図２Ａに示すように、半球状のガラスからなる透光性窓である窓部１３Ａと、窓部１３Ａの底部の端部から延在するフランジ１３Ｂ（キャップ接合部）とからなる。すなわち、透光キャップ１３は気密性を有し、例えば窓部１３Ａとフランジ１３Ｂとが気密的につなぎ合わされて構成されている。
（透光キャップ１３及びキャップ金属層２１）
図１Ａ、１Ｂ及び図２Ａに示すように、半球状のガラスからなる透光性窓である窓部１３Ａと、窓部１３Ａの底部の端部から延在するフランジ１３Ｂ（キャップ接合部）とからなる。すなわち、透光キャップ１３は気密性を有し、例えば窓部１３Ａとフランジ１３Ｂとが気密的につなぎ合わされて構成されている。
【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透光性のガラスからなる。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】
フランジ１３Ｂは円環板状の形状を有している。より詳細には、フランジ１３Ｂの底面は窓部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１３Ｂの外縁（外周）は、フランジ１３Ｂの内縁（内周）と同心である。
【0019】
フランジ１３Ｂは、フランジ１３Ｂの底面（キャップ接合面）１３Ｓに固着された金属層であり、且つフランジ１３Ｂと同心の円環板状のキャップ金属層２１を有している。
【0020】
キャップ金属層２１には、例えば、クロム／ニッケル／金（Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｕ）層、もしくは、チタン／パラジウム／銅／ニッケル／金（Ｔｉ／Ｐｄ／Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ）層（Ａｕ層が最表面層）などを用いることができる。
（基板金属層１２、透光キャップ１３及び接合層２４）
図２Ａに示すように、基板１１の上面上には、フランジ１３Ｂ及びキャップ金属層２１と同心の円環状の金属層１２（以下、基板金属層１２ともいう。）が形成されている。キャップ金属層２１が基板金属層１２と接合層２２によって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。
（基板金属層１２、透光キャップ１３及び接合層２４）
図２Ａに示すように、基板１１の上面上には、フランジ１３Ｂ及びキャップ金属層２１と同心の円環状の金属層１２（以下、基板金属層１２ともいう。）が形成されている。キャップ金属層２１が基板金属層１２と接合層２２によって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。
【0021】
すなわち、キャップ金属層２１は、基板金属層１２に対応する形状及び大きさを有し、キャップ金属層２１及び基板金属層１２は、接合層２２によって互いに接合されている。
【0022】
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）を有している。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）を用いることができる。なお、基板１１の基材セラミックに接する金属に窒化（酸化物セラミックの場合は酸化）し易い金属を選択することで基板１１に対する高い固着性を得ることができる。
【0023】
なお、基板金属層１２が固着される基板１１の面（基板接合面）１１Ｓ及びキャップ金属層２１が固着されるキャップ接合面１３Ｓは平坦面であることが好ましい。
【0024】
接合層２２は、ナノサイズのＡｕ粒子が網目状に連結した網目構造体にＡｕＳｎ合金が含浸し、内部に空洞を含んだ構造を有している。なお、接合層２２の詳細な構造は後述する。
（基板、配線電極及び発光素子）
基板１１は、ガス等を透過しない気密性に優れたセラミック基板である。例えば、高い熱伝導率を有し、ガスに対する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。
（基板、配線電極及び発光素子）
基板１１は、ガス等を透過しない気密性に優れたセラミック基板である。例えば、高い熱伝導率を有し、ガスに対する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。
【0025】
なお、基板１１の基材として、熱伝導率の高い炭化ケイ素（ＳｉＣ）、反射率の高い白アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などを用いることができる。ＳｉＣの熱伝導率は２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり熱膨張係数は４．４ （１０－６・Ｋ－１）である、またＡｌ２Ｏ３の熱伝導率は２９～３２（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり熱膨張係数は７．７～８ （１０－６・Ｋ－１）である。
