特許 7564776 発光素子及び発光素子用の蓋部材

(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】2024-10-01

(45)【発行日】2024-10-09

(54)【発明の名称】発光素子及び発光素子用の蓋部材

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/60 20100101AFI20241002BHJP

   C30B 29/18 20060101ALI20241002BHJP

【ＦＩ】

H01L33/60

C30B29/18

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021105651

(22)【出願日】2021-06-25

(65)【公開番号】P2023004136

(43)【公開日】2023-01-17

【審査請求日】2024-01-17

(73)【特許権者】

【識別番号】000232483

【氏名又は名称】日本電波工業株式会社

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 啓之

(72)【発明者】

【氏名】菊池 賢一

【審査官】佐藤 美紗子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２１－１１４５７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２０１３９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１４７４０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０４６０７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３３／００

Ｈ０１Ｌ ３３／４８－３３／６４

Ｃ３０Ｂ １／００

Ｃ３０Ｂ ３５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発光部と、前記発光部を実装する容器と、前記容器に接合され前記発光部が発する光を透過する窓部材も兼ねる蓋部材と、を具える発光素子において、
前記容器を、平板状の基板で構成し、
前記蓋部材を、内側面に水晶由来の結晶面で構成した複数の反射面を有した水晶製の枠部と、前記反射面に設けた反射膜と、前記枠部の前記発光部とは反対面に接合された水晶製の天板部と、により構成してあり、
前記枠部を、内側面にＡＴカットの水晶片に由来して生じた結晶面から成る複数の反射面を有した、ＡＴカットの水晶片で構成したことを特徴とする発光素子。

【請求項2】

発光部と、前記発光部を実装する容器と、前記容器に接合され前記発光部が発する光を透過する窓部材も兼ねる蓋部材と、を具える発光素子において、
前記容器を、平板状の基板で構成し、
前記蓋部材を、内側面に水晶由来の結晶面で構成した複数の反射面を有した水晶製の枠部と、前記反射面に設けた反射膜と、前記枠部の前記発光部とは反対面に接合された水晶製の天板部と、により構成してあり、
前記枠部を、内側面にＺカットの水晶片に由来して生じた結晶面から成る複数の反射面を有した、Ｚカットの水晶片で構成したことを特徴とする発光素子。

【請求項3】

前記枠部と前記天板部とは、水晶同士の直接接合によって接合してあることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。

【請求項4】

発光部を実装する容器に接合されて使用される蓋部材において、
前記蓋部材を、内側面に水晶由来の結晶面で構成した複数の反射面を有した水晶製の枠部と、前記反射面に設けた反射膜と、前記枠部の前記発光部とは反対面で前記枠部に接続された水晶製の天板部と、により構成してあり、
前記枠部を、内側面にＡＴカットの水晶片に由来して生じた結晶面から成る複数の反射面を有した、ＡＴカットの水晶片で構成したことを特徴とする蓋部材。

【請求項5】

発光部を実装する容器に接合されて使用される蓋部材において、
前記蓋部材を、内側面に水晶由来の結晶面で構成した複数の反射面を有した水晶製の枠部と、前記反射面に設けた反射膜と、前記枠部の前記発光部とは反対面で前記枠部に接続された水晶製の天板部と、により構成してあり、
前記枠部を、内側面にＺカットの水晶片に由来して生じた結晶面から成る複数の反射面を有した、Ｚカットの水晶片で構成したことを特徴とする蓋部材。

【請求項6】

前記枠部と前記天板部とは、水晶同士の直接接合によって接合してあることを特徴とする請求項４又は５に記載の蓋部材。

以 上

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発光素子、特に深紫外光を発する発光素子、及び、この発光素子用の蓋部材に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、深紫外光を発する発光素子が注目されている。深紫外光が、水や空気等の媒体を殺菌する能力を有するため、医療分野、食品加工分野等での殺菌手段として期待できるからである。
深紫外光を発する発光素子の一例が、特許文献１に開示されている。この発光素子は、容器と、発光部と、蓋部材とを具えている。容器は、発光部で生じる熱を放熱し易いものが好ましい。特許文献１には、容器を、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を含むセラミック製材料で構成できることが記載されている（特許文献１の例えば段落２９）。発光部は、深紫外光を発する発光ダイオード、例えば窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料で構成できることが記載されている（特許文献１の例えば段落２５）。蓋部材は、深紫外光の透過率に優れる材料、例えばガラス、石英、水晶、サファイア等で構成できることが記載されている。

