(57)【要約】      （修正有）【課題】光学素子の封止構造において各部材間の熱膨張係数の差によって生じる剥離やクラックを防止する。【解決手段】光学素子１０と、無機材料基板２１と、光学素子１０を被覆し該光学素子１０の受発光波長に対して透明な無機系の封止部材３９とを有し、無機材料基板２１には電力を送受する第１の金属パターン２５ｎと、基板と封止部材とを実質的に接着するための第２の金属パターン２６を形成する。この第２の金属パターン２６の材料が接着層となって無機系の封止部材３９と無機材料基板２１とを強固に結合する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子と、無機材料基板と、前記光学素子を被覆し該光学素子の受発光波長に対して透明な無機系の封止部材とを有し、
前記無機材料基板には電力を送受する第１の金属パターンと、前記基板と前記封止部材とを実質的に接着するための第２の金属パターンとが形成されている、ことを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
前記光学素子はフリップチップタイプである、ことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
融点が５００℃以上の材料からなるバンプによって前記光学素子は前記基板へマウントされている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記第１の金属パターン及び第２の金属パターンはＷ又はＭｏ等の高融点金属を含む、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項５】
第２の金属パターンは前記無機材料基板と前記無機系の封止部材との中間の熱膨張係数の金属材料で形成したものである、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項６】
前記光学素子がマウントされる周辺部位に前記光学素子の受発光波長に対して高反射率層が形成されている、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項７】
前記第２の金属パターンの表面は前記封止部材とぬれ性がよい材料で形成されている、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項８】
前記第２の金属パターンの表面はＮｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｕ若しくはこれらの合金の少なくとも１種を含む材料で形成されている、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項９】
前記第１の金属パターンは前記光学素子をとり囲むように配置され、前記第２の金属パターンは前記第１の金属パターンから離隔してかつ該第１の金属パターンの外周を囲む環状部分とを備えてなる、ことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項１０】
前記第１の金属パターンは前記光学素子がマウントされる面からその裏面側に引き出されている、ことを特長とする請求項１〜９のいずれかに記載の光学デバイス。
【請求項１１】
前記基板における光学素子マウント面に形成された前記第１の金属パターンと前記基板における該光学素子マウント面の裏面に形成されたパターンとは前記基板のベース材料に形成された貫通孔を介して連通されている、ことを特徴とする請求項１０に記載の光デバイス。
【請求項１２】
前記基板の全面及び裏面の広範囲に前記金属パターンが形成されている、ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の光デバイス。
【請求項１３】
前記封止部材の周縁部は薄肉に形成されている、ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項１４】
前記封止部材は凸レンズ状に形成されている、ことを特徴とする請求項１３に記載の光デバイス。
【請求項１５】
電力を送受するための第１の金属パターンと基板と封止部材とを実質的に接着するための第２の金属パターンとを有する無機材料基板を準備し、
前記第１の金属パターンへ光学素子を固定し、
無機系光透過性材料で前記無機材料基板の表面を全面的に被覆し、該無機系光透過性在材料を前記第２の金属パターンに接着させ、
前記無機材料基板を分離して光デバイスのチップを得る、ことを特徴とする光デバイスの製造方法。
【請求項１６】