【0026】
図１Ｄに及び図２Ａ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上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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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、水分（Ｈ２Ｏ）や過剰な酸素（Ｏ２）によって酸化劣化され易い。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（又は不活性ガス）及びドライな酸素ガスを３～２０％の範囲で含む混合ガスを用いることが好適である。
【0031】
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、接合部材の残留フラックス（有機物）による発光素子表面への炭化物の堆積が起こるが、封入ガスに若干のＯ２を混合することで防止することができる。このとき、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ない。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。すなわち、基板１１は、ビアが金属で充填されて気密が保たれた気密性の基板である。
【0036】
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。
［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（ＡｕＳｎ）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２８０℃のＡｕ－Ｓｎ：２０ｗｔ％のものを用いた。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、有機酸、などである。
［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（ＡｕＳｎ）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２８０℃のＡｕ－Ｓｎ：２０ｗｔ％のものを用いた。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、有機酸、などである。
【0037】
次に、発光素子１５をＡｕＳｎ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を接合した。発光素子１５は溶融したＡｕＳｎ合金によりセルフアライメントされつつ接合された。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、ＡｕＳｎペーストに含まれるフラックスは殆ど揮発する。
【0038】
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。
（透光キャップ１３と基板１１との接合）
図３Ａ及び図３Ｂを参照して透光キャップ１３と基板１１との接合工程について詳細に説明する。なお、図３Ａ及び図３Ｂはそれぞれ工程１～３（ＳＴＥＰ１～ＳＴＥＰ３）及び工程４～６（ＳＴＥＰ４～ＳＴＥＰ６）におけるキャップ金属層２１と基板金属層１２との接合部を模式的に示す図である。また、各工程における断面図を上側に示し、当該断面図のＡ－Ａ線に平行な面における平面図を下側に示している。なお、それぞれ基板金属層１２の延在方向に沿った断面及び平面を示している。
（ＳＴＥＰ１）
まず、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分間、加熱処理（アニール処理）した。前述のように、基板１１及び透光キャップ１３は気密性である。
（透光キャップ１３と基板１１との接合）
図３Ａ及び図３Ｂを参照して透光キャップ１３と基板１１との接合工程について詳細に説明する。なお、図３Ａ及び図３Ｂはそれぞれ工程１～３（ＳＴＥＰ１～ＳＴＥＰ３）及び工程４～６（ＳＴＥＰ４～ＳＴＥＰ６）におけるキャップ金属層２１と基板金属層１２との接合部を模式的に示す図である。また、各工程における断面図を上側に示し、当該断面図のＡ－Ａ線に平行な面における平面図を下側に示している。なお、それぞれ基板金属層１２の延在方向に沿った断面及び平面を示している。