【0003】

深紫外光を発する発光素子の他の例が、特許文献２に開示されている。特許文献２には、蓋部材は、石英ガラス、サファイア、ＭｇＯ、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、合成ヒューズドシリカ等で構成できることが記載されている（特許文献２の段落２６）。また、蓋部材に反射面を設けることが記載されている（特許文献２の図６、段落３６）。反射面を設けることで、深紫外光の発光素子外部への取出し効率、を高められるという（特許文献２の段落３６）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－３７５８１号公報

【文献】特開２０１８－１２５３６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１には、蓋部材として水晶を用い得ることが記載されている。特許文献２には、深紫外光を外部に取り出す効率を高めるため、蓋部材に反射面を設けることが記載されている。しかしながら、これら特許文献には、水晶が持つ性質や蓋部材の製造の容易さまでを考慮した水晶製の蓋部材の具体的な構成は、記載も示唆もされていない。
また、特許文献１及び特許文献２いずれも、容器は、発光部を収容する凹部を有し、凹部周辺が土手部となっている構造のものである。凹部を有する容器の場合、容器を製造するコストが高くなり易いという問題点がある。
この出願は上記の点に鑑みなされたものであり、従って、本発明の目的は、発光素子、特に深紫外光を発する発光素子であって、光取出し効率のさらなる改善可能性を有し、かつ、製造の容易さの可能性を有した発光素子と、この発光素子用の蓋部材と、を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この目的の達成を図るため、この出願の発光素子の発明によれば、発光部と、前記発光部を実装する容器と、前記容器に接合されていて前記発光部が発する光を透過する窓部材も兼ねる蓋部材と、を具える発光素子において、
前記容器を、平板状の基板で構成し、
前記蓋部材を、内側面に水晶由来の結晶面で構成した複数の反射面を有した水晶製の枠部と、前記反射面に設けた反射膜と、前記枠部の前記発光部とは反対面に接合された水晶製の天板部と、により構成してあることを特徴とする。

【0007】

この発光素子の発明を実施するに当たり、前記枠部を、内側面にＡＴカットの水晶片に由来して生じた結晶面から成る複数の反射面を有した、ＡＴカットの水晶片で構成することが好ましい。ＡＴカットの水晶片は、ＡＴカット水晶振動子の製造で大量に使用されているため、コストメリットが高く、かつ、枠部を形成する工法も周知の工法を利用できるからである。
なお、枠部としてＡＴカットの水晶片を用いる場合、前記反射面はＡＴカットの水晶片の片面から当該水晶片の一部を選択的にフッ酸系のエッチャントによってエッチングすることで形成できる。その場合、エッチングが済むと、エッチングで生じた開口部の側面に、天板部との成す角度で表して、３３±２度の反射面、６０±２度の反射面を含む複数の反射面を構成できる。なお、上記の３３±２度の反射面と６０±２度の反射面とが合成された反射面を含んでも良い。ここで、±２度という範囲は、主に、ＡＴカットの水晶片の水晶原石からの切り出し角度により変わる。以下のＺカットの水晶片の場合において同じ。

【0008】

この発光素子の発明を実施するに当たり、前記枠部を、内側面にＺカットの水晶片に由来して生じた結晶面から成る複数の反射面を有した、Ｚカットの水晶片で構成することが好ましい。Ｚカットの水晶片は、音叉型の水晶振動子の製造で大量に使用されているため、コストメリットが高く、かつ、枠部を形成する工法も周知の工法を利用できるからである。
なお、枠部としてＺカットの水晶片を用いる場合、前記反射面はＺカットの水晶片の片面から当該水晶片の一部を選択的にフッ酸系のエッチャントによってエッチングすることで形成できる。その場合、エッチングが済むと、エッチングで生じた開口部の側面に、天板部との成す角度で表して、２３±２度の反射面と３５±２度の反射面を含む複数の反射面を形成できる。なお、上記の２３±２度の反射面と３５±２度の反射面とが合成された反射面を含んでも良い。

【0009】

この発光素子の発明を実施するに当たり、前記枠部と前記天板部とは、水晶同士を直接接合させて接合することが好ましい。直接接合であると、枠部と天板部との接合を信頼性良くかつ簡易に行えるからである。

【0010】

また、この出願の発光素子用の蓋部材の発明によれば、発光部を収容する容器に接合されて使用される蓋部材において、
前記蓋部材を、内側面に水晶由来の結晶面で構成した複数の反射面を有した水晶製の枠部と、前記反射面に設けた反射膜と、前記枠部の前記発光部とは反対面で前記枠部に接続された水晶製の天板部と、により構成してあることを特徴とする。