前記基板にＷ又はＭｏを含むペーストでパターンを描いた後に焼成し、当該パターンの上にＮｉ層を形成して熱処理して前記第２の金属パターンを形成する、ことを特徴とする請求項１５に記載の光デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は低融点ガラスで封止された光デバイスの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオード等の光デバイスはエポキシ樹脂等の透光性樹脂で封止されるのが一般的であった。かかる透光性樹脂では吸湿性があり、耐湿性の低い光デバイス素子では、高温多湿状態での劣化が問題であった。また、耐熱性、耐候性についても問題があり、リフロー炉での温度や強い光に反応して黄変等の劣化が見られる。特に、短波長を放出するIII族窒化物系化合物半導体発光素子の場合には当該素子から放出される高エネルギーの光と素子自体の発熱により、素子近傍の透光性樹脂が黄変して光取り出し効率が無視できないほどに低下する場合がある。
かかる封止部材の劣化を防止するため、封止部材に低融点ガラスを用いることが提案されている（特許文献１〜５等参照）。
また、本発明に関連する低融点ガラスに関連する発明として特許文献６等を参照されたい。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１７７１２９号公報
【特許文献２】
特開平８−１０２５５３号公報
【特許文献３】
特開平１１−１７７１３０号公報
【特許文献４】
特開平６−１８１０４０号公報
【特許文献５】
特開平５−１８８８７１号公報
【特許文献６】
特開２００１−４８５７４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らの検討によれば、光学素子の封止部材として低融点ガラス等の無機系材料を用いるときには次の課題があった。
即ち、低融点ガラスとはいえ３００℃を超える高温状態での加工が必要である。この加工温度と常温との温度差において、各部材間へ熱膨張率の差によって剥離やクラックが生じないものとする必要がある。また、光学素子に熱影響が及ばない範囲で加工を行う制限があるので、低融点ガラス等の光学素子の封止部材をエポキシ樹脂のような低粘度で扱うことができないため、ワイヤボンディング部にダメージを与えることなく加工することは困難であった。さらに、かかる光デバイスを量産するには更なる障害があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、次の構成を採用する。即ち、第１の局面の発明は、光学素子と、無機材料基板と、前記光学素子を被覆し該光学素子の受発光波長に対して透明な無機系の封止部材とを有し、
前記無機材料基板には電力を送受する第１の金属パターンと、前記基板と前記封止部材とを実質的に接着するための第２の金属パターンとが形成されている、ことを特徴とする光デバイス。
【０００６】
このように構成された光デバイスによれば、無機系の封止部材と無機材料基板との間に第２の金属パターンが介在され、当該金属パターンの材料が接着層となって無機系の封止部材と無機材料基板とを強固に接着できることとなる。これにより、各部材間の熱膨張係数の差によって生じる剥離やクラックを防止することができる。
また、第１の金属パターンと第２の金属パターンの表面を異なる材料としやすくなる。電解めっき処理でそれぞれ個別に電界をかけられるからである。第１の金属パターン表面は光学素子をマウントするのに適した材料、第２の金属パターン表面は封止部材との接着に適した材料を個別に形成しやすくなる。そして、素子マウント状態の信頼性を高めることができ、また、基板と封止部材の接着強化を増すことで、剥離やクラックが生じにくい信頼性の高いものとできる。
【０００７】
本発明者らは無機系の封止部材について検討をした結果次の課題を見出した。即ち、封止部材として低融点ガラスを用いたとしても、融解温度は３００℃を超え、さらに融解状態であっても流動性が小さく粘度の高い状態である。このように無機系の封止部材には物理的制約が多いので、光学素子を被覆するための量産製造ラインに当該封止部材を適応させることが困難である。なお、既述の特許文献１−６にはかかる量産化技術の課題についてなんら言及されていない。
【０００８】
この発明の第２の局面はかかる課題を解決するため、フリップチップタイプの光学素子を採用する。フリップチップタイプの光学素子によればワイヤボンディングが不要のため、粘度の高い状態で封止部材の材料を光学素子に被覆させても製造上何ら問題は生じない。例えば、光学素子をマウントした基板へ空気が入らないように板状の低融点ガラスを貼り合わせ、これをダイシングするだけで光デバイスを得ることができる。
また、高温の融点を有する材料からなるバンプにより光学素子を基板へ固定することにより、高い温度で封止作業を行ったとしても、光学素子が基板からずれることがない。５００℃以上の融点のバンプ（金製又は金合金製のバンプ等）により光学素子を基板へ固定しておけば、例えば、封止部材として低融点ガラス（融点４５０℃程度）を用いたときにその粘度が高く被覆作業時に強い力が光学素子に加わったとしても、基板に対する光学素子の固定は安定している。
【０００９】