（ＳＴＥＰ１）
まず、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分間、加熱処理（アニール処理）した。前述のように、基板１１及び透光キャップ１３は気密性である。
【0039】
続いて、基板１１及び透光キャップ１３の雰囲気をドライ窒素（Ｎ２）ガス、１気圧（１０１．３ｋＰａ）で満たした。次に、図３Ａに示す工程１（ＳＴＥＰ１）の断面図（上側）及び平面図（下側）に示すように、ノズルＮＺ１から溶融したＡｕＳｎ融液２２Ｄを基板金属層１２上に打ち付けてＡｕＳｎバンプ２２Ｂを形成した。
【0040】
ＡｕＳｎバンプ２２Ｂは、基板金属層１２の延在方向の中心線であるＢ－Ｂ線（図１Ｄの場合では、円ＣＦ）に沿って一定周期で形成されるのが好ましい。また、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂは、同一サイズを有することが好ましい。ＡｕＳｎバンプ２２Ｂは、円環状の基板金属層１２の延在方向の全体に亘って形成される。
【0041】
図１Ａ及び図１Ｄは、上面から見たとき（上面視）のＡｕＳｎバンプ２２Ｂの配列を模式的に示している。複数のＡｕＳｎバンプ２２Ｂは、円環形状の基板金属層１２の中心Ｃを中心とする円周に沿って、特に当該円環の幅の中心を通る円周ＣＦに沿ってその全体に亘って形成されることが好ましい。
【0042】
ＡｕＳｎバンプ２２Ｂは、球形状又は半球形状を有して形成されることが好ましい。例えば、非特許文献１（長瀬産業株式会社／レーザーリフロー式はんだボールジェットシステム／原理）に記載のように、溶融したはんだボールをキャピラリから射出し、半球状のはんだバンプを基板上に形成することができる。
（ＳＴＥＰ２）
続いて、ノズルＮＺ２からナノ金粒子ペースト（以下、単にナノＡｕペーストと称する。）２２Ｎを吐出し、ＡｎＳｎバンプ２２Ｂに沿ってＡｎＳｎバンプ２２Ｂを覆うように塗布した。この際、ナノＡｕペースト２２ＮはＡｎＳｎバンプ２２Ｂにガイドされて塗布された。
（ＳＴＥＰ２）
続いて、ノズルＮＺ２からナノ金粒子ペースト（以下、単にナノＡｕペーストと称する。）２２Ｎを吐出し、ＡｎＳｎバンプ２２Ｂに沿ってＡｎＳｎバンプ２２Ｂを覆うように塗布した。この際、ナノＡｕペースト２２ＮはＡｎＳｎバンプ２２Ｂにガイドされて塗布された。
【0043】
ここで、ナノＡｕペースト２２Ｎとしては、例えば、非特許文献２の田中貴金属製の低温焼成ペーストＡｕＲｏＦＵＳＥ（登録商標）を用いることができる（https://tanaka-preciousmetals.com/jp/products/detail/aurofuse/?nav=use）。当該ナノＡｕペーストは、サブミクロンサイズの金粒子と溶剤のみで構成され、低温焼結性能を有し、２００℃で金－金接合が可能なハロゲンフリーのＡｕペーストである。また、低電気抵抗及び高熱伝導度（150W/m・K）の金属接合が可能である。
（ＳＴＥＰ３，４）
次に、透光キャップ１３のフランジ金属層２１をナノＡｕペースト２２Ｎ上に載置し（ＳＴＥＰ３）、透光キャップ１３のフランジ１３Ｂ（図示は省略）を押圧した（ＳＴＥＰ４）。この際、フランジ金属層２１がＡｎＳｎバンプ２２Ｂに当接するようにフランジ１３Ｂを押圧してもよい。この場合、ＡｎＳｎバンプ２２Ｂがスペーサの機能を果たす。
（ＳＴＥＰ３，４）
次に、透光キャップ１３のフランジ金属層２１をナノＡｕペースト２２Ｎ上に載置し（ＳＴＥＰ３）、透光キャップ１３のフランジ１３Ｂ（図示は省略）を押圧した（ＳＴＥＰ４）。この際、フランジ金属層２１がＡｎＳｎバンプ２２Ｂに当接するようにフランジ１３Ｂを押圧してもよい。この場合、ＡｎＳｎバンプ２２Ｂがスペーサの機能を果たす。
【0044】
フランジ金属層２１を押圧することにより、ＡｎＳｎバンプ２２ＢはナノＡｕペースト２２Ｎによって包埋された。また、ナノＡｕペースト２２Ｎは基板金属層１２上に帯状に拡がって形成された（図中、矢印）。
（ＳＴＥＰ５：ネッキング工程）
続いて、２００℃の熱処理（第１の熱処理）を行うことによって、フラックスは蒸発するとともに、低温焼結してナノＡｕ粒子が隣接粒子間で結合（ネッキング）する。その結果、ナノ金粒子焼結層は通気性のある網目（メッシュ）体であるＡｕ網目構造体２２Ｍになる。なお、この熱処理工程（２００℃）ではＡｕＳｎ合金は溶融しない。
（ＳＴＥＰ５：ガス置換工程）
窒素雰囲気、２００℃の熱処理下において、透光キャップ１３及び基板１１の接合体（結合体）の環境を交互に減圧及び常圧とする操作を数回繰り返して、Ａｕ網目構造体２２Ｍを介して半導体発光装置１０内のガス置換を行った。この操作により、半導体発光装置１０内のフラックスガスを排気した。
