(57)【要約】  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を収容するパッケージ１０とを備えている。パッケージ１０は、開口部１１ｃを有する基台１１と、基台１１と共に窒化物半導体発光素子３を収容する収容空間を構成するキャップ３０と、開口部１１ｃを通り、窒化物半導体発光素子３と電気的に接続されたリードピン１４ａ、１４ｂと、開口部１１ｃに埋め込まれ、基台１１とリードピン１４ａ、１４ｂとを絶縁する絶縁部材１７ａ、１７ｂとを有している。絶縁部材１７ａ、１７ｂは、少なくとも収容空間に面する部分が、Ｓｉ−Ｏ結合を含まない第１の絶縁材料からなる。
2014010140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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収容するパッケージとを備え、
前記パッケージは、
前記窒化物半導体発光素子を保持し、開口部を有する基台と、前記基台に固定され、前記基台と共に前記窒化物半導体発光素子を収容する収容空間を構成するキャップと、
前記開口部を通り、前記窒化物半導体発光素子と電気的に接続されたリードピンと、
前記開口部に埋め込まれ、前記基台と前記リードピンとを絶縁する絶縁部材とを有し、
前記絶縁部材は、少なくとも前記収容空間に面する部分が、Ｓｉ−Ｏ結合を含まない第１の絶縁材料からなる、窒化物半導体発光装置。
【請求項２】
前記第１の絶縁材料は、樹脂である、請求項１に記載の窒化物半導体発光装置。
【請求項３】
前記第１の絶縁材料は、その耐熱温度が３００℃以上である、請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光装置。
【請求項４】
前記第１の絶縁材料は、ポリイミドである、請求項１から３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光装置。
【請求項５】
前記絶縁部材は、前記第１の絶縁材料からなる第１の絶縁部材と、ガラスからなる第２の絶縁部材とを含み、
前記第１の絶縁部材は、前記収容空間側において前記第２の絶縁部材を被覆している、請求項１から４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光装置。
【請求項６】
前記開口部は、前記収容空間側に設けられた第１の部分と、前記第１の部分よりも径が小さい第２の部分とを含み、
前記第１の部分には、前記第１の絶縁部材が埋め込まれ、前記第２の部分には、前記第２の絶縁部材が埋め込まれている、請求項５に記載の窒化物半導体発光装置。
【請求項７】
前記基台は無酸素銅で構成されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、窒化物半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、レーザ溶接装置、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、半導体レーザ素子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、その光出力は１ワットを超える非常にエネルギーが大きい光である。【０００３】
半導体レーザ素子が搭載されるパッケージの構造に関しては、さまざまなタイプのものが提案されている。例えば特許文献１にはリードフレーム型と呼ばれるパッケージ構造が開示されている。このパッケージは金属で構成されたリードフレームを樹脂モールドすることで電気配線を用意するが、半導体レーザ素子は外気に対して完全には気密封止されない。これに対して、特許文献２、特許文献３、特許文献４および特許文献５には、半導体レーザ素子を外気に対して気密に封止するパッケージ構造が開示されている。例えば特許文献２には、いわゆるバタフライ型と呼ばれるパッケージ構造であり、半導体レーザを覆う金属部材と、絶縁部材とに熱膨張係数が同程度のものを用いることにより気密封止を容易にする整合封止型の構造が開示されている。一方、例えば特許文献３、特許文献４、および特許文献５に開示されている、いわゆるＣＡＮ型のパッケージ構造は、電気配線に用いるリードピンとその周辺の絶縁部材（ガラス）が、熱膨張係数差により金属の固定体より圧縮応力を受け、気密を保持する圧縮封止型の構造である。【０００４】
上記のようにさまざまなパッケージ構造があるが、窒化物半導体発光装置のパッケージは、外気に存在する有機物が窒化物半導体発光素子の特性を劣化させるため、気密型のパッケージが望ましい。従って、近年、開発が進んでいる光出力が１ワットを超えるような窒化物半導体発光装置については、ＣＡＮタイプの気密型パッケージ構造が主に採用されている。しかしながら、このタイプのパッケージ構造は、放熱性や信頼性向上のための工夫が必要となっている。【０００５】
以下、図１４を用いて特許文献５に記載の従来の窒化物半導体発光装置の構造について説明する。窒化物半導体発光装置１０００は、サブマウント１１０６上に装着された半導体レーザ素子１１０１とＣＡＮパッケージ１１０２で構成される。ＣＡＮパッケージ１１０２は半導体レーザ素子１１０１を所定位置に固定するための固定体１１０３と、固定体１１０３に固定された半導体レーザ素子１１０１を覆うキャップ１１０４とで構成される。固定体１１０３は、円盤状の形状であり、この固定体１１０３の一主面にはポスト１１０５が備えられている。ポスト１１０５上にはＳｉ又はＡｌＮからなるサブマウント１１０６が、Ａｇペーストにより装着されている。サブマント１１０６上には、波長４０５ｎｍ帯の半導体レーザ素子１１０１がＡｕＳｎなどの半田により装着されている。固定体１１０３には導電性材料からなるリードピン１１０７ａ、１１０７ｂ、１１０７ｃが設けられている。リードピン１１０７ａは、ポスト１１０５と電気的に接続されており、リードピン１１０７ｂ、１１０７ｃは、ワイヤ１１０８により、サブマウント１１０６あるいは半導体レーザ１１０１に接続される。さらに、リードピン１１０７ｂ、１１０７ｃと固定体１１０３の間には、低融点ガラスからなる絶縁スペーサ（図示せず）が設けられている。一方、キャップ１１０４は、一方の開口が塞がれた円筒形状を有し、開口側には、固定体１１０３が貼り合わされ、反対側には、半導体レーザ素子１１０１から出射されたレーザ光を取り出すための光取り出し部１１０９が設けられている。この光取り出し部１１０９は、円形の形状を有し、透過率の高い溶融石英を母材としたガラスからなる封止ガラス１１１０により覆われている。この構成により、リードピン１１０７ｂ、１１０７ｃと固定体１１０３とを電気的に絶縁し、リードピンから半導体レーザ素子１１０１に容易に電気を供給するとともに、ＣＡＮパッケージ１１０２内に大気が入り込むことを防止しようとしている。【０００６】
このようなパッケージ構造は放熱性を向上させるため、気密性を維持しつつ、できるだけ熱伝導率が高い材料で構成することが望まれている。このため、窒化物半導体発光素子を搭載するポストやベースの材料として熱伝導率の高い鉄や銅を用いることが提案されている。また、特許文献４は、ステムの材料として銅を用いた場合に生じる気密性の低下を防ぐために、絶縁部材を熱膨張係数が異なる複数のガラスで構成する方法を提案している。【０００７】