本発明者らは無機系の封止部材について更に検討をした結果次の課題を見出した。即ち、無機系の封止部材を用いる場合、当該封止部材を加工するために高温処理の工程が不可避となる。つまり、高温状態で封止部材を装着しその後常温まで冷却することとなるが、かかる温度履歴が生じたときに封止部材の材料の熱膨張係数と基板材料のそれとに大きな差があると、基板に反りが生じたりまた基板から封止部材が剥離するおそれがある。例えば、基板材料にＡｌＮを採用し封止部材に低融点ガラスを採用したときの各熱膨張係数はそれぞれ４．５×１０−６／℃、１７．３×１０−６／℃であり、両者の間に大きな差異がある。
【００１０】
この発明の第３の局面はかかる課題を解決するために、封止部材と基板との間に介在される金属パターンの材料の熱膨張係数を封止部材の熱膨張係数と基板材料の熱膨張係数の中間のものとする。これにより、封止部材と基板と熱膨張係数の差を金属パターンが緩和して封止温度から常温まで冷却したときの基板の反りや封止部材−基板間の剥離を防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の各要素について詳細に説明する。
（光学素子）
光学素子には発光ダイオード、レーザダイオードその他の発光素子及び受光素子が含まれる。光学素子の受発光波長も特に限定されるものではなく、紫外光〜緑色系光に有効なIII族窒化物系化合物半導体素子や赤色系光に有効なＧａＡｓ系半導体素子などを用いることができる。その他、ＳｉＣ、ＡｌＩｎＧａＰなどから形成される光学素子を用いることができる。
封止部材の問題が特に顕著になるのは短波長を放出するIII族窒化物系化合物半導体発光素子である。ここに、III族窒化物系化合物半導体は、一般式としてＡｌＸＧａＹＩｎ１−Ｘ−ＹＮ（０＜Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表される。Ａｌを含むものはこのうち、ＡｌＮのいわゆる２元系、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ及びＡｌｘＩｎ１−ｘＮ（以上において０＜ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。III族窒化物系化合物半導体及びＧａＮにおいて、III族元素の少なくとも一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の少なくとも一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。
また、III族窒化物系化合物半導体は任意のドーパントを含むものであっても良い。ｎ型不純物として、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、カーボン（Ｃ）等を用いることができる。ｐ型不純物として、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）等を用いることができる。なお、ｐ型不純物をドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことができるが必須ではない。  III族窒化物系化合物半導体層はＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法により形成される。素子を構成する全ての半導体層を当該ＭＯＣＶＤ法で形成する必要はなく、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法等を併用することが可能である。
【００１２】
発光素子の構成としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。発光層として量子井戸構造（単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造）を採用することもできる。かかるIII族窒化物系化合物半導体発光素子として、主たる光受発光方向（電極面）を光デバイスの光軸方向にしたフェイスアップタイプや主たる光受発光方向を光軸方向と反対方向にして反射光を利用するフリップチップタイプを用いることができる。
【００１３】
III族窒化物系化合物半導体素子のエピ成長温度は１０５０℃程度であり、またＧａＡｓ系の半導体素子のエピ成長温度は耐熱温度は６００℃以上であり、いずれも低融点ガラスを用いることで熱によるダメージ影響のない加工が可能である。
【００１４】
（無機材料基板）
この発明の光デバイスは既述の光学素子が無機材料基板へマウントされている。無機材料基板のベース材料及び形状は光デバイスの用途に応じて適宜選択することが出できるが、例えばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ガラス含有Ａｌ２Ｏ３等の矩形板状のものを用いることができる。
