(57)【要約】【課題】ガラスの着色を抑制することのできる発光装置の製造方法を提供する。【解決手段】発光素子２を素子実装基板３に実装し、素子実装基板３上の発光素子２を加熱されたガラス５１により封止する発光装置の製造方法において、発光素子２の封止は、酸素含有の不活性ガスの雰囲気にて行うようにし、封止時におけるガラス５１の還元作用を抑制した。【選択図】図４
2011146546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子を素子実装基板に実装し、素子実装基板上の発光素子を加熱されたガラスにより封止する発光装置の製造方法において、
前記発光素子の封止は、酸素含有の不活性ガスの雰囲気にて行う発光装置の製造方法。
【請求項２】
前記ガラスは、ＺｎＯ系ガラス、Ｂｉ２Ｏ３系ガラス、Ｐ２Ｏ５系ガラス、Ｎｂ２Ｏ５系ガラス、ＧｅＯ２系ガラス、Ｇａ２Ｏ３系ガラス、Ｙ２Ｏ３系ガラス、Ｌａ２Ｏ３系ガラス、Ｇｄ２Ｏ３系ガラス、又は、Ｔａ２Ｏ５系ガラスである請求項１に記載の発光装置の製造方法。
【請求項３】
前記素子実装基板は、多結晶セラミック材料からなる請求項１または２に記載の発光装置の製造方法。
【請求項４】
前記ガラスは、拡散粒子を含む請求項１から３のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。
【請求項５】
前記発光素子の封止を、大気圧よりも減圧した雰囲気にて行う請求項１から４のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。
【請求項６】
耐酸化材料からなる金型を用いたホットプレス加工により、前記発光素子を前記ガラスにより封止する請求項１から５のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。
【請求項７】
粉末状のガラスを溶解固化して前記発光素子を封止する請求項１から６のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。
【請求項８】
前記発光素子は、III族窒化物半導体からなるｎ型層、発光層、p型クラッド層、p型コンタクト層を成長させて作製され、
前記ｐ型コンタクト層の形成を、１０００℃以上の成長温度で行う請求項１から７のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。
【請求項９】
前記発光素子は、III族窒化物半導体からなるｎ型層、発光層、p型クラッド層、p型コンタクト層を成長させて作製され、
前記ｐ型コンタクト層の形成を、発光層の成長温度より高く、１０００℃未満の成長温度で行う請求項１から７のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。
【請求項１０】
前記発光素子は、III族窒化物半導体からなるｎ型層、発光層、p型クラッド層、p型コンタクト層を成長させて作製され、
前記ｐ型コンタクト層を、Ｍｇ濃度が２×１０１９以上８×１０１９／ｃｍ３以下となるよう形成する請求項１から９のいずれか１項に記載の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、III族窒化物半導体の発光素子をガラスにより封止した発光装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物半導体の発光素子を封止する部材として、エポキシ等の樹脂に代えてガラスを用いた発光装置が特許文献１及び２に開示されている。封止材としてガラスを用いると、封止材と発光素子との熱膨張率差を小さくすることができ、発光装置の寿命を長くすることができる。特許文献１及び２では、窒素雰囲気にてガラスを加熱して発光素子を封止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００４／８２０３６号