一方、信頼性向上に関しては、特許文献５には、上述の半導体パッケージ構造を４０５ｎｍ帯の半導体レーザ素子に適用した場合に、光出射端面に堆積物が生成し半導体レーザの特性が劣化することが説明されている。従来のパッケージ構造において、Ａｇペーストなどの有機物接着剤を用いた場合、この有機物接着剤からはＳｉ有機化合物ガスを含む揮発ガスが発生するため、揮発ガスが一定の蒸気圧でパッケージ内に存在する。揮発ガスに半導体レーザ素子からレーザ光が照射されると、光エネルギーによりＳｉ有機化合物ガス分子の結合が切断されるため、パッケージ内にＳｉとＯの化合物が堆積する。４０５ｎｍ帯の１つの光子のエネルギー（約３．０ｅＶ）では分解反応の反応確率は非常に小さい。しかし、特許文献５には、２光子吸収過程に代表される多光子吸収過程により、Ｓｉ有機化合物ガスの分解が生じるという説明がある。多光子吸収過程は光強度が高いほど生じやすいため、光強度が最も高い半導体レーザ素子の光出射端面にてＳｉ有機化合物ガスの分解が生じやすい。従って、光出射端面にてＳｉ有機化合物ガスの分解が促進され、ＳｉとＯの化合物の堆積が進行する。特許文献５には、このような堆積物による半導体レーザ素子の特性劣化を抑制する方法として、サブマウントと固定体との接続に有機物を含まない接着剤を使用すること、又は使用する有機物接着剤の量をある値以下に制限する手法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３５４０９９号公報
【特許文献２】特開平７−３３５９６６号公報
【特許文献３】特開２００９−１３５２３５号公報
【特許文献４】特開２００１−３２６００２号公報
【特許文献５】特開２００４−２８９０１０号公報
【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、上記のような従来のパッケージを用いた窒化物半導体発光装置において、光出力が１ワットを超えるような半導体レーザを用いた場合、半導体パッケージに有機接着剤を用いない場合であっても、光出射端面にＳｉ化合物が堆積し、特性劣化が生じることを、本発明者らは確認した。【００１０】
本開示は、窒化物半導体発光素子を気密封止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目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示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収容するパッケージとを備え、パッケージは、窒化物半導体発光素子を保持し、開口部を有する基台と、基台に固定され、基台と共に窒化物半導体発光素子を収容する収容空間を構成するキャップと、開口部を通り、窒化物半導体発光素子と電気的に接続されたリードピンと、開口部に埋め込まれ、基台とリードピンとを絶縁する絶縁部材とを有し、絶縁部材は、少なくとも収容空間に面する部分が、Ｓｉ−Ｏ結合を含まない第１の絶縁材料からなる。【００１２】
この構成により、Ｓｉを含む脱離ガスがパッケージ内へ侵入することを抑制できるため、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。【００１３】
本開示の窒化物半導体発光装置において、第１の絶縁材料は、樹脂であることが好ましい。【００１４】
この構成により、絶縁部材を容易に形成することができる。【００１５】
本開示の窒化物半導体発光装置において、第１の絶縁材料は、耐熱温度が３００℃以上であることが好ましい。【００１６】
この構成により、半導体レーザの実装工程において、高温による絶縁材料の劣化を抑制できるため、脱離ガスの侵入を抑制できる。【００１７】
本開示の窒化物半導体発光装置において、第１の絶縁材料は、ポリイミドであってもよい。【００１８】
この構成により、Ｓｉを含む脱離ガスがパッケージ内へ侵入することを抑制できるため、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。【００１９】
本開示の窒化物半導体発光装置において、絶縁部材は、第１の絶縁材料からなる第１の絶縁部材と、ガラスからなる第２の絶縁部材とを含み、第１の絶縁部材は、収容空間側において第２の部材を被覆していてもよい。【００２０】
本開示の窒化物半導体発光装置において、開口部は、収容空間側に設けられた第１の部分と、第１の部分よりも径が小さい第２の部分とを含み、第１の部分には第１の絶縁部材が埋め込まれ、第２の部分には第２の絶縁部材が埋め込まれていてもよい。【００２１】
この構成により窒化物半導体発光装置の製造工程を簡略化できる。【００２２】
本開示の窒化物半導体発光装置において、基台は無酸素銅で構成されていることが好ましい。【００２３】
この構成により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。
【発明の効果】
【００２４】
本開示の窒化物半導体発光装置によれば、窒化物半導体発光素子を気密封止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ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ】第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置の斜視図
【図１Ｂ】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
【図２Ａ】第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置のＩａ−Ｉａ線における断面図
【図２Ｂ】第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置のＩｂ−Ｉｂ線における断面図
【図３Ａ】第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置の製造方法の一工程を示す図
【図３Ｂ】第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置の製造方法の一工程を示す図
【図３Ｃ】第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置の製造方法の一工程を示す図
【図３Ｄ】第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置の製造方法の一工程を示す図
【図３Ｅ】第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置の製造方法の一工程を示す図
【図４】第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置および比較例の窒化物半導体発光装置の評価結果を示す表
【図５Ａ】比較例の窒化物半導体発光装置の連続動作時の光出力を示す図
【図５Ｂ】第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置の連続動作時の光出力を示す図
【図６Ａ】シールド部材を構成する材料の特性を示す表
【図６Ｂ】シールド部材の形成方法を比較する表
【図６Ｃ】接着層を構成する材料を比較する表
【図７】第１の実施例の変形例１に係る窒化物半導体発光装置の断面図
【図８】第１の実施例の変形例２に係る窒化物半導体発光装置の断面図
【図９】第２の実施例に係る窒化物半導体発光装置の断面図
【図１０】第２の実施例に係る窒化物半導体発光装置の製造方法の一工程を示す図
【図１１Ａ】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
【図１１Ｂ】第３の実施例に係る窒化物半導体発光装置の断面図
【図１２Ａ】第４の実施例に係る窒化物半導体発光装置の分解斜視図