【0011】

この蓋部材の発明を実施するに当たり、前記枠部を、ＡＴカットの水晶片であって内側面にＡＴカットの水晶片に由来する結晶面から成る複数の反射面を有したＡＴカットの水晶片で構成することが好ましい。又は、前記枠部を、内側面にＺカットの水晶片に由来して生じた結晶面から成る複数の反射面を有した、Ｚカットの水晶片で構成することが好ましい。上記の発光素子の発明にて説明した理由からである。

【発明の効果】

【0012】

この出願の発光素子及び蓋部材の各発明によれば、蓋部材を、所定の枠部、反射膜及び天板部で構成してある。ここで、枠部の側面の水晶に由来する結晶面は、水晶板をフッ酸系のエッチャントを用いたウエットエッチングによってエッチングすることによって、再現良く、かつ、特段の難しい工程を実施せずとも、形成できる。しかも、反射面は、水晶の結晶面に由来する面であるから、鏡面に近い面となるので、反射率に優れる反射面を実現できる。また、天板部も水晶板によって構成しているので、天板部の深紫外線の透過も確保できる。これらのことから、本発明によれば、深紫外光の反射効率に優れた反射面を有した蓋部材を、再現性良く、かつ、簡易に形成できる。従って、光取出し効率のさらなる改善可能性を有し、かつ、製造の容易さの可能性を有した発光素子及び当該発光素子用の蓋部材を提供できる。
然も、容器として平板状の容器を用いているため、凹部を有する容器を用いる場合に比べ、容器の製造が容易かつコストを低減できるため、この点でも、製造容易かつ安価な発光素子を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１（Ａ）及び（Ｂ）は、実施形態の発光素子１０を説明するための図である。

【図2】図２（Ａ）及び（Ｂ）は、実施形態の発光素子１０の製造方法の一例を説明するための製造工程図である。

【図3】図３（Ａ）及び（Ｂ）は、実施形態の発光素子１０の製造方法の一例を説明するための、図２に続く製造工程図である。

【図4】図４（Ａ）及び（Ｂ）は、実施形態の発光素子１０の製造方法の一例を説明するための、図３に続く製造工程図である。

【図5】図５（Ａ）及び（Ｂ）は、実施形態の発光素子１０の製造方法の一例を説明するための、図４に続く製造工程図である。

【図6】図６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）それぞれは、他の実施形態の発光素子４０、５０、６０を説明するための、図１（Ａ）に対応する平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照してこの発明の実施形態について説明する。なお、説明に用いる各図はこれら発明を理解できる程度に概略的に示してあるにすぎない。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の実施形態中で述べる形状、材質、製法例等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。従って、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。

【0015】

１． 発光素子の実施形態
図１は、実施形態の発光素子１０を説明するための図であり、特に図１（Ａ）は、発光素子１０の平面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）中のＰ－Ｐ線に沿った発光素子１０の断面図である。
実施形態の発光素子１０は、発光部１１と、容器１３と、蓋部材１５と、を具えている。
発光部１１は、深紫外光を発する発光ダイオードで構成でき、例えば窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料等、従来公知の種々のもので構成できる。発光部１１は、１個又は複数個の深紫外用の発光ダイオードを有するものである。

【0016】

容器１３は、平板状の容器で構成してある。具体的には、容器１３は、平板状の基板１３ａと、実装パッド１３ｂと、外部接続端子１３ｃと、封止用メタルパターン１３ｄと、を具えている。
基板１３ａは、発光部１１で生じる熱の放熱を図るためアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を含むセラミック製材料で構成した平板状の基板で構成してある。平板状の基板１１ａを用いているため、凹部を有した容器を用いる場合に比べ、容器の作製が容易でありかつコスト低減が図れる。基板１３ａの厚みや平面的な大きさは、発光素子１０の仕様に応じて決めることが出来る。

【0017】

実装パッド１３ｂは、発光部１１を、基板１３ａに実装するものであり、基板１３ａの第１の面に設けてある。外部接続端子１３ｃは、発光素子１０を、任意の電子機器（図示せず）に接続するためのもので、基板１３ａの、第１の面とは反対面である第２の面に設けてある。実装パッド１３ｂと外部接続端子１３ｃとは、図示しないビア配線又はキャスタレーション配線等によって、電気的に接続してある。これら実装パッド１３ｂ、外部接続端子は、周知のメタライズ技術や焼結技術によって形成できる。
封止用メタルパターン１３ｄは、基板１３ａと蓋部材１５とを接合するためのものであり、基板１３ａの所定の領域に設けてあり、例えば周知のメタライズパタンで構成できる。