【特許文献２】特開２００６−１５６６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、窒素雰囲気でガラス封止を行うと、高温での還元作用により、ガラス表面から酸素成分が抜けて、ガラス表面やガラスと素子実装基板との接合部などに着色が生じる現象が生じることがある。ガラスが着色すると、発光装置の光取り出し効率が低下してしまう。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ガラスの着色を抑制することのできる発光装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、発光素子を素子実装基板に実装し、素子実装基板上の発光素子を加熱されたガラスにより封止する発光装置の製造方法において、前記発光素子の封止は、酸素含有の不活性ガスの雰囲気にて行う発光装置の製造方法が提供される。
【０００７】
上記発光装置の製造方法において、前記ガラスは、ＺｎＯ系ガラス、Ｂｉ２Ｏ３系ガラス、Ｐ２Ｏ５系ガラス、Ｎｂ２Ｏ５系ガラス、ＧｅＯ２系ガラス、Ｇａ２Ｏ３系ガラス、Ｙ２Ｏ３系ガラス、Ｌａ２Ｏ３系ガラス、Ｇｄ２Ｏ３系ガラス、又は、Ｔａ２Ｏ５系ガラスであってもよい。
【０００８】
上記発光装置の製造方法において、前記素子実装基板は、多結晶セラミック材料からなってもよい。
【０００９】
上記発光装置の製造方法において、前記ガラスは、拡散粒子を含んでもよい。
【００１０】
上記発光装置の製造方法において、耐酸化材料からなる金型を用いたホットプレス加工により、前記発光素子を前記ガラスにより封止してもよい。
【００１１】
上記発光装置の製造方法において、粉末状のガラスを溶解固化して前記発光素子を封止してもよい。
【００１２】
上記発光装置の製造方法において、前記発光素子は、III族窒化物半導体からなるｎ型層、発光層、p型クラッド層、p型コンタクト層を成長させて作製され、前記ｐ型コンタクト層の形成を、１０００℃以上の成長温度で行ってもよい。
【００１３】
上記発光装置の製造方法において、前記発光素子は、III族窒化物半導体からなるｎ型層、発光層、p型クラッド層、p型コンタクト層を成長させて作製され、前記ｐ型コンタクト層の形成を、発光層の成長温度より高く、１０００℃未満の成長温度で行ってもよい。
【００１４】
上記発光装置の製造方法において、前記発光素子は、III族窒化物半導体からなるｎ型層、発光層、p型クラッド層、p型コンタクト層を成長させて作製され、前記ｐ型コンタクト層を、Ｍｇ濃度が２×１０１９以上８×１０１９／ｃｍ３以下となるよう形成してもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ガラス封止後におけるガラスの着色を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の一実施形態を示す発光装置の断面説明図である。
【図２】図２は、ＬＥＤ素子の構成説明図である。
【図３】図３は、ＬＥＤ素子の作製状態の説明図であって、（ａ）は基板上に半導体層を形成した状態を示し、（ｂ）は透明電極を形成した状態を示し、（ｃ）はｐパッド電極及びｎ電極を形成した状態を示す。
【図４】図４は、ガラス封止前の状態を示す発光装置の製造方法の説明図である。
【図５】図５は、ガラス封止後の状態を示す発光装置の製造方法の説明図である。
【図６】図６は、変形例を示すものであり、ガラス封止前の状態を示す発光装置の製造方法の説明図である。
【図７】図７は、変形例を示すものであり、ガラス封止後の状態を示す発光装置の製造方法の説明図である。
【図８】図８は、変形例を示すものであり、ガラス封止前の状態を示す発光装置の製造方法の説明図である。
【図９】図９は、変形例を示すものであり、ガラス封止後の状態を示す発光装置の製造方法の説明図である。
【図１０】図１０は、ガラス封止時の酸素濃度と、ガラス封止前後におけるＬＥＤ素子の駆動電圧の差との関係を示すグラフである。
【図１１】図１１は、ガラス封止後におけるＬＥＤ素子の第１ｐ型コンタクト層及び第２ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度と、２０ｍＡ通電時のガラス封止前及びガラス封止後のＬＥＤ素子における駆動電圧の差との関係を示すグラフである。
【図１２】図１２は、ガラス封止前におけるＬＥＤ素子の第１ｐ型コンタクト層及び第２ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度と、２０ｍＡ通電時のＬＥＤ素子における駆動電圧との関係を示すグラフである。