【図１２Ｂ】第４の実施例に係る窒化物半導体発光装置の部分的な斜視図
【図１２Ｃ】第４の実施例に係る窒化物半導体発光装置の部分的な上面図
【図１３Ａ】第４の実施例に係る窒化物半導体発光装置の断面図
【図１３Ｂ】第４の実施例に係る窒化物半導体発光装置の部分的な断面図
【図１４】従来の半導体発光装置の構成を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
（第１の実施例）
第１の実施例について、図１〜８を参照して説明する。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は窒化物半導体発光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。また、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と動作を詳細に説明するための模式的な断面図である。図３Ａ〜図３Ｅ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。図４は、第１の実施例に係る窒化物半導体発光装置および比較例の窒化物半導体発光装置の評価結果を示す図である。図５Ａは、図４に示した比較例の窒化物半導体発光装置の連続動作時の光出力の時間依存性を示す図であり、図５Ｂは本実施例の窒化物半導体発光装置の連続動作時の光出力の時間依存性を示す図である。図６Ａは、本実施例に用いられるシールド材料の一覧を示す図である。図６Ｂは、本実施例にて比較検討した工法の一覧を示す図である。図６Ｃは、本実施例の窒化物半導体発光装置で用いた接着層の材料を比較した図である。
【００２７】
図１Ａの斜視図および図１Ｂの分解斜視図に示すように、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。窒化物半導体発光装置１は、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が固着され、その後、キャップ３０がパッケージ１０の基台１１に固定されることにより、キャップ３０と基台１１とで囲まれる空間（収容空間）内に気密封止される。
【００２８】
図２Ａおよび図２Ｂは、窒化物半導体発光装置１が固定冶具５０および押さえ冶具５１に前後から固定された様子を示し、図２Ａは図１ＡのＩａ−Ｉａ線における断面、図２Ｂは図１ＡのＩｂ−Ｉｂ線における断面に相当する図である。パッケージ１０は、基台１１と、電気接続のためのリードピン１４ａ、１４ｂおよびアースリードピン１５と、基台１１とリードピン１４ａ、１４ｂとを電気的に分離するための絶縁部材１７ａ、１７ｂとで構成される。絶縁部材１７ａ、１７ｂは、第１の絶縁部材であるシールド部材１９ａと、リードピン１４ａ、１４ｂを基台１１に固定するための第２の絶縁部材であるガラスリング１８ａ、１８ｂとにより構成される。シールド部材１９ａは、ガラスリング１８ａ、１８ｂを被覆する。基台１１は、円盤状のベース１１ａと、ベース１１ａの主面に形成された窒化物半導体発光素子３を固定するためのポスト１１ｂと、ベース１１ａにキャップ３０を固定するための溶接台１１ｄと溶接台１１ｄとベース１１ａを接着する接着層１１ｅとで構成される。また、ベース１１ａにはリードピンを設置するため、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は熱伝導率の高い鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）又はその合金等で構成されることが好ましい。具体的に本実施例においてはベース１１ａおよびポスト１１ｂは熱伝導率の高い無酸素銅で一体に成型されているものを用いて説明する。ここで溶接台１１ｄは例えばＦｅ：Ｎｉ合金（例えば４２アロイ）やコバール等で構成され、接着層１１ｅは、例えば銀ロウなどで構成される。またガラスリング１８ａ、１８ｂは、シリコン酸化物（ＳｉＯ2又はＳｉＯx）に酸化バリウムなどの修飾酸化物を添加した低融点ガラスで構成され、シールド部材１９ａ、１９ｂは例えばポリイミド（Polyimide）樹脂などのガスバリア性が高く、耐熱性（Heat resistance）があり、Ｓｉ−Ｏ結合を含まない絶縁材料で構成される。アースリードピン１５は、ベース１１ａに溶接又は銀ロウ付けにより固定され、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。なお、パッケージ表面は、酸化防止のため、例えばＮｉ、Ａｕメッキで被覆されている。
【００２９】
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、ポスト１１ｂの実装面に例えばＳｉＣセラミックや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。このとき、窒化物半導体発光素子３の構成は、例えばｎ型ＧａＮである基板上に、例えば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の窒化物半導体層と、例えばＩｎＧａＮとＧａＮの多重量子井戸で構成される発光層と、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などうちのいずれかの金属を含む金属多層膜で構成された電極が形成され、例えば、Ａｕ（７０％）Ｓｎ（３０％）ハンダである接着層５でサブマウント６に固着される。このときサブマウント６の上下面には例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの金属多層膜が形成され、前述の窒化物半導体発光素子３と接着層５により固着されると共に、例えばＡｕ（７０％）Ｓｎ（３０％）ハンダである接着層７で、サブマウント６はポスト１１ｂに固着される。なお、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、反射率を制御するため、誘電体多層膜で構成された後方端面膜および前方端面膜（図示せず）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などの酸化膜又は酸窒化膜とで形成される。
【００３０】
窒化物半導体発光素子３は一方の電極面とリードピン１４ａが金属ワイヤ４０ａで電気的に接続され、もう一方の電極面がサブマウント６表面の金属多層膜を介して金属ワイヤ４０ｂでリードピン１４ｂに電気的に接続される。
【００３１】
キャップ３０は図２Ａに示すように、例えばコバール（Kovar）、Ｆｅ：Ｎｉ合金（例えば４２アロイ）又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、低融点ガラスである接合層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おり、接合層３３は例えば低融点ガラスで構成される。窒化物半導体発光素子３は、前記キャップ３０およびパッケージ１０により封止され、例えば酸素と窒素の混合ガスである封止ガス４５により封止される。
【００３２】
この構成において、図２Ａに示すように外部に設置された電源より、リードピン１４ａ、１４ｂに接続された配線を通じて、電流６１が窒化物半導体発光素子３に印加され、窒化物半導体発光素子３から、例えば波長３９０ｎｍから５００ｎｍの紫外光から青光の光である出射光７０が主光線７０ａ方向へ出射される。このとき窒化物半導体発光素子３で発生したジュール熱は図２Ｂの放熱経路８０に示すように窒化物半導体発光素子３→サブマウント６→ポスト１１ｂ→ベース１１ａと伝達し、接触面５５を通じて外部である固定冶具５０へ放熱される。