基板において少なくともその表面が当該ベース材料で形成されていればよい。例えば、中心部分をＡｌ若しくはＡｌ合金で形成してその表面をＡｌＮで囲繞してなる基板を用いることができる。
【００１５】
（金属パターン）
無機材料基板には第１の金属パターンと第２の金属パターンが形成される。
第１の金属パターンは光学素子の各電極と外部回路とを電気的に結合して光学素子に対して電力を受送する。即ち、光学素子が発光素子の場合は外部回路から光学素子へ電力を印加し、光学素子が受光素子の場合は光学素子の発生した電力を外部回路へ取り出す。
第２の金属パターンは、無機系の封止部材を無機材料基板へ安定して接着させる接着層の機能を有する。封止部材は光学素子を取り囲むように配置されるので、この第２の金属パターンも光学素子をマウントする第１の金属パターンをとり囲むように配置することにより、封止部材と無機材料基板との間に介在される第２の金属パターンの面積を極大化することができる。なお、第２の金属パターンは連続体に限られるものではなく、非連続体であってもよい。
【００１６】
第1の金属パターンと第2の金属パターンとは連続でもよいが、第１の金属パターンと第２の金属パターンとが絶縁されていれば、独立して電界を印加することにより、それぞれの機能に最適な材料を電界めっきすることができる。
金属層は光を反射する機能も有するので、第１の金属パターン及び第２の金属パターンで光学素子を取り囲むことにより、光学素子の光をもれなく反射させて光取り出し効率を向上させる機能も有する。例えば黒色のＡｌＮからなる基板は光学素子からの光を吸収してしまい、またＡｌ２Ｏ３からなる基板は光学素子からの光を透過させてしまうので、かかる金属パターンで光学素子をとり囲むことにより、光学素子からの光を外部へ効率よく反射することができる。
光の反射効率を向上するには、光学素子により近く形成される第１の金属パターンの表面をＡｇ等の高反射率の金属層とすることが好ましい。
【００１７】
第１の金属パターンの形成材料はその表面層が光学素子を結合するための結合材料に適合したものである必要がある。例えば、結合材料としてＡｕバンプを用いるときは第１の金属パターンの表面層をＡｕやＡｇで形成する。当該表面層以外の層は生産性向上の見地から、第２の金属パターンと共通の材料で形成することが好ましい。
光学素子と基板とを結合するための結合材料として上記のＡｕバンプ以外に、はんだバンプやはんだめっきなどの共晶材を用いることができる。
Ａｇ層は高い光反射率を有するので、第１の金属パターンにおいて光学素子の周辺部位へ部分的に形成することが好ましい。
【００１８】
第２の金属パターンの形成材料は封止部材の材質及び無機材料基板の材質に応じてこれらと結合性に優れたものが適宜選択される。金属パターンはこれを多層構造とすることもできる。例えば、金属パターンの形成材料としてＷ、Ｗ＼Ｎｉ（Ｗの上にＮｉを積層したもの）、Ｗ＼Ｎｉ＼Ａｇ（Ｗの上にＮｉとＡｇを順次積層したもの）、Ｃｕ箔（ガラスを含有するＡｌ２Ｏ３基板とは酸化物を介して、接着強度を得ることができ、同基板は１３×１０−６１／℃といった無機系の封止部材に近い熱膨張係数である。）などを採用することができる。
ここに、Ｗ層は加熱により封止部材や基板の無機材料へ楔のように入り込み、両者の間に強固な結合が形成される。Ｗ層の上にＮｉ層を形成した場合、加熱によりＮｉ層と封止部材との間に化学結合が生じ、両者の間に強固な結合が得られる。
第２の金属パターンの表面は軟化状態の封止部材とぬれ性がよい材料とすることが好ましい。かかる材料としてＮｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｕ若しくはこれらの合金の少なくとも1種をあげることができる。
基板表面と封止部材とを接合する第２の金属パターンは基板表面においてできる限り大面積に形成されることが好ましい。
【００１９】
封止部材（熱膨張係数：小）及び無機材料基板（熱膨張係数：大）の各熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有する材料により基板表面において大面積を占めるべき第２の金属パターンを形成することが好ましい。これにより封止部材と無機材料基板の各熱膨張係数の差異が緩和される。封止部材で光学素子を被覆する際の高温状態からこれを常温まで冷却すると、封止部材と無機材料基板とは夫々の熱膨張係数に応じて収縮するが、両者の熱膨張係数の差異が大きいと基板が変形したり、また基板から封止部材が剥離するおそれがある。両者の間にその中間の熱膨張係数を有する第２の金属パターンを介在させることにより、両者の熱膨張係数の差異に基づくストレスが緩和される。
封止部材を低融点ガラスとし、基板をＡｌＮとしたときの各熱膨張係数は低融点ガラス：１７．３×１０−６／℃  、ＡｌＮ：４．５×１０−６／℃である。この場合、Ｎｉ（熱膨張係数：１２．８×１０−６／℃）が中間値を有し、これらの金属パターンの形成材料として採用することが好ましい。