【0018】

蓋部材１５は、水晶製の枠部１５ａと、枠部１５ａの側面に設けた水晶由来の反射面１５ｂと、反射面１５ｂに設けた反射膜１５ｃと、封止用メタルパターン１５ｄと、天板部１５ｅと、を具えている。
水晶製の枠部１５ａは、典型的には、内側面にＡＴカットの水晶片に由来して生じた結晶面から成る複数の反射面１５ｂを有した、ＡＴカットの水晶片で構成するか、又は、内側面にＺカットの水晶片に由来して生じた結晶面から成る複数の反射面１５ｂを有した、Ｚカットの水晶片で構成するのが良い。
水晶製の枠部１５ａの厚さや、枠で囲われた開口の大きさは、発光素子１０の仕様に応じて決めることが出来る。また、図１（Ａ）の図示例では、反射面１５ｂの数を、４面としているが、反射面１５ｂの数は、これに限られず、任意とできる（詳細は図６を参照して説明する）。なお、反射面１５ｂと天板部１５ｅとの成す角度は、水晶由来のものであるが、用いる水晶片のカットに応じて、すなわち、用いる水晶片がＡＴカットの水晶片の場合、又は、Ｚカットの水晶片の場合、又は他のカットの場合等に応じて、変わる。ＡＴカットの水晶片の場合、又は、Ｚカットの水晶片の場合の反射面の典型例は、課題を解決するための手段の項にて説明した通りである。

【0019】

反射膜１５ｃは、任意好適な膜で構成できる。典型的には反射膜１５ｃは、任意好適な金属膜や、場合によっては無機材料の膜で構成できる。反射膜を金属膜で構成する場合は、これに限られないが、反射膜１５ｃは例えばアルミニウム膜で構成できる。
封止用メタルパターン１５ｄは、基板１３ａ側の封止用メタルパターン１３ｄと協働して、蓋部材１５を基板１３ａと接合するためのものであり、これに限られないが、例えばロー材、例えば金錫合金等によって構成できる。
天板部１５ｅは、水晶製の平板で構成してある。水晶製の平板としては、例えばＡＴカットの水晶片又はＺカットの水晶片を用いるのが好適である。熱膨張係数の整合性を考慮して、枠部１５ａ用の水晶片と天板部１５ｅ用の水晶片とは、同一カットの水晶片を用いることが好ましい。なお、天板部１５ｅの厚さは、発光素子の仕様に応じて決めることが出来る。

【0020】

上記した基板１３ａの実装パッド１３ｂに、発光部１１を、発光部１１に設けた図示しない端子の位置で、ハンダ等の接合材１７によって、実装してある。そして、発光部１１を実装した基板１３ａに、蓋部材１５が、封止用メタルパターン１３ｄ、１５ｄを介して接合してある。
なお、容器１３及び蓋部材１５によって形成される空間の雰囲気は、窒素雰囲気、又は窒素を所定量含む大気雰囲気であることが好ましい。

【0021】

実施形態の発光素子１０では、発光部１１が発した深紫外光は、蓋部材１５の水晶製の天板部１５ｅを通過して発光素子１０の外部に出力できる。しかも、この発光素子１０の場合、枠部１５ａの内側面に、水晶由来の反射面１５ｂ及びこの反射面上に形成した反射膜１５ｃを具えているので、発光部１１が発した深紫外光のうち横方向に進む光も、反射膜１５ｃによって反射されて天板部１５ｅの方向に向かう。従って、反射膜が無い場合に比べて、天板部１５ｅを経由する深紫外光の量を増やすことができる。しかも、反射面１５ｂは水晶由来の結晶面であるから、再現性が良い平滑面となるため、反射率が高い反射面になる。

【0022】

２． 製造方法の一例の説明
次に、本発明の発光素子の理解を深めるため、より詳細には、本発明の特に蓋部材１５の理解を深めるため、主として蓋部材１５の製法例を説明する、この説明を図２～図５を参照して行う。なお、本発明の蓋部材１５は、単品での製造も可能であるが、ウエハ工法によって製造する方が好ましいので、以下の説明ではウエハ工法による例を説明する。
先ず、蓋部材１５を形成するための水晶ウエハ１５Ｗを用意する。水晶ウエハ１５Ｗは、例えばＡＴカットの水晶ウエハ、又はＺカットの水晶ウエハである（図２（Ａ））。この水晶ウエハ１５Ｗの一方の面の全面に、耐ウエットエッチング性のマスク２１を形成する（図２（Ａ））。また、水晶ウエハ１５Ｗの他方の面に枠部１５ａ（図１参照）となる部分は覆い、それ以外は開口部２３ａとされた、耐ウエットエッチング性のマスク２３を形成する（図２（Ａ））。なお、耐ウエットエッチング性のマスク２１、２３は、例えばクロム膜と金膜との積層膜で構成できる。