【図１３】図１３は、各ｐ型コンタクト層の成長温度と、熱処理による駆動電圧上昇との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１から図５は本発明の一実施形態を示し、図１は発光装置の断面説明図である。
【００１８】
図１に示すように、発光装置１は、フリップチップ型のIII族窒化物半導体からなるＬＥＤ素子２と、ＬＥＤ素子２を搭載する素子実装基板３と、ＬＥＤ素子２を封止するとともに素子実装基板３と接着される無機封止部としてのガラス封止部５とを有する。ここで、III族窒化物半導体とは、一般式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるものである。回路パターン４が形成される素子実装基板３は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の多結晶焼結材料からなり、厚さ０．２５ｍｍで１．０ｍｍ角に形成されている。また、ＬＥＤ素子３２は、厚さ１００μｍで３４６μｍ角に形成されている。この発光装置１は、ＬＥＤ素子２に電圧が印加されると、ＬＥＤ素子２から青色光が発せられ、この青色光はガラス封止部５から外部へ放射される。
【００１９】
素子実装基板３は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の多結晶焼結材料からなり、厚さ０．２５ｍｍで１．０ｍｍ角に形成されており、熱膨張率αが７×１０−６／℃である。また、ＬＥＤ素子２は、厚さ１００μｍで３４６μｍ角に形成されており、熱膨張率は７×１０−６／℃である。ここで、ＬＥＤ素子２のＧａＮ層の熱膨張率は５×１０−６／℃であるが、大部分を占めるサファイアからなる成長基板の熱膨張率が７×１０−６／℃であるため、ＬＥＤ素子２本体の熱膨張率は成長基板の熱膨張率と同等となっている。
【００２０】
回路パターン４は、素子実装基板３のビアホール６に形成されるビアパターン４１と、素子実装基板３の表面に形成されＬＥＤ素子２と電気的に接続される表面パターン４２と、素子実装基板３の裏面に形成され外部端子と接続可能な裏面パターン４３と、を連続的に有している。ビアパターン４１はＷから構成することができ、表面パターン４２及び裏面パターン４３は例えば、Ｗ層、Ｎｉ層及びＡｕ層の３層構造とすることができる各ビアホール６は、素子実装基板３の中央に搭載されたＬＥＤ素子２を、平面視にて挟むよう配置される。本実施形態においては、２つのビアホール６が、素子実装基板３の一辺と平行な方向（対辺方向）において、ＬＥＤ素子２を挟むよう配置されている。
【００２１】
図２は、ＬＥＤ素子２の構成説明図である。
図２に示すように、ＬＥＤ素子２は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）からなる基板２０の表面に、III族窒化物系半導体をエピタキシャル成長させることにより、バッファ層２１と、ｎ型コンタクト層２２と、ｎ型ＥＳＤ層２３と、ｎ型クラッド層２４と、ＭＱＷ層２５と、ｐ型クラッド層２６と、第１ｐ型コンタクト層２７と、第２ｐ型コンタクト層２８と、がこの順で形成されている。また、ＬＥＤ素子２は、第２ｐ型コンタクト層２７上に設けられる透明電極１１と、透明電極１１上に形成されるｐパッド電極１２と、を有する。さらに、ＬＥＤ素子２は、第２ｐ型コンタクト層２７からｎ型コンタクト層２２にわたって一部をエッチングすることにより露出したｎ型コンタクト層２２に形成されるｎ電極１３を有する。さらにまた、ＬＥＤ素子２の上面は、ｐパッド電極１２及びｎ電極１３の外縁を除いて、保護膜１４により覆われている。ｐパッド電極１２及びｎ電極１３は、バンプ７を介して回路パターン４の表面パターン４１と電気的に接続される。
【００２２】