基板の熱変形量を小さくする見地から、基板の光学素子マウント面（表面）へ広範囲に当該第２の金属パターンを形成することが好ましい。更には基板の裏面にも広範囲に同一若しくは同種の材料からなる金属パターンを形成して、基板の熱変形量をより抑制することが更に好ましい。
【００２０】
基板表面の金属パターンの材料を基板の裏面まで延ばして形成するには、基板にスルーホール（ビアホール）を設けてそこへ金属パターンの材料を通すことにより基板表面とパターンと基板裏面のパターンとを連結させることができる。電気端子が基板の光学素子がマウントされる面からその裏面側に引き出されているため、特に基板の光学素子がマウントされる面側に電気端子のための光学素子の封止部材で覆われない箇所を設ける必要がなく、全面を板状の封止部材で封止することができる。このため、量産性の優れたものとすることができる。尚この際、基板には貫通孔がないものとすれば、光学素子がマウントされる面側の光学素子の封止部材がその裏面側へ出ることがない。また、当該スルーホールを光学素子のマウント位置に形成すると、光学素子の熱がスルーホール内の金属パターン材料を通して外部放出できる。これにより放熱効率が向上し、特に発熱量の大きなIII族窒化物系化合物半導体発光素子にとって好適なものとなる。
【００２１】
第１及び第２の金属パターンの形成方法は特に限定されるものではないが、実施例では無機材料基板へＷのペーストをスクリーン印刷し、更にこれを焼成してＷの金属パターンを無機材料基板に形成した。このＷ層にＮｉ層を鍍金してＷ＼Ｎｉからなる金属パターンを形成し、加熱処理する。Ｗ＼Ｎｉ＼Ａｇは、鍍金したＮｉ層へ更にＡｇを鍍金する。
これら金属層をスパッタ法その他の周知の方法で形成することもできる。
複雑かつ正確なパターン形状の要求されない基板の裏面にはＣｕ箔のような金属薄膜を接着することもできる。
【００２２】
（封止部材）
無機系の封止部材は光学素子の受発光波長に対して透明であり、光学素子を保護できるものであれば特に限定されないが、光学素子の耐熱温度が６００℃程度であることを考えれば、それより低い融点（軟化点）を有する低融点ガラスを採用することが好ましい。
かかる低融点ガラスとして、鉛ガラスやカルコゲン化物ガラスの他、ＳｉＯ２−Ｎｂ２Ｏ５系、Ｂ２Ｏ３−Ｆ系、Ｐ２Ｏ５−Ｆ系、Ｐ２Ｏ５−ＺｎＯ系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｌａ２Ｏ３系若しくはＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系のガラスを採用することができる。これらの低融点ガラスはいずれも３５０〜６００℃においてプレス成形が可能である。
封止部材には蛍光材料を分散することもできる。かかる蛍光材料として無機系の蛍光材料の粉体を用い、これを低融点ガラス中に混合することができる。また、低融点ガラス中に希土類イオンをドープすることによりこれを蛍光させることも可能である。発光素子と蛍光材料とを適宜組合せることにより、白色光をはじめとして任意の発光色を得ることができる。
【００２３】
この封止部材と光学素子との組合せにおいて、封止部材のアッベ数を４０以下、その屈折率を１．６以上とし、かつ光学素子の受発光波長を５４６．１ｎｍ（Ｎａのｅ線の波長）以下とすることが好ましい。即ち、高屈折材料内で発光される光の外部量子効率は、発光される光の波長に対する封止材料の屈折率が高い方が有利である。光学材料の屈折率はＮａのｄ線によって定義されるが、一般に短波長ほどその屈折率は高くなり、光の波長に対する屈折率の変化の度合いがアッベ数で示される。特に従来の樹脂封止で問題となる短波長発光の発光素子において、Ｎａのｄ線における高屈折率で、かつ、波長に対する屈折率変化の大きい材料選択を行うことにより樹脂黄変による光出力低下を防ぐことができることに加え、実質、短波長光に対し、屈折率の高い材料による封止を実現でき、高い外部量子効率を得ることができる。
かかる光学特性を有する低融点ガラスとしてＳｉＯ２−Ｎｂ２Ｏ５系ガラスを挙げることができ、なかでもＳｉＯ２−Ｎｂ２Ｏ５−Ｎａ２Ｏガラスが好ましい。
【００２４】
板状の低融点ガラスからなる封止部材を光学素子へ重ねてこれが軟化するように加熱することにより、発光素子を封止部材で囲繞することができる。封止部材と光学素子との間に空気が入り込まないように、この加熱は減圧雰囲気下で行うことが好ましい。この加熱により、低融点ガラスと第２の金属パターンとの界面において化学反応が生じて両者が強固に接着される。
光学素子へ重ねられた軟化状態の封止部材へ凹凸を形成することができる。例えば、無機材料基板の分割ラインにそって封止部材に凹部（薄肉部）を設けることにより分割作業が容易になる。またこれにより、封止部材はチップに対応する凸部と分割ラインに沿った凹部とが細かく格子状に形成される。よって、熱変形が凹凸形成前の板状のサイズに相当するのではなく、細かい格子状のサイズに相当するものとなるので、封止部材の熱変形を小さくすることができ、封止部材と基板との間に大きな熱膨張係数の差があったとしても、基板−封止部材間の剥離が生じないものとすることができ、更には基板の反りの問題を緩和することができる。