【００３３】
続いて図３Ａ〜Ｅを用いて本実施例の半導体発光装置の製造方法を説明する。本実施例のパッケージ１０は、まずベース１１ａに、高温炉を用いて例えば１０００℃程度の高温下において、溶接台１１ｄと、リードピン１４ａ、１４ｂ、アースリードピン１５を固着させる。具体的には、図３Ａに示すように、例えば無酸素銅を金型加工で、ベース１１ａとポスト１１ｂと開口部１１ｃが一体に成型された基台１１を形成する。そして、その基台に、接着層１１ｅを構成する銀ロウの成型品と溶接台１１ｄを配置し、さらに開口部１１ｃの中にガラスリング１８ａ、１８ｂとリードピン１４ａ、１４ｂを順番に配置する。その後、高温炉により、接着層１１ｅ、ガラスリング１８ａ、１８ｂ、およびリードピン１４ａ、１４ｂ、アースリードピン１５をベース１１ａに融着させる。
【００３４】
次に、図３Ｂに示すようにディスペンサーを用いてガラスリング１８ａ、１８ｂを覆うようにシールド部材を形成する。具体的には、例えば、シールド部材を構成するポリイミド樹脂の前駆体であるポリアミド酸（Polyamic acid）１９を、ニードル９０を用いて、ベース１１ａの窒化物半導体発光装置配置側のガラスリング１８ａ、１８ｂの表面をそれぞれ覆うように、例えば０．１ｃｃずつ滴下する。このとき、ポリアミド酸を滴下する前にパッケージ１０をＯ2アッシングするとパッケージとポリアミド酸の濡れ性を向上できるので、シールド部材１９ａ、１９ｂとガラスリング１８ａ、１８ｂおよびベース１１ａの密着性を高めることができる。その後、ベーク炉を用いてパッケージを、例えば、１８０℃の環境化でおよそ１時間ベークし、ポリアミド酸をイミド化しポリイミドにすることでシールド部材１９ａ、１９ｂを構成する。このようにしてシールド部材１９ａ、１９ｂが形成された絶縁部材１７ａ、１７ｂを有するパッケージ１０を製造する。
【００３５】
続いて図３Ｃに示すように、パッケージ１０のポスト１１ｂ側を、オゾン中で所定の時間アッシングを行うことでＳｉ−Ｏ結合を含む有機物を除去する。
【００３６】
続いて図３Ｄ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、窒化物半導体発光素子３を順次固着し、金属ワイヤ４０ａ、４０ｂを取り付ける。具体的には、このときサブマウント６は、ポスト１１ｂに接する面と窒化物半導体発光素子が搭載される面との両面に、あらかじめＡｕ（７０％）Ｓｎ（３０％）で構成された接着層５、７（図示せず）が成膜されたものを用いる。このサブマウント６および窒化物半導体発光素子３を、ポスト１１ｂ上に順番に配置し、パッケージ１０の温度をおよそ３００℃まで上昇させる。この温度上昇により、サブマウント６に形成された接着層５、７を溶融させ、ポスト１１ｂとサブマウント６の金属多層膜、サブマウント６の金属多層膜と窒化物半導体発光素子３を電気的および熱的に接続する。このとき、シールド部材１９ａ、１９ｂは、３００℃程度に加熱されるが、本実施例においては、前述の３００℃以上の耐熱温度があるポリイミド樹脂を用いるため劣化しない。この後例えばＡｕワイヤである複数の金属ワイヤ４０ａ、４０ｂを用いて窒化物半導体発光素子３とリードピン１４ａ、１４ｂを電気的に接続する。
【００３７】
続いて図３Ｅに示すように、パッケージ１０上部にキャップ３０を所定の雰囲気下で配置して、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１１ｄとキャップ３０を溶接させ、気密封止する。なお、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など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合層３３により窓固定部３１ｂ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。
【００３８】
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。
【００３９】
次に、本実施例の効果を検証するため、本実施例の窒化物半導体発光装置と、比較のための窒化物半導体発光装置を実際に作製し、特性と長期動作試験の評価を行った。以下、図４および図５を用いて比較検証した結果を説明する。
【００４０】
まず、本発明者らは、図４に示すような比較例１〜４の４種類の窒化物半導体発光装置を作製し、長期動作試験を行い特性の変動を評価した。
【００４１】
パッケージに関しては、パッケージのベースの材料として鋼鉄（Ｓｔｅｅｌ）、ポストの材料として無酸素銅を用い、シールド部材を形成させないもの（比較例１、２）と、本実施例と同じようにベースおよびポストいずれも無酸素銅を用いるが、シールド部材は形成させずガラスリングを露出させたもの（比較例３、４）を作製した。これらは、それぞれサブマウントに、ＡｌＮセラミック（比較例１、３）とＳｉＣセラミック（比較例２、４）を搭載している。また、窒化物半導体発光装置、サブマウント、ポストは上述の製造方法で説明したようにＡｕ（７０％）Ｓｎ（３０％）のハンダにより固着させ、キャップ溶接による気密封止を行う前に、オゾンによりＳｉ有機化合物ガス除去を行い、窒化物半導体発光素子が設置された気密封止雰囲気中にＳｉ有機化合物ガスが発生しないように構成されている。
【００４２】
まず、上記構成において、ベースに鋼鉄を用いた窒化物半導体発光装置（比較例１、２）と無酸素銅を用いた窒化物半導体発光装置（比較例３、４）の熱抵抗を比較すると、ベースに無酸素銅を用いた方が、熱抵抗が約２０％低いことが確認された。
【００４３】
続いて気密性を、ヘリウムガスを用いたリーク量検査で確認したところ、本実施例並びに比較例１および２では１０-9Ｐａ・ｍ3／ｓｅｃ以下であり、比較例３および４では１０-7〜１０-9Ｐａ・ｍ3／ｓｅｃであった。
【００４４】
次に、本実施例および比較例１、２、３、４について、窒化物半導体発光装置の長時間動作試験を行った。動作試験条件は、ベース温度５０℃、光出力２Ｗで連続波発振（Continuous Wave Operation：ＣＷ）である。具体的な光出力の時間依存性を図５に示すが、比較例３、４においては、２００〜５００時間以下で急速な光出力低下が発生した。
【００４５】
この原因を分析するため、これらの窒化物半導体発光装置を分解してみると比較例３、４の窒化物半導体発光装置の窒化物半導体発光素子の前方端面膜に大量のＳｉＯ2が堆積していた。このことから、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出射される場合、長時間駆動時に大量の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を確認できた。図４には堆積速度を１６−１７ｎｍ／秒としているが、これは断面ＴＥＭ分析より得られた堆積物の厚みから計算している。また、比較例１、２についても、動作を停止させ、窒化物半導体発光装置を分解し、窒化物半導体発光素子の前方端面膜を分析してみると、比較例３、４よりも少ないながらＳｉＯ2が体積していることがわかった。しかしながら、前述のように今回評価した比較例１〜４の構成において、従来技術に記載されていたＳｉＯ2が堆積する原因となるＳｉ有機化合物ガスは封止ガス中に発生しない構成である。
【００４６】
そこで、本発明者らは、このＳｉＯ2が発生する要因を調査した。窒化物半導体発光素子の前方端面膜にＳｉＯ2が堆積するためには少なくともＳｉが何らかの形で雰囲気ガス中に浮遊しているはずである。ここで、Ｓｉの発生要因と考えられる部材は、サブマウント、ガラスリング、および透光窓を固定する低融点ガラスである。しかし、本比較例において透光窓を構成するガラスはＳｉを含まない誘電体多層膜である反射防止膜を表面に形成したものを用いたため要因から排除した。