本実施形態においては、バッファ層２１はＡｌＮからなり、ｎ型コンタクト層２２はｎ＋−ＧａＮからなり、ｎ型ＥＳＤ層２３はＧａＮ／ｎ−ＧａＮで構成される。また、ｎ型クラッド層２４はＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ｎ−ＧａＮを繰り返し積層することにより構成され、ＭＱＷ層２５はＩｎＧａＮ／ＧａＮを繰り返し積層することにより構成され、ｐ型クラッド層２６はｐ−ＩｎＧａＮ／ｐ−ＡｌＧａＮを繰り返し積層することにより構成される。第１及び第２ｐ型コンタクト層２７，２８はｐ−ＧａＮからなり、第２ｐ型コンタクト層２８のＭｇ濃度は第１ｐ型コンタクト層２７の１．５倍以上３倍以下となっている。ここで、第１ｐ型コンタクト層２７の厚さは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、第２ｐ型コンタクト層２８の厚さは５ｎｍ以上１５ｎｍ以下とすることが望ましい。また、透明電極１１はＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなり、ｐパッド電極１２はＮｉ／Ａｕからなり、ｎ電極１３はＮｉ／Ａｕ、Ａｌ等からなる。
【００２３】
ガラス封止部５は、ＬＥＤ素子２とともに素子実装基板３におけるＬＥＤ素子２の搭載面側を覆い、厚さが０．６ｍｍとなっている。ガラス封止部５は、素子実装基板３３と平行な上面５ａと、上面５ａの外縁から下方へ延び素子実装基板３と垂直な側面５ｂと、を有している。本実施形態におていは、ガラス封止部５は、例えばＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２系のガラスであり、屈折率が１．７となっている。尚、ガラスの組成はこれに限定されるものではなく、例えば、ガラスは、高屈折率とするためＮｂ２Ｏ５を含んでもよいし、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等を含んでいてもよく、低融点化のためにＮａ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ等を含有していてもよい。さらに、任意成分としてＺｒＯ２、ＴｉＯ２等を含んでいてもよい。また、ガラスには、ＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet)、珪酸系、窒化物系、硫化物系などの蛍光体粒子や、結晶物による拡散粒子を含ませることができる。尚、蛍光体粒子も拡散作用を有することから、拡散粒子ということができる。また、このガラスは、加熱によって素子実装基板３に融着された熱融着ガラスであり、ゾルゲル反応を利用して形成されたガラスと異なっている。尚、ガラスの組成及び屈折率はこれらに限定されるものではない。
【００２４】
この発光装置１は以下の工程を経て製造される。
ＬＥＤ素子２の作製にあたり、まず基板２０を用意する。そして、図３（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、基板２０上にバッファ層２１、ｎ型コンタクト層２２、ｎ型ＥＳＤ層２３、ｎ型クラッド層２４、ＭＱＷ層２５、ｐ型クラッド層２６、第１ｐ型コンタクト層２７及び第２ｐ型コンタクト層２８を順に積層する。原料ガスには、Ｇａ源としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｌ源としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｉｎ源としてＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｎ源としてアンモニア、ｎ型ドーパントのＳｉ源としてシラン、及び、ｐ型ドーパントのＭｇ源としてＣｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いることができる。ＬＥＤ素子２の第１ｐ型コンタクト層２７及び第２ｐ型コンタクト層２８は、成長温度が７８０℃以上１０００℃以下で、Ｍｇ濃度を２×１０１９以上８×１０１９以下として形成される。具体的に、成長温度は、ｎ型ＥＳＤ層２３が８４０℃以上９００℃以下、ｎ型クラッド層２４が８００℃以上９００℃以下、ＭＱＷ層２５が７７０℃以上９００℃以下、ｐ型クラッド層２６が８００℃以上９００℃以下とすることができる。
【００２５】