【００２５】
封止部材の凸部はこれを凸レンズ状に形成することにより、発光素子からの光を光軸方向へ集中することができる。また、外部からの光を受光素子に対して集中することができる。この場合、封止部材の材料として高屈折率の材料を用いることが好ましい。
【００２６】
軟化状態の封止部材を光学素子へ貼り合わせるときは減圧状態で行うことが好ましい。封止部材の内部に空気が閉じ込められることを防止するためである。封止部材の凹凸は板状の封止部材を光学素子へ張り合わせた後、封止部材が軟化状態を維持している間に若しくは再加熱して封止部材を軟化させて、プレス成形により形成可能である。
【００２７】
【実施例】
以下、この発明を実施例により説明する。
（第１実施例）
この実施例では光学素子として図１に示すフリップチップタイプのIII族窒化物系化合物半導体発光素子１０を用いた。この発光素子は青色系の光を放出する。
発光素子１０の各層のスペックは次の通りである。
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【００２８】
基板１１の上にはバッファ層１２を介してｎ型不純物としてＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型層１３を形成する。ここで、基板１１にはサファイアを用いたがこれに限定されることはなく、サファイア、スピネル、炭化シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、ジルコニウムボライド、III族窒化物系化合物半導体単結晶等を用いることができる。さらにバッファ層はＡｌＮを用いてＭＯＣＶＤ法で形成されるがこれに限定されることはなく、材料としてはＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮ等を用いることができ、製法としては分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体を基板として用いた場合は、当該バッファ層を省略することができる。
さらに基板とバッファ層は半導体素子形成後に、必要に応じて、除去することもできる。
ここでｎ型層１３はＧａＮで形成したが、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ若しくはＡｌＩｎＧａＮを用いることができる。
また、ｎ型層１３はｎ型不純物としてＳｉをドープしたが、このほかにｎ型不純物として、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いることもできる。
発光する層を含む層１４は量子井戸構造（多重量子井戸構造、若しくは単一量子井戸構造）を含んでいてもよく、また発光素子の構造としてはシングルへテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどでもよい。
【００２９】
発光する層を含む層１４はｐ型層１５の側にＭｇ等をドープしたバンドギャップの広いIII族窒化物系化合物半導体層を含むこともできる。これは発光する層を含む層１４中に注入された電子がｐ型層１５に拡散するのを効果的に防止するためである。
発光する層を含む層１４の上にｐ型不純物としてＭｇをドープしたＧａＮからなるｐ型層１５を形成する。このｐ型層１５はＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ又はＩｎＡｌＧａＮとすることもできる、また、ｐ型不純物としてはＺｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いることもできる。ｐ型不純物の導入後に、電子線照射、炉による加熱、プラズマ照射等の周知の方法により低抵抗化することも可能である。
上記構成の発光素子において、各III族窒化物系化合物半導体層は一般的な条件でＭＯＣＶＤを実行して形成するか、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法等の方法で形成することもできる。
【００３０】
ｎ電極１８はＡｌとＶの２層で構成され、ｐ型層１５を形成した後にｐ型層１５、発光する層を含む層１４、及びｎ型層１３の一部をエッチングにより除去することにより表出したｎ型層１３上に蒸着で形成される。
ｐ電極１６は蒸着によりｐ型層１５の上に積層される。以上の工程により各層及び各電極を形成した後、各チップの分離工程を行う。
【００３１】
次に、この発光素子１０をマウントする無機材料基板を準備する。