【0023】

耐エットエッチング性のマスク２１，２３の形成が済んだ水晶ウエハ１５ｗを、フッ酸系のエッチャント２５を入れた容器２７中に所定時間浸漬する（図２（Ｂ））。この処理において、エッチャントによる浸食が、開口部２３ａから水晶ウエハ１５Ｗに及ぶので、水晶ウエハ１５Ｗの一部に、浸食部１５ｘが生じる（図２（Ｂ））。所定のエッチングが済むと、水晶ウエハ１５Ｗの開口部２３ａの側面に水晶に由来する結晶面から成る反射面１５ｂを形成できる（図３（Ａ））。

【0024】

反射面１５ｂの形成が済んだ水晶ウエハ１５Ｗに対し、周知の成膜技術及びフォトリソグラフィ技術を用いて、反射膜１５ｃ及び封止用メタルパターン１５ｄを形成する（図３（Ｂ））。

【0025】

次に、反射膜１５ｃ等の形成が済んだ水晶ウエハ１５Ｗの、封止用メタルパターン１５ｄを形成していない面に、天板部形成用の水晶ウエハ１５ｅＷを載せる（図４（Ａ））。そして、これら水晶ウエハ１５Ｗ及び水晶ウエハ１５ｅＷを加圧しながら、所定の温度に加熱して、両ウエハを直接接合する（図４（Ｂ）。詳細は省略するが、この処理では、水晶のＳｉ基と処理雰囲気中の水酸基との作用で、両ウエハは直接接合される。ただし、直接接合ではなく、他の手段、例えば低融点ガラスを介したりする手段によって、両ウエハを接合しても良い。
接合したウエハを、例えばダイシングソー３０を用いて所定ピッチでマトリクス状に切断することで、個々の蓋部材１５を得ることが出来る（図４（Ｂ））。

【0026】

一方、発光部１１を実装した容器１３を別途に用意する（図５（Ａ））。そして、この容器１３に、上記のように製造した蓋部材１５を重ね、所定雰囲気、例えば窒素雰囲気にて、封止用メタルパターン１３ｄ、１５ｄを利用して、容器１３と蓋部材１５とを接合して、所望の発光素子１０を得る（図５（Ａ））。
なお、ここでは、個片状の容器と個片状の蓋部材とを封止する例を述べたが、図５（Ｂ）に示したように、多数の容器が形成されたウエハと多数の蓋部材が形成されたウエハとを用いて、ウエハレベルプロセスによって、発光素子を製造し、その後、ダイシングソー等によって、個々の発光素子を得ても良い。

【0027】

３． 他の実施形態
本発明の発光素子及び蓋部材は、以下のような他の実施形態であっても良い。
先ず、図６（Ａ）に示した発光素子４０の場合は、反射面１５ｂの平面的な形状が不規則な例である。また、図６（Ｂ）に示した発光素子５０の場合は、反射面１５ｂの数が５以上の多数としてある例である。図６（Ａ）、（Ｂ）に示したような反射面は、水晶ウエハ１５Ｗに形成する耐ウエットエッチング性のマスク２３（図２（Ａ）参照）の平面形状を工夫することによって、例えばマスク２３の平面形状が円形、又は楕円形又は五角形以上の多角形形にすることによって、形成できる。
また、図６（Ｃ）に示した発光素子６０は、枠部１５ａで囲われる領域に多数の発光部１１を具えている例である。多数の発光部１１を具えた大出力の発光素子に対しても、本発明を適用できる。

【符号の説明】

【0028】

１０：実施形態の発光素子、 １１：発光部
１３：容器、 １３ａ：基板、
１３ｂ：実装パッド、 １３ｃ：外部接続端子
１３ｄ：封止用メタルパターン
１５：蓋部材、 １５ａ：水晶製の枠部
１５ｂ：反射面、 １５ｃ：反射膜
１５ｄ：封止用メタルパターン、 １５ｅ：水晶製の天板部
４０，５０，６０：他の実施形態の発光素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】