次いで、図３（ｂ）に示すように、第２ｐ型コンタクト層２８上にＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を４２０℃以上４６０℃以下で蒸着させ、酸素雰囲気で６４０℃以上６９０℃以下で焼成し、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングにより所定の形状として透明電極１１を形成する。本実施形態においては、透明電極１１の蒸着及び焼成の工程でｐ型不純物が活性化されるが、透明電極１１の蒸着前に熱処理を行ってｐ型不純物を活性化させてもよい。
【００２６】
この後、図３（ｃ）に示すように、透明電極１１上に所定形状のマスクを形成してＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）エッチングを行い、ｎ型コンタクト層２２を露出させる。そして、透明電極１１上にｐパッド電極１２を、エッチングにより露出したｎ型コンタクト層２２上にｎ電極１３をそれぞれ形成して、アロイ処理を行う。この後、III族窒化物半導体層の上面におけるｐパッド電極１２及びｎ電極１３の外縁部分以外に保護膜１４を形成し、ダイシングによって個々のＬＥＤ素子２に分離する。以上の工程により、ＬＥＤ素子２が作製される。
【００２７】
また、ガラス封止部５をなす封止前ガラス５１の作製にあたっては、ガラス成分の酸化物粉末を１２００℃に加熱し、溶融状態で撹拌する。そして、ガラスを固化した後、ガラス封止部５の厚さに対応するようスライスして封止前ガラス５１を板状に加工する。尚、封止前ガラス５１に、各ＬＥＤ素子２に対応する凹部を形成してもよい。
【００２８】
一方、平板状の素子実装基板３に回路パターン４を形成する。例えば、回路パターン４は、金属ペーストをスクリーン印刷し、素子実装基板３を所定温度（例えば１０００℃以上）で熱処理することにより当該金属を素子実装基板３に焼き付けた後、当該金属に他の金属のめっきを施すことにより形成することができる。
【００２９】
この後、複数のＬＥＤ素子２を縦及び横について等間隔で素子実装基板３に、バンプ７を介したフリップチップ接続で実装する。尚、素子実装基板３の回路パターン４は、金属ペーストの熱処理で形成したもののみでもよいし、金属スパッタの後に金属めっきを施したものなど、他の方法で形成することもできる。
【００３０】
そして、図４に示すように、各ＬＥＤ素子２が搭載された素子実装基板３を下金型９１にセットし、上金型９２を素子実装基板３の搭載面と対向して配置し、素子実装基板３と上金型９２の間に各ＬＥＤ素子２の搭載領域が覆われるように封止前ガラス５１を配置する。ここで、下金型９１及び上金型９２は、少なくとも表面が耐酸化材料からなり、酸化雰囲気で加熱されても酸化しない。耐酸化材料としては、例えば、ステンレスやタングステンカーバイドを母材とし、表面に、白金、金、ロジウムなどの不活性金属、チタン系窒化物（例えば、ＴｉＮ系、ＴｉＡｌＮ系、ＴｉＣＮ系等）、クロム系窒化物（例えば、ＣｒＮ系等）、ＴａＣ等の化合物コーティングを施したものを例示することができる。
【００３１】
尚、耐酸化材料による表面コートがない場合、発光装置の製造ができないわけはないが、上金型の酸化が進行すると、酸素化合物を介してのガラスとの化学結合が生じやすくなってゆき、表面が粗面化されてゆく。やがて、上金型にガラスが接合されて離型できなくなることから、量産には適していない。
【００３２】
この後、図５に示すように、下金型９１及び上金型９２を加圧し、酸素含有の窒素雰囲気中で加熱によって軟化したガラス材のホットプレス加工を行う。このとき、加工後のガラス材中の気泡残留を防止するため、雰囲気は３８０Ｔｏｒｒ以下で効果があり、７６Ｔｏｒｒ以下が望ましい。また、酸素が含有される雰囲気は、窒素に限定されないが、ＬＥＤ素子２及び素子実装基板３の酸化を防止するため、不活性ガスとする必要がある。不活性ガス中の酸素の体積％は、２０％以下が好ましく、５％以下がさらに好ましい。
【００３３】
以上の工程で、複数の発光装置１が連結された状態の中間体８０が作製される。この後、ガラス封止部５と一体化された素子実装基板３をダイシング装置にセットして、ダイシングブレードによって、ガラス封止部５及び素子実装基板３を各ＬＥＤ素子２ごとに分割するようダイシングして直方体形状の発光装置１が完成する。
【００３４】