実施例の無機材料基板２１のベース材料はＡｌＮであり、その上下面に金属パターン２３、２４が形成されている。上面側のパターン２３は、図２に示すとおり、第１の金属パターン２５ｎ、２５ｐと第２の金属パターン２６から構成される。第１の金属パターン２５ｎは光学素子１０のｎ電極１８にＡｕバンプ２７を介して連結され、第１の金属パターン２５ｐは光学素子のｐ電極１６にＡｕバンプ２８を介して連結される。第１の金属パターン２５ｎは、図３に示すように、無機材料基板２１のベース材料に穿設されたスルーホール３１を介して基板裏面の金属パターン２４ｎに電気的に結合されている。同様に、第１の金属パターン２５ｐはスルーホール３２を介して基板裏面の金属パターン２４ｐに電気的に結合されている。各スルーホール３１、３２は、図４（図３の要部拡大図）に示すように、めっきによるＣｕで充填されている。
第２の金属パターン２６は、第１の金属パターン２５ｎ、２５ｐから離隔してかつこれらを取り囲む環状領域に形成されている。
裏面側の金属パターン２４ｎ及び２４ｐは、図５に示すように、できる限り大面積に形成することが好ましい。このように封止部材と基板との中間の熱膨張係数有する金属材料からなる大面積のパターンを基板２１の裏面へ結合することにより、熱履歴を加えたときの基板２１の変形量を封止部材２９の変形量により近いものとすることができる。これにより、基板２１の反りや封止部材−基板間の剥離をより確実に防止できることとなる。
【００３２】
各金属パターンは次のようにして形成される。まず、スクリーン印刷などにより貫通孔が形成された焼成前の無機材料基板２１の両面及びスルーホールを形成する貫通孔にＷを含むペーストを塗布する。その後、１５００℃を越える温度でＡｌＮを焼結するとともにペーストのＷを基板２１へ焼き付ける。これにより、Ｗと基板とが強固に結合される。このＷをスパッタリングで形成することも可能である。また、Ｗの代わりにＭｏ、などの高融点金属を用いてもよい。
【００３３】
次に、Ｗパターンの上にＮｉ層をめっき法により形成し、さらにほぼ７００℃で加熱してＮｉとＷとを反応させる。これにより、ＡｌＮ基板２１の上に金属パターンが強固に接合される。
Ｎｉは無機系光透過性材料からなる封止部材と強く化学結合する。また、軟化状態の封止部材の無機系材料はＮｉに対してぬれが良いので、当該封止部材の材料が第２の電極パターンの全面に接触して気泡の発生を防止し、かつ両者の間に強い結合力が得られる。
第１の金属パターン２５ｎ、２５ｐにおいては、Ｎｉ層の上にＡｕバンプによるボンディングを良好に行うことができ、かつ高反射率のＡｇ層を形成することが好ましい。尚、発光素子が底面に反射面を形成したものであればＡｕバンプによるボンディング性のみを考慮すればよく、例えば青色発光の発光素子に対し、Ｎｉ層の上にＡｕ層を形成したものであってもよい。
第１の金属パターン２５ｎ、２５ｐの真下の位置にスルーホール３１、３２が形成されているので、当該スルーホール内の金属材料を介して、光学素子１０の熱を効率よく外部（基板２１の裏面）へ放出することができる。
【００３４】
次に、図３に示すように、Ａｕバンプ２７、２８により発光素子１０を所定の位置にマウントする。なお、バンプ２７は発光素子１０のｎ電極１８に連結され、バンプ２８は発光素子１０のｐ電極１６に連結される。図２の状態で発光素子１０は第１の金属パターン２５ｎ及び２５ｐでとり囲まれた状態となる。
【００３５】
次に、図３に示すとおり、基板２１の表面側に封止部材となる板状の低融点ガラスを重ね、これを減圧雰囲気下において加熱して融着させ、発光素子１０を封止する。これにより、金属パターン表面のＮｉと低融点ガラス３９とが、Ｎｉ表面の酸化物を介して、化学的に結合し、強固に結合する。また、封止時の残留気泡発生を防ぐことができる。
板状の低融点ガラスが軟化したときにプレス加工をしてそれに凹凸を形成することが好ましい。封止部材３９の凹部を基板２１の分割線３７（ノッチ）に一致させることで基板の分割作業が容易になる。封止部材３９の凸部はレンズ形状として、光取り出し効率を向上させることが好ましい。
【００３６】
上記一連の製造工程において、発光素子１０と第１の金属パターン２５ｎ、２５ｐとは加工温度より融点の高い金バンプ２７、２８で連結されているので、封止温度でバンプ２７、２８が軟化することはない。よって、封止作業において発光素子に力がかかったとしても、発光素子１０が規定の位置からずれることがない。また、発光素子１０としてフリップチップタイプのものを採用することにより、ボンディングワイヤが省略されるので、この点においても機械的に安定している。よって、かかる構成の光デバイスは量産工程に適したものといえる。
【００３７】
更に、金属パターンの膜厚の大部分を占めるＮｉ層の熱膨張係数は１２．８×１０−６／℃であり、ＡｌＮの熱膨張係数（４．５×１０−６／℃）と低融点ガラス３９の熱膨張係数（１７．３×１０−６／℃）の中間値をとる。
このように、金属パターンを無機系の封止部材３９と無機材料基板２１との間に介在させることにより、封止部材３９と基板２１とを強固に結合することに加え、封止部材３９と基板２１の各熱膨張係数の差に起因する応力を緩和させることができる。よって、基板２１に反りやクラックが生じたりまた封止部材３９と基板２１とが剥離する不具合を確実に防止することができる。