【００４７】
まず、比較例１と２との比較結果、および比較例３と４との比較結果から、サブマウントの基材がＳｉを含むＳｉＣセラミックであっても、Ｓｉを含まないＡｌＮセラミックであっても優位差はない。このため、サブマウントは要因でないことがわかった。次に、ガラスリングからＳｉを含むガスが発生しているかどうかを確認するため、図４に第１の実施例として示す、比較例４と同一のベース、ポスト、ガラスリングおよびサブマウント材料を用いたパッケージに、さらにガラスリングを覆うようにポリイミド樹脂を塗布した窒化物半導体発光装置を作成し、長期動作試験を行った。この結果、図５Ａに示すように比較例４では２個のサンプル（ｎ＝２）のいずれも５００時間未満で急激な光出力低下が発生した。これに対し、図５Ｂに示すように本実施例では１５００時間以上、急激な光出力低下は発生しなかった。また、１５００時間後に窒化物半導体発光装置を分解したところ、ＳｉＯ2は僅かに発生していたが、比較例４と比較し、大幅に低減されていた。従って、比較例１〜４にて発生した窒化物半導体発光素子の前方端面膜に堆積するＳｉＯ2の原因となるガスはガラスリングから発生していると結論される。なお、Ｓｉを含む部材として、透光窓を固定する低融点ガラスもあるが、ガラスリング周辺の構成を変化させることで、堆積物の量が大幅に変化するため、寄与する程度は非常に低いと考えられる。
【００４８】
以上の現象をまとめると、以下の（１）〜（３）のようなことがいえる。（１）パッケージ内に配置されるＳｉＯ2のうち、ベース側のＳｉＯ2からのみガスが発生する、（２）Ｏを含まないＳｉＣ材料からはガスは発生しない、（３）キャップ側のＳｉＯ2とベース側のＳｉＯ2の違いは、（ａ)接触する金属材料、（ｂ）動作中の温度、（ｃ）動作中の印加電界(ベースとリードピン)の３つである。
【００４９】
以上、上記実験において確認された、ガラスリングから発生する何らかのＳｉ化合物が雰囲気ガスに浮遊し、半導体発光素子の出射部に堆積する現象のメカニズムは定かではないが、本発明者らの考察によれば、以下の２つのメカニズムによりガラスリングよりＳｉを含むガスが発生していると考えられる。
【００５０】
（ａ）ベースを構成する金属とガラスリングとの反応によりＳｉ−Ｏを含むガスがガラスリングから発生する。
【００５１】
（ｂ）上記ガスの発生は、窒化物半導体発光素子で発生する熱又は、ベースとリードピンの間に印加される電界で加速される。
【００５２】
一方、本実施例においては、ガラスリング１８ａ、１８ｂをガスバリア性の高いシールド部材１９ａ、１９ｂで被覆しているため、ガラスリングでガスが発生しても、シールド部材によりガスの侵入がブロックされ、窒化物半導体発光素子３の特性劣化を抑制できたと考えられる。
【００５３】
また本実験においては、ベースを構成する材料が異なる比較例１〜４の窒化物半導体発光装置の熱抵抗も比較した。その結果、本実施例に示すようにベースに無酸素銅を用いたものは、ベースの材料を鋼鉄で構成したものと比較し２０％低かった。またこれらの窒化物半導体発光装置を同じ条件下で長時間駆動試験を行い比較すると上記熱抵抗の差が寿命に大きく影響することがわかった。つまり、ベースの材料を鋼鉄にしたものは、ベースの材料を無酸素銅にしたものに対し、光出力の低下量が多かった。これは、熱抵抗の違いにより動作時の窒化物半導体発光素子の温度が鋼鉄のベースの場合は高いからである。すなわち、本実施例に示すように、ベースを無酸素銅で構成し、さらにシールド部材１９ａ、１９ｂを設けることで、窒化物半導体発光素子３の出射端面への付着物と温度上昇による特性劣化を抑えることができるため、より好ましい形態となる。
【００５４】
続いて、図６Ａ〜図６Ｂを用いて、本実施形態の絶縁部材の材料、形成方法を検討した結果を説明する。まず、本実施例のパッケージを製造する場合、図３Ａで説明したように、ベースとガラスリング、リードピンを接着するために、原材料を組立後、ガラスリングの融点に近い１０００℃程度の高温下で保持している。絶縁部材の材料として、ガラスリング以外にも、Ｓｉ−Ｏ結合を含まない絶縁無機材料で構成することも検討した。具体的には低融点ガラス（ＳｉＯ2）以外の金属酸化物（例えばＡｌ2Ｏ3）、金属窒化物（例えばＳｉ3Ｎ4）を検討した。その結果、他の材料は融点が高いか、ベースを構成する金属との密着性が悪いことなどから、酸化バリウム等を添加した低融点ガラス（ＳｉＯ2）が最適であることがわかった。しかしながら、ガスの発生を抑えるためにはＳｉ−Ｏ結合を含まない材料が必要となる。そこで、ガラスリング上をＳｉ−Ｏ結合を含まないシールド部材で覆うことを検討した。シールド部材の材料としては絶縁無機材料だけでなく、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂などの絶縁有機材料も検討した。
【００５５】
このような樹脂材料に求められることは、まず、窒化物半導体発光素子の劣化を防止するために、ガラスリングで発生するガスを通過させないこと（ガス透過性）と、Ｓｉ−Ｏ結合を含むガスを発生させないためにＳｉ−Ｏ結合を含有しないことである。さらに、シールド部材をパッケージに形成した後、窒化物半導体発光素子を搭載するときの、実装温度に対する耐熱性も考慮する必要がある。例えば接着層としてＡｎＳｎ共晶ハンダを用いて実装する場合、シールド部材には接着層の共晶温度よりも高い３００℃以上の温度が印加される。よって、シールド部材には、接着層の共晶温度よりも高い温度が印加された場合でも、ふくれやひび割れ、変形、分解等を生じない耐熱性が要求される。従って、シールド部材を構成する材料は、接着層の共晶温度又は融点に対して耐熱性があることが好ましく、具体的には耐熱温度が３００℃以上であることが好ましい。以上の上記項目の検討結果を図６Ａに、シールド部材を構成する材料の特徴一覧として示す。ここで耐熱性（耐熱温度）を比較する指標として、ガラス転移温度、融点、熱分解温度を用いている。
【００５６】
続いて、図６Ｂを用いて、本実施形態のシールド部材の形成方法を検討した結果を説明する。本実施例に示す窒化物半導体発光装置に用いるパッケージは、高い放熱性だけでなく電気的接続も考慮されていることが重要である。つまり窒化物半導体発光素子で発生したジュール熱を効率良くポストを経由して放熱させるため、また窒化物半導体発光素子とリードピンとを容易に電気的に接続するためには、シールド部材はガラスリング付近に局所的に形成する必要がある。具体的には、絶縁材料で構成されるシールド部材の熱伝導率は本実施例で用いているサブマウントやポストと比べて低いため、ポストとサブマウントの間にシールド部材が存在すると放熱性が悪化し窒化物半導体発光素子の特性劣化につながる。また、接続の機械的強度が低下するため、接続自体が困難になる場合も考えられる。また、リードピンはワイヤを介して窒化物半導体発光素子やサブマウントと電気接続する必要があるが、リードピンに絶縁体であるシールド部材が被覆されてしまうと、電気接続ができなくなる。よって、シールド部材は、ガラスリングの周辺のみに局所的に成膜形成されることが望ましい。
【００５７】
また、ガラスリングで発生したＳｉ含有ガスのパッケージ内への侵入を防ぐには、シールド部材はある程度の厚さを持った緻密な膜であることが望ましい。さらに、パッケージ形状やガラスリング自体の凹凸を考慮すると、シールド部材の厚さは数十μｍ程度あることが望ましい。
【００５８】