（ＳＴＥＰ５：ネッキング工程）
続いて、２００℃の熱処理（第１の熱処理）を行うことによって、フラックスは蒸発するとともに、低温焼結してナノＡｕ粒子が隣接粒子間で結合（ネッキング）する。その結果、ナノ金粒子焼結層は通気性のある網目（メッシュ）体であるＡｕ網目構造体２２Ｍになる。なお、この熱処理工程（２００℃）ではＡｕＳｎ合金は溶融しない。
（ＳＴＥＰ５：ガス置換工程）
窒素雰囲気、２００℃の熱処理下において、透光キャップ１３及び基板１１の接合体（結合体）の環境を交互に減圧及び常圧とする操作を数回繰り返して、Ａｕ網目構造体２２Ｍを介して半導体発光装置１０内のガス置換を行った。この操作により、半導体発光装置１０内のフラックスガスを排気した。
【0045】
次に、半導体発光装置１０内を減圧した後、窒素（Ｎ２）及び酸素（Ｏ２）が所望の比率（例えば４：１）からなる混合ガスを用いて常圧とすることで半導体発光装置１０内に酸素を導入した。このように、ナノＡｕ網目構造体２２Ｍを介して半導体発光装置１０内のガスの置換が可能であり、半導体発光装置１０内に所望の量の酸素（Ｏ２）ガスを導入することができる。
（ＳＴＥＰ６）
続いて、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂの溶融温度（すなわち、第１の熱処理温度よりも高温の第２の熱処理温度）まで昇温した。例えば２８０℃まで昇温すると、溶融したＡｕＳｎ（接合金属）がナノＡｕ網目構造体２２Ｍの隙間に含浸して気密性の高いＡｕＳｎ含浸網目構造体２２Ｐが形成される。
（ＳＴＥＰ６）
続いて、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂの溶融温度（すなわち、第１の熱処理温度よりも高温の第２の熱処理温度）まで昇温した。例えば２８０℃まで昇温すると、溶融したＡｕＳｎ（接合金属）がナノＡｕ網目構造体２２Ｍの隙間に含浸して気密性の高いＡｕＳｎ含浸網目構造体２２Ｐが形成される。
【0046】
また、当該第２の熱処理によって、ＡｕＳｎがナノＡｕ網目構造体２２Ｍに含浸し（図中、矢印）、気密性の接合層２２が形成されると同時に、ＡｕＳｎバンプ２２Ｂの内部には含浸によってＡｕＳｎが抜けた空洞（キャビティ）２２Ｃが形成された。
【0047】
すなわち、図３Ｂ及び図２Ｂに示すように、接合層２２は、ナノＡｕ網目構造体２２ＭにＡｕＳｎが含浸した接合層であり、内部にはＡｕＳｎの含浸に応じたサイズの空洞２２Ｃを含む。空洞２２Ｃは、図３Ｂに模式的に示すように、半球形状を有することが好ましい。この場合、半球面は応力分散面となるので、さらに応力耐性の高い接合を形成することができる。
【0048】
以上の工程により、基板１１と透光キャップ１３とが気密接合された半導体発光装置１０が製造された。上記したように、基板１１と透光キャップ１３とは、接合金属がナノＡｕ網目構造体２２Ｍに含浸して形成された気密性の高い含浸接合体である接合層２２によって接合されている。
【0049】
より詳細には、柔らかいＡｕ網目状体と、硬いＡｕＳｎ媒質体によって、柔軟かつ高い強度の接合層を形成することができるので、応力耐性の高い接合を提供することが可能である。
【0050】
すなわち、Ａｕ網目状体に含浸した接合金属（ＡｕＳｎ）媒質体構造によって、ＡｕＳｎ媒質体の残存応力がＡｕ網目状体に吸収されるので、結晶粒界破断を防止することができる（始点防止）。
【0051】
さらに、Ａｕ網目状体によって、発生したクラック（粒界破断）の成長を防止することができる（クラック成長の防止）。含浸接合体（ＡｕＳｎバンプ）内の空洞構造により、発生したクラックを寸断（または成長経路を曲げる）することができる（クラック成長の内部終焉）。
【0052】
また、ナノＡｕペーストのフラックスが除去され、パッケージ内部を所定の混合気とした構造を有する。すなわち、通気性のあるＡｕ網目状体と接合金属（ＡｕＳｎ）バンプとからなる含浸前の状態において、パッケージ内部の排気及びフラック除去を行った後、混合ガスをパッケージ内部に導入することが可能である。
【0053】
すなわち、基板１１及び透光キャップ１３からなる発光素子パッケージにガス置換口（脱気口）を設けることなく、発光素子パッケージ内のガス置換を行い、パッケージ内を所望のガスで封入することができる。
［第２の実施形態］
図４Ａは、本発明の第２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。第１の実施形態の半導体発光装置１０においては、透光キャップ１３が、半球状の透光性窓及び平坦なフランジからなるパッケージについて説明したが、これに限らない。第２の実施形態においては、透光キャップ１３は、円盤状の平板として構成されている。図４Ｂ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。