以上のように製造された発光装置１によれば、酸素を含有する雰囲気にてガラス封止を行うようにしたので、還元作用によりガラス封止部５が着色することはなく、ＬＥＤ素子２から発した光が以下の理由によって多重反射した後、発光装置１から外部放射するものであっても、着色による光取り出し効率の低下を抑制することもできる。多重反射は、ＬＥＤ素子１からガラスの臨界角以上の角度でガラスの界面に入射した際、素子実装基板３とガラスとの界面に入射した際（特に素子実装基板３が多結晶材料の場合、ガラス界面形状は結晶粒界の凹凸形状となり平面以上に多重反射回数が増す）、ガラス内に拡散粒子（蛍光体を含む）等が存在し、その影響でガラスの臨界角以上の角度でガラスの界面や素子実装基板３とガラスとの界面に入射した際等に生じる。また、下金型９１及び上金型９２を耐酸化材料としたので、これらが酸化することがなく、金型の酸化による劣化と生産性の低下を防止することができる。
【００３５】
また、酸素を含有する雰囲気にてガラス封止を行うようにしたので、ガラス封止後における駆動電圧の上昇を効果的に抑制することができる。さらに、ＬＥＤ素子２の第１ｐ型コンタクト層２７及び第２ｐ型コンタクト層２８について、Ｍｇ濃度を２×１０１９以上８×１０１９以下とし、成長温度を７８０℃以上１０００℃以下とすることにより、駆動電圧の上昇抑制効果が大きくなる。
【００３６】
尚、上記発光装置１を製造するにあたり、予め複数のＬＥＤ素子２のサンプルを作製しておき、各サンプルの駆動電圧の測定結果に基づいて、各ｐ型コンタクト層２７，２８の成長温度及びＭｇ濃度を設定することができる。以下、この場合の手順について説明する。この場合、各サンプルは、ｐ型コンタクト層２７，２８の成長温度を７８０℃以上１０００℃以下の範囲で変化させるとともに、Ｍｇ濃度を２×１０１９以上８×１０１９以下の範囲で変化させて作製する。そして、作製された各サンプルの初期の駆動電圧を測定しておき、初期の駆動電圧が低く安定し、かつ格子欠陥であるピットが生じていないサンプルの第１ｐ型コンタクト層２７のＭｇ濃度及び成長温度を、標準Ｍｇ濃度及び標準成長温度として決定する。
【００３７】
実際の発光装置１の製造にあたっては、各ｐ型コンタクト層２７，２８の形成工程以外はサンプルと同一の製造工程によってＬＥＤ素子２を作製する。第１ｐ型コンタクト層２７及び第２ｐ型コンタクト層２８の形成については、成長温度を（標準成長温度−５０℃）以上で標準成長温度以下の範囲として、第１ｐ型コンタクト層２７のＭｇ濃度が標準Ｍｇ濃度の０．６倍以上１．０倍以下となるように形成する。
【００３８】
より望ましくは、第１ｐ型コンタクト層２７、第２ｐ型コンタクト層２８の成長温度を臨界成長温度とし、第１ｐ型コンタクト層２７のＭｇ濃度を臨界Ｍｇ濃度となるように形成することである。臨界成長温度とは、上述したＬＥＤ素子２のサンプルの成長温度を上昇させていったときに、ガラス封止による駆動電圧上昇が始まる温度である。また、臨界Ｍｇ濃度とは、上述したＬＥＤ素子２のサンプルのＭｇ濃度を減じていったときに初期の駆動電圧が上昇し始めるＭｇ濃度である。ただし、測定誤差などを考慮して、成長温度は臨界成長温度の０．９倍以上１．１倍以下の範囲、Ｍｇ濃度は臨界Ｍｇ濃度の０．９倍以上１．１倍以下の範囲としてもよい。
【００３９】
また、前記実施形態においては、ガラス粉末から透明な封止前ガラス５１を予め板状に成形しておくものを示したが、例えば図６に示すように、封止前ガラス５２は粉末状であってもよい。図６では、ＬＥＤ素子２を素子実装基板３上に実装した後、粉末状のガラスを素子実装基板３上に充填している。この後、ガラスを加熱してガラスの粉末を軟化させて、図７に示すように、上金型９２でガラスをプレスすることにより、前記実施形態と同様の中間体８０を作製することができる。このように粉末ガラスを用いると、ガラスの表面面積が増すため着色しやすくなるが、上記の減圧雰囲気下でガラス封止を行うことにより、残留気泡を減じて高い透過性を保つことができる。
【００４０】
さらには、例えば図８及び図９に示すように、ガラスをプレスすることなく溶融して固化してもよい。図８では、素子実装基板３の素子搭載面に、各ＬＥＤ素子２を仕切る壁部３１を設けておき、各壁部３１により形成された空間に蛍光体５３の粉末及び封止前ガラス５２の粉末を充填している。そして、封止前ガラス５２を加熱して溶融固化させることにより、図９に示すように、蛍光体５３が分散されたガラス封止部５によりＬＥＤ素子２を封止することができる。