上記の検討項目を踏まえ、シールド部材の形成方法を比較した結果を図６Ｂに示す。まず、例えば蒸着などの真空成膜法に関しては、部分的に形成することが難しい。また一度の成膜で形成できる膜厚は数μｍ程度であるため、成膜とパターニングを繰り返す必要があり、工程の複雑化や製造コストの増加につながる。続いて例えばゾルゲル法などの溶媒摘出法に関しても、同様に、部分的に形成することが難しい。一方、本実施例で用いた塗布法は、液体状にした物質をスポイトや液体定量吐出装置（ディスペンサー）などにより所望の位置に所望の分量成膜する方法であるため、複雑な形状を有する本実施例のようなパッケージにも対応できた。そこで、シールド部材の好ましい形成方法として塗布法を挙げる。
【００５９】
次に、図６Ｃに窒化物半導体発光素子とサブマウントをポストに固着するために検討した接着層の材料を比較したものを示す。接着層を構成する金属又は金属合金に適当なものを選択することで実装温度を変更させることは可能である。前述のように、シールド部材を構成する材料は、接着層の共晶温度又は融点よりも耐熱温度が高いことが好ましい。例えば、接着層としてＩｎ、シールド部材としてエポキシ樹脂（シロキサンなどのＳｉ−Ｏ結合を含む材料を含まないもの）という構成も可能である。なお最も好ましい形態としては、接着層としては、Ａｕ（７０％）Ｓｎ（３０％）、シールド部材としては、ポリイミド樹脂の組み合わせが挙げられる。
【００６０】
（第１の実施例の変形例１）
続いて、図７を用いて第１の実施例の変形例１の窒化物半導体発光装置について説明する。図７は、第１の実施例の変形例１に係る窒化物半導体発光装置の模式的な断面図である。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。
【００６１】
図７に示す変形例１の窒化物半導体発光装置は、上述の第１の実施例の窒化物半導体発光装置と比べて、ベース１１ａの開口部１１ｃの形状が大きく異なる。具体的には、開口部１１ｃは、第２の絶縁部材であるガラスリングの周囲の開口径よりも、第１の絶縁部材であるシールド部材の周囲の開口径の方が大きい構造となっている。すなわち、開口部１１ｃのポスト側の表面には開口部１１ｃの他の部分よりも開口径が大きい横流れ防止部１１ｆが形成される。この横流れ防止部１１ｆを設けることで、ディスペンサーとニードルによりポリアミド酸１９を塗布する際、ディスペンサーの塗布量の精度誤差によりポリアミド酸１９の量が増加しても、ポリアミド酸１９が開口部１１ｃ近傍から溢れるのを防止することができる。このため、基台１１のキャップ３０の接合位置にポリアミド酸１９が流出し、キャップ３０とパッケージ１０との溶接不良による気密性の低下を防止することができる。さらに、横流れ防止部１１ｆを形成することで、ベース１１ａとシールド部材１９ａ、１９ｂの接触面積を大きくし密着性を向上させることができるため、ガラスリング１８ａ、１８ｂで発生するガスがベース１１ａとシールド部材１９ａ、１９ｂの隙間を透過するのを防止することができる。
【００６２】
なお、本変形例１の構造に加えて、横流れ防止部１１ｆの領域を広げ、ガラスリング１８ａおよび１８ｂを一つの横流れ防止部１１ｆで囲むように設定してもよい。この場合、シールド部材の塗布回数を一回に減らせるため、工程の簡略化および製造コスト低減につながる。特に、例えば、ポリアミド酸の濡れ性を調整し、ポリアミド酸をリードピン１４ａ、１４ｂの中間の横流れ防止部１１ｆに滴下し、ポリアミド酸がガラスリング１８ａ、１８ｂ上まで拡がり覆うように設定する。この製造方法により、ニードルの位置やポリアミド酸の塗布位置を容易に設定できる。
【００６３】
さらに、ガラスリング１８ａ、１８ｂのポスト側表面や横流れ防止部１１ｆの表面に凹凸構造を設けてもよい。このような構成により、ガラスリング１８ａ、１８ｂのポスト側表面や横流れ防止部１１ｆの表面積が増大するため、ポリイミド樹脂とベース部分の密着性をさらに向上させることができる。
【００６４】
（第１の実施例の変形例２）
図８は、第１の実施例の変形例２に係る窒化物半導体発光装置の模式的な断面図である。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。変形例２のパッケージ１０では、開口部１１ｃにベース１１ａと異なる材料で構成された金属リング１１ｇを設け、リードピン１４ａ、１４ｂをベースの開口部１１ｃに対して、ガラスリング、金属リングを間に介して固定する。この際、リードピン側からガラスリング、金属リングの順番で配置する。この構成により、金属リングの材料をベースと異なるものに設定することができるため、ガラスリングから発生するＳｉ−Ｏ結合を含むガスを少なくする金属材料、例えば鋼鉄で金属リングを構成することができる。
【００６５】
（第２の実施例）
続いて図９および図１０を用いて、第２の実施例に係る窒化物半導体発光装置について説明する。図９は、第２の実施例に係る窒化物半導体発光装置の模式的な断面図である。図１０は、第２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。本実施例の絶縁部材１１７ａ、１１７ｂは、構成する材料が、Ｓｉ−Ｏ結合を含まない絶縁材料、例えばポリイミド樹脂のみで構成されることを特徴とする。
【００６６】
以下、図９を用いて本実施例の窒化物半導体発光装置１０１の構成について説明する。なお、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。本実施例において、パッケージ１１０は、ベース１１１ａの材料として鋼鉄（Steel）、ポスト１１１ｂの材料として無酸素銅を用いる。また、ベース１１１ａとポスト１１１ｂは、例えば銀ロウである接着層１１１ｅで固着される。この構成により、キャップ３０をパッケージ１０に溶接する場合に溶接台を用意する必要がない。
【００６７】
続いて本実施例の窒化物半導体発光装置１０１のパッケージ１１０の製造方法について図１０を用いて説明する。まず、鋼鉄で構成されたベース１１１ａに、無酸素銅で構成されたポスト１１１ｂおよびアースリードピン１１５を銀ロウである接着層１１１ｅなどを用いて所定の位置に固着する。ベース１１１ａ、ポスト１１１ｂ、アースリードピン１１５が固着されたものにＮｉ、Ａｕなどの表面加工をメッキ槽で施す。続いて、同様にメッキ等によりリードピン１１４ａ、１１４ｂにも表面加工を施す。続いて所定の開口部が形成された固定冶具１５０にベース１１１ａとリードピン１１４ａ、１１４ｂの位置を正確に固定し、ニードル９０を用いて絶縁部材１１７ａ、１１７ｂとなるポリアミド酸１１９を開口部１１１ｃに所定の量、滴下し、その後、例えば１８０℃程度のアニール炉に挿入され、硬化させる。なお、このとき、固定冶具１５０は、ベース１１１ａとリードピン１１４ａ、１１４ｂを、互いに電気的に接触しないように、開口部１１１ｃ内で所定の間隔を保つように固定する。以上の製造方法によりパッケージ１１０を製造する。その後、第１の実施例と同様に、窒化物半導体発光素子３、サブマウント６、キャップ３０が取り付けられる。
【００６８】
この構成により、絶縁部材１１７ａ、１１７ｂにＳｉ−Ｏ結合を含まない材料で且つ、気密性に優れた絶縁部材を用いることができるため、より容易に窒化物半導体発光装置を構成することができるとともに、長期駆動時に窒化物半導体発光装置が劣化することを防止することができる。
【００６９】
なお本実施例において、パッケージ材料は上記の限りでなく、第１の実施例と同じようにベース１１１ａおよびポスト１１１ｂを無酸素銅で一体成型し、溶接台を形成したものを用いてもよい。
【００７０】
なお本実施例において、絶縁部材１１７ａ、１１７ｂにはポリイミドを用いたが、Ｓｉ−Ｏ結合を含まない絶縁無機材料を用いてもよい。具体的には金属酸化物（例えばＡｌ2Ｏ3）、金属窒化物（例えばＳｉ3Ｎ4）を用いることができる。