［第２の実施形態］
図４Ａは、本発明の第２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。第１の実施形態の半導体発光装置１０においては、透光キャップ１３が、半球状の透光性窓及び平坦なフランジからなるパッケージについて説明したが、これに限らない。第２の実施形態においては、透光キャップ１３は、円盤状の平板として構成されている。図４Ｂ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。
【0054】
より詳細には、透光キャップ１３の円環形状の外縁部がキャップ接合部であるフランジ１３Ｂであり、その内側が透光部である窓部１３Ａである。例えば、１枚の円盤状ガラスから形成されている。フランジ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。
【0055】
図４Ｂに示すように、フランジ金属層２１が含浸接合体である接合層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。第１の実施形態の場合と同様に、気密性の基板１１と気密性の透光キャップ１３とが接合層２２によって接合されて半導体発光装置５０が形成されている。
【0056】
本実施形態の半導体発光装置５０においては、半導体発光素子１５をその内部に収容する空間ＨＳを有している。より詳細には、基板１１と、基板１１の外周部に立設されて形成された枠１１Ａと、透光キャップ１３とによって画定される円柱状の凹部である収容空間ＨＳ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。
【0057】
含浸接合体である接合層２２は、第１の実施形態と同様に形成される。すなわち、図４Ｂに示すように、接合層２２は、ナノＡｕ網目構造体にＡｕＳｎが含浸した気密性の高いＡｕＳｎ含浸網目構造体２２Ｐと、基板金属層１２上に基板金属層１２に沿って配列され、内部に形成された空洞２２Ｃを有している。
【0058】
従って、基板１１と透光キャップ１３とは、接合金属がナノＡｕ網目構造体２２Ｍに含浸して形成された気密性の高い接合層２２によって接合されている。また、基板１１及び透光キャップ１３からなる発光素子パッケージにガス置換口（脱気口）を設けることなく、発光素子パッケージ内の半導体発光素子の収容空間ＨＳのガス置換を行い、パッケージ内を所望のガスで封入することができる。
［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１３Ｂの接合面、すなわちフランジ金属層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。
［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１３Ｂの接合面、すなわちフランジ金属層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。
【0059】
また、基板１１が半導体発光素子１５を収容する空間を有する場合、基板金属層１２及びフランジ金属層２１の形状に応じて、当該収容空間は角柱形状、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。
【0060】
以上、詳細に説明したように、パッケージにガス置換口を設けることなく、半導体発光素子が劣化し難い環境（ガス雰囲気）にパッケージ内部を置換でき、かつ高い気密性を有する半導体発光装置及びその製造方法を提供することができる。
【符号の説明】
【0061】
１０，５０ 半導体発光装置
１１ 基板
１１Ｓ 基板接合面
１２ 基板金属層
１３ 透光キャップ
１３Ａ 窓部
１３Ｂ キャップ接合部
１３Ｓ キャップ接合面
１４，１４Ａ，１４Ｂ 配線電極
１５ 半導体発光素子
２１ キャップ金属層
２２ 接合層
２２Ｂ 接合材バンプ
２２Ｃ 空洞
２２Ｍ Ａｕ網目構造体
２２Ｎ ナノＡｕペースト
２４ 接合部
ＨＳ パッケージの収容空間
１１ 基板
１１Ｓ 基板接合面
１２ 基板金属層
１３ 透光キャップ
１３Ａ 窓部
１３Ｂ キャップ接合部
１３Ｓ キャップ接合面
１４，１４Ａ，１４Ｂ 配線電極
１５ 半導体発光素子
２１ キャップ金属層
２２ 接合層
２２Ｂ 接合材バンプ
２２Ｃ 空洞
２２Ｍ Ａｕ網目構造体
２２Ｎ ナノＡｕペースト
２４ 接合部
ＨＳ パッケージの収容空間
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】