最後に、基板２１を分割線３７において分割して実施例の光デバイスを得る。
【００３８】
図６〜図９にこの実施例の変形態様を示す。図６〜図９において、図２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
図５の光デバイスでは、第２の金属パターン４１が矩形の環状である。
図６の光デバイスでは、第２の金属パターン４３を非連続体とした。
【００３９】
図８に示す例では、フリップチップタイプの発光素子の基板としてサファイア基板の代わりにＧａＮ基板１１ａ若しくはＳｉＣを採用した。かかる素子用基板はサファイア基板より高屈折率を有するので、これと高屈折率の封止部材（低融点ガラスなど）とを組み合わせることにより、光取り出し効率を向上させることができる。
ＧａＮ基板１１ａの周縁部を面取りすることにより、光学素子１０からの光取出し効率が更に向上する。
また、図８の例では、無機材料基板５１のベース材料としてＡｌＮより熱膨張係数が大きく安価なＡｌ２Ｏ３（熱膨張係数：６．７×１０−６）を採用した。
【００４０】
図９に示す例では、無機材料基板６１のベース材料としてガラスを含有したＡｌ２Ｏ３を採用した。そして、Ｃｕ箔を基板６１の全面へ接着した。貫通孔３１及び３２内はめっきによりＣｕを充填した。かかる無機材料基板６１を１０００℃に加熱すると、ＣｕとＡｌ２Ｏ３が化学結合する。ガラスを含有したＡｌ２Ｏ３基板の裏面へ広範囲にガラスと同等の熱膨張率であるＣｕ層を形成することにより、基板の反りや封止部材−基板間の剥離の問題を防止できる。
【００４２】
第1の金属パターンと第2の金属パターンとは同一の下地（Ｃｕ箔）とし、発光素子をマウントするエリア２５ｎ、２５ｐのみＡｇやＡｕめっきを施すことで形成されている。これは、第2の金属パターンエリアをマスキングすることにより、容易に形成できる。
尚、例えば同一の下地Ｃｕ箔にＮｉめっきし、青色発光素子に対し第2の金属パターンの反射層としてもよい。このように第1の金属パターン２５ｎ、２５ｐと第2の金属パターン２６とは分離されていなくてもかまわない。
【００４１】
（第２実施例）
図１０にこの実施例の光デバイスを示した。この実施例に用いられる発光素子１００は上下に電極を有すタイプであり、その結果、ボンディングワイヤ１０１が必要となる。
ＡｌＮからなる無機材料基板１１０にはスルーホール１１１が形成され、このスルーホール１１１はめっきによりＣｕが充填されている。基板１１０の両面には広範囲にＷ＼Ｎｉからなる金属パターンが形成されている。この金属パターンの形成方法は実施例１と同様である。
熱の取出し効率を向上させる見地から、スルーホール１１１の上の第１の金属パターン１１３ａに発光素子１００の一方の電極をマウントする。他方の電極からはボンディングワイヤ１０１が引き出されて、第２の金属パターン１１３ｂへボンディングされる。
【００４２】
他方、低融点ガラスからなる板状のスペーサ１２０を準備する。このスペーサ１２０には発光素子１００及びボンディングワイヤ１０１を通す穴が形成されており、これらと何ら干渉することなくスペーサ１２０を基板１１０へ重ね合わせることができる（図１０の状態）。この状態で低融点ガラスからなる封止部材１３０を取り付ける。このとき封止部材の材料によりボンディングワイヤ１０１が変形されるおそれがあるが、その変形はスペーサ１２０より規制される。よって、ボンディングワイヤ１０１の切断や短絡を未然に防止することができる。
なお、ボンディングワイヤ１０１を保護する見地から、スペーサ１２０はボンディングワイヤ１０１の下側まで回りこんでいることが好ましい。
【００４３】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明の実施例の光学素子の構造を示す断面図である。
【図２】図２は第１の実施例の光デバイスの平面図である。
【図３】図３は図２におけるIII-III線断面図である。
【図４】図４は図３における要部拡大図である。
【図５】図５は実施例の光デバイスの底面図である。
【図６】図６は他の実施例の光デバイスの構成を示す図である。
【図７】図７は他の実施例の光デバイスの構成を示す図である。
【図８】図８は他の実施例の光デバイスの構成を示す図である。
【図９】図９は他の実施例の光デバイスの構成を示す図である。
【図１０】図１０は他の実施例の光デバイスの構成を示す図である。
【符号の説明】
１０  光学素子
２１  ５１、６１、１１０  無機材料基板
２５ｎ、２５ｐ  第１の金属パターン
２６  第２の金属パターン
２７、２８  Ａｕバンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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