【００７１】
（第３の実施例）
続いて図１１を用いて、第３の実施例に係る窒化物半導体発光装置について説明する。図１１Ａ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１１Ｂは、第３の実施例に係る窒化物半導体発光装置の模式的な断面図である。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。
【００７２】
本実施例において、窒化物半導体発光装置２０１に用いられているパッケージ２１０の構成はいわゆるバタフライ型パッケージと基本的な構成が同じであるパッケージ形状である。窒化物半導体発光装置２０１は、パッケージ２１０の底面にキャリア２１２、サブマウント６、窒化物半導体発光素子３が順に積層され、固定されている。また、窒化物半導体発光素子３の出射側には開口部２１１ｈを介してキャップ２３０が取り付けられ、窒化物半導体発光素子３の上面部には開口部２１１ｉを介して、蓋２４０が取り付けられている。パッケージ２１０は例えば銅タングステン合金である底面に配置されたベース２１１ａにベース２１１ａの中央を取り囲むように形成された側壁２１１ｂが形成され、側壁２１１ｂの窒化物半導体発光素子の出射方向にはキャップ２３０を取り付けるための開口部２１１ｈと、リードピン２１４ａ、２１４ｂを固定するための開口部２１１ｃが形成される。キャップ２３０は、金属キャップ２３１に、例えばガラスで構成されたレンズガラス２３２が低融点ガラスなどの接着層２３３により固定された構造である。またリードピン２１４ａ、２１４ｂは、例えばポリイミド樹脂である絶縁部材２１７ａ、２１７ｂにより開口部２１１ｃの中央部分に固定される。
【００７３】
この構成により、絶縁部材２１７ａ、２１７ｂにＳｉ−Ｏ結合を含まない材料で且つ、気密性に優れた絶縁部材を用いることができるため、より容易に窒化物半導体発光装置を構成することができるとともに、長期駆動時に窒化物半導体発光装置が劣化することを防止することができる。
【００７４】
（第４の実施例）
続いて図１２、図１３を用いて、第４の実施例に係る窒化物半導体発光装置について説明する。図１２Ａは、第４の実施例に係る窒化物半導体発光装置のキャップを取り外した場合の分解斜視図である。図１２Ｂは、第４の実施例に係る窒化物半導体発光装置の部分的な斜視図である。図１２Ｃは、第４の実施例に係る窒化物半導体発光装置の部分的な上面図である。図１３Ａは、第４の実施例に係る窒化物半導体発光装置の模式的な断面図であり、図１２ＡのＩｙ−Ｉｙ線における断面図に相当する。図１３Ｂは第４の実施例に係る窒化物半導体発光装置の部分的な断面図であり、図１２ＡのＩｘ方向における断面図に相当する。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。
【００７５】
本実施例の窒化物半導体発光装置３０１はヒートシンク３５１が取り付けられた基台３５０上に複数の窒化物半導体発光装置３０２が配置される。基台３５０は例えば銅であるヒートスプレッダ３５０ａに、周辺を囲うように形成される、例えばコバール（Ｋｏｖａｒ）などの鉄合金で構成された押さえ部（溶接台）３５０ｂが、溶接、ねじ止めなどの方法で固定されたものである。
【００７６】
図１３Ａに示すように複数の窒化物半導体発光装置３０２がヒートスプレッダ３５０ａとキャップ３３０により気密封止された構造を有する。窒化物半導体発光装置３０２は、基台３１１とリードピン３１４ａ、３１４ｂが絶縁部材３１７により一体に成型されたリードフレーム状のパッケージ３１０上に、サブマウント６、窒化物半導体発光素子３が搭載され、金属ワイヤ３４０ａ、３４０ｂにより電気配線がなされた構造である。
【００７７】
具体的には図１２Ｂに示すように、窒化物半導体発光装置３０２の基台３１１は、サブマウント６を実装するためのベース３１１ａとアースリード３１１ｃが一体になったプレート状のものであり、リードピン３１４ａ、３１４ｂと同時に例えば銅で構成された金属プレートから成型される。絶縁部材３１７は、基台３１１とリードピン３１４ａ、３１４ｂを電気絶縁しつつ保持し、パッケージ３１０を構成する。また絶縁部材３１７は、窒化物半導体発光素子３を実装する側の高さが、金属ワイヤ３４０ａ、３４０ｂよりも高くなるように設定され、窒化物半導体発光素子３および金属ワイヤ３４０ａ、３４０ｂを保護する。ここで、絶縁部材３１７は例えばポリイミド樹脂のようなＳｉ−Ｏを含まない材料で構成され、窒化物半導体発光装置３０１の気密封止領域内に配置されても窒化物半導体発光素子３が劣化するのを防止することができる。
【００７８】
図１２Ａに窒化物半導体発光装置３０１のキャップ３３０を取り外した場合の斜視図を示す。本実施例において窒化物半導体発光装置３０１には、窒化物半導体発光装置３０２が縦３列、横８列の合計２４個が実装された構成のものを実施例に挙げて説明する。本実施例において、横８列の窒化物半導体発光装置３０２は、フレキシブルプリント基板３５６により直列に接続され、外部回路と配線されるように配置されている。
【００７９】
具体的には、図１２Ｃの部分的な上面図に示すように、フレキシブルプリント基板３５６は、例えばポリイミド樹脂である絶縁基板３５６ａに、例えば銅箔である配線３５６ｂがパターニングにより形成され、さらに終端部は外部回路と接続される外部端子３５６ｃが形成される。フレキシブルプリント基板３５６は、基台３５０とキャップ３３０とで規定される封止空間の内部と外部とを電気的に接続するリードの役割を果たす。配線３５６ｂは窒化物半導体発光装置３０２のリードピン３１４ａ、３１４ｂと例えばＳｎＡｇＣｕなどのハンダ材料により電気的に接続される。
【００８０】
また、図１３Ａに示すように、横８列の窒化物半導体発光装置３０２の光出射側には反射ミラー３５５がそれぞれ配置される。窒化物半導体発光装置３０２からヒートスプレッダ３５０ａ表面に平行に出射した出射光３７０は反射ミラー３５５により垂直方向へ反射され、透光窓３３２から外部へと出射される。このとき窒化物半導体発光素子３で発生するジュール熱は、放熱経路３８０に示すように、窒化物半導体発光装置３０２直下のヒートスプレッダ３５０ａ、ヒートシンク３５１を伝達し、容易に外部へ放熱される。
【００８１】
一方、２４個の窒化物半導体発光装置３０２は、キャップ３３０で封止される。キャップ３３０は、第１の実施例と同様に金属キャップ３３１と透光窓３３２により構成される。透光窓３３２は、例えばＢＫ７などのガラス板の表面に反射防止膜が形成される。反射防止膜は、例えば最表面はＳｉＯ2以外の膜で構成された誘電体多層膜で窒化物半導体発光素子３から出射される光の波長の反射率が低くなるように設定される。透光窓３３２は第１の実施例と同様に金属キャップ３３１に例えば低融点ガラスである接合層３３３で固着される。
【００８２】
ここで、キャップ３３０およびヒートスプレッダ３５０ａで封止される空間の内部のヒートスプレッダ３５０ａ側は、金属又はＳｉ−Ｏ結合を含まない絶縁材料で覆われた構成にする。例えば、フレキシブルプリント基板３５６は、絶縁基板３５６ａはＳｉ−Ｏ結合を含まない材料で構成するか、又はＳｉ−Ｏ結合を含まないシールド材料で覆う。例えば、フレキシブルプリント基板３５６の絶縁基板３５６ａは、Ｓｉ−Ｏ結合を含む不純物を含まないポリイミド樹脂で構成する。また配線３５６ｂと絶縁基板３５６ａはＳｉ−Ｏ結合を含まない接着剤で接着する。
【００８３】
Ｓｉ−Ｏ結合を含む材料が含まれたフレキシブルプリント基板３５６を用いる場合は、図１３Ａに示すように、Ｓｉ−Ｏ結合を含まない樹脂、例えばポリイミド樹脂であるシールド部材３１９ａでフレキシブルプリント基板３５６の表面を覆う構成とする。また反射ミラー３５５を固定する固定部材３１９ｂもＳｉ−Ｏ結合を含まない絶縁材料で構成する。さらにキャップ３３０と、基台３５０の押さえ部（溶接台）３５０ｂは、第１の実施例のように溶接で接続するか、Ｓｉ−Ｏ結合を含まない絶縁材料で固定・封止する。また図１３Ｂに示すように、フレキシブルプリント基板３５６は基台３５０の開口部３５０ｃ、つまり、ヒートスプレッダ３５０ａと押さえ部３５０ｂの間に形成された開口部３５０ｃを通る。さらに、例えばポリイミド樹脂である封止部材３１９ｃにより開口部３５０ｃを塞ぐようにする。この構成によりキャップ３３０と基台３５０の間に窒化物半導体発光素子３を配置し、Ｓｉ−Ｏ結合を含まない絶縁材料で封止することができる。なお、封止部材３１９ｃとしてＳｉ−Ｏ結合を含む絶縁材料を用いる場合、図１３Ｂに示すように、シールド部材３１９ａで覆うことにより本開示の構成を実現することができる。
【００８４】
以上、本実施例の構成を用いることにより、窒化物半導体発光装置３０１の気密封止された内壁の表面を、金属又はＳｉ−Ｏ結合を含まない材料で且つ、気密性に優れた絶縁部材を用いることができるため、より容易に光出力の高い窒化物半導体発光装置を構成することができるとともに、長期駆動時に窒化物半導体発光装置が劣化することを防止することができる。
【００８５】
なお第１の実施例および第２の実施例において、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、アースをとる場合にはアースリードピン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半導体レーザアレイ素子とし、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よい。この場合は、複数のリードピン全てにシールド部材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できる。
【００８６】
なお、第１の実施例〜第４の実施例においては、窒化物半導体発光素子を、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素子又は窒化物半導体系半導体レーザアレイとしたが、いずれを用いてもよい。また、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等としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本開示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。
【符号の説明】
【００８８】
１          窒化物半導体発光装置
３          窒化物半導体発光素子
５、７      接着層
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      溶接台
１１ｅ      接着層
１１ｅ      接着部層
１１ｆ      防止部
１１ｇ      金属リング
１４ａ、１４ｂ  リードピン
１５      アースリードピン
１７ａ、１７ｂ  絶縁部材
１８ａ、１８ｂ  ガラスリング
１９      ポリアミド酸
１９ａ、１９ｂ  シールド部材
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      開口部
３１ｅ      突起部
３２        光透過窓
３３        接合層
４０ａ、４０ｂ  金属ワイヤ
４５        封止ガス
５０        固定冶具
５１        押さえ冶具
５５        接触面
６１        電流
７０        出射光
７０ａ      主光線
８０        放熱経路
９０        ニードル
９１ａ      固定台
１０１      窒化物半導体発光装置
１１０      パッケージ
１１１ａ    ベース
１１１ｂ    ポスト
１１１ｃ    開口部
１１１ｅ    接着層
１１４ａ、１１４ｂ  リードピン
１１５      アースリードピン
１１７ａ、１１７ｂ  絶縁部材
１１９      ポリアミド酸
１５０      固定冶具
２０１      窒化物半導体発光装置
２１０      パッケージ
２１１ａ    ベース
２１１ｂ    側壁
２１１ｃ    開口部
２１１ｈ    開口部
２１１ｉ    開口部
２１２      キャリア
２１４ａ、２１４ｂ  リードピン
２１７ａ、２１７ｂ  絶縁部材
２３０      キャップ
２３１      金属キャップ
２３２      レンズガラス
２３３      接着層
２４０      蓋
３０１      窒化物半導体発光装置
３０２      窒化物半導体発光装置
３１０      パッケージ
３１１      基台
３１１ａ    ベース
３１１ｃ    アースリード
３１４ａ、３１４ｂ  リードピン
３１７      絶縁部材
３１９ａ    シールド部材
３１９ｂ    固定部材
３１９ｃ    封止部材
３３０      キャップ
３３１      金属キャップ
３３２      透光窓
３３３      接合層
３４０ａ、３４０ｂ  金属ワイヤ
３５０      基台
３５０ａ    ヒートスプレッダ
３５０ｂ    押さえ部
３５０ｃ    開口部
３５１      ヒートシンク
３５５      反射ミラー
３５６      フレキシブルプリント基板
３５６ａ    絶縁基板
３５６ｂ    配線
３５６ｃ    外部端子
３７０      出射光
３８０      放熱経路
【図１Ａ】
2014010140.tif 000003
【図１Ｂ】
2014010140.tif 000004
【図２Ａ】
2014010140.tif 000005
【図２Ｂ】
2014010140.tif 000006
【図３Ａ】
2014010140.tif 000007
【図３Ｂ】
2014010140.tif 000008
【図３Ｃ】
2014010140.tif 000009
【図３Ｄ】
2014010140.tif 000010
【図３Ｅ】
2014010140.tif 000011
【図４】
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【図５Ａ】
2014010140.tif 000013
【図５Ｂ】
2014010140.tif 000014
【図６Ａ】
2014010140.tif 000015
【図６Ｂ】
2014010140.tif 000016
【図６Ｃ】
2014010140.tif 000017
【図７】
2014010140.tif 000018
【図８】
2014010140.tif 000019
【図９】
2014010140.tif 000020
【図１０】
2014010140.tif 000021
【図１１Ａ】
2014010140.tif 000022
【図１１Ｂ】
2014010140.tif 000023
【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
2014010140.tif 000029
【国際調査報告】
2014010140.tif 000030
2014010140.tif 000031
2014010140.tif 000032
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