【００４１】
蛍光体５３としては、例えば、ＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet)蛍光体、珪酸塩蛍光体や、ＹＡＧと珪酸塩蛍光体を所定の割合で混合したもの等を用いることができ、青色のＬＥＤ素子２と組み合わせることにより白色光を得ることができる。尚、紫外光を発するＬＥＤ素子と、青色蛍光体、緑色蛍光体、赤色蛍光体の組合せにより白色光を得るようにしてもよい。また、ガラス封止部５に蛍光体５３を含有させずに、ガラス封止部５の表面に蛍光体を塗布したものであってもよいしい。
【００４２】
また、前記実施形態においては、封止ガラスとしてＺｎＯ系ガラスの一種であるＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２系のガラスを例示したが、他のＺｎＯ系ガラスであってもよいし、Ｂｉ２Ｏ３系ガラス、Ｐ２Ｏ５系ガラス、Ｎｂ２Ｏ５系ガラス、ＧｅＯ２系ガラス、Ｇａ２Ｏ３系ガラス、Ｙ２Ｏ３系ガラス、Ｌａ２Ｏ３系ガラス、Ｇｄ２Ｏ３系ガラス、Ｔａ２Ｏ５系ガラス等であっても、前記実施形態と同様の効果を得ることができる。ＺｎＯ系ガラスとしては、ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２系の他、例えば、ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−ＴｅＯ２系、ＺｎＯ−ＳｉＯ−Ｒ２Ｏ系（Ｒ：Ｉ族元素から選ばれる少なくとも１種）等を挙げることができる。Ｂｉ２Ｏ３系ガラスとしては、例えば、Ｂｉ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２系、Ｂｉ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＴｅＯ２系、Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ−Ｒ２Ｏ系（Ｒ：Ｉ族元素から選ばれる少なくとも１種）等を挙げることができる。Ｐ２Ｏ５系ガラスとしては、例えば、Ｐ２Ｏ５−ＺｎＯ系、Ｐ２Ｏ５−Ａｌ２Ｏ３系等を挙げることができる。Ｎｂ２Ｏ５系ガラスとしては、例えば、Ｎｂ２Ｏ５−ＳｉＯ２系等を挙げることができる。
さらに、ＬＥＤ素子２の保護膜１４を省略する構成としてもよい。この場合、駆動電圧の上昇をさらに抑制することができる。
【００４３】
また、前記実施形態においては、素子実装基板３がアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなるものを示したが、アルミナ以外のセラミックから構成するようにしてもよい。ここで、アルミナより熱伝導性に優れる高熱伝導性材料からなるセラミック基板として、例えば、ＢｅＯ（熱膨張率α：７．６×１０−６／℃、熱伝導率：２５０Ｗ／（ｍ・ｋ））を用いても良い。このＢｅＯからなる基板においても封止前ガラスにより良好な封止性を得ることができる。
さらに、他の高熱伝導性基板として、例えばＷ−Ｃｕ基板を用いても良い。Ｗ−Ｃｕ基板としては、Ｗ９０−Ｃｕ１０基板（熱膨張率α：６．５×１０−６／℃、熱伝導率：１８０Ｗ／（ｍ・ｋ））、Ｗ８５−Ｃｕ１５基板（熱膨張率α：７．２×１０−６／℃、熱伝導率：１９０Ｗ／（ｍ・ｋ））を用いることにより、ガラス封止部との良好な接合強度を確保しながら高い熱伝導性を付与することができ、ＬＥＤの大光量化、高出力化に余裕をもって対応することが可能になる。
【００４４】
また、前記実施形態においては、ＬＥＤ素子２をフリップチップ型としたが、フェイスアップ型や上下に電極を設けた構造など他の構造のＬＥＤ素子であってもよい。さらには、発光素子としてＬＥＤ素子を例示しているが、発光素子はＬＥＤ素子に限定されるものではないし、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。
【００４５】
[実施例１]
図１０は、ガラス封止時の酸素濃度と、ガラス封止前後におけるＬＥＤ素子の駆動電圧の差との関係を示すグラフである。図１０のデータを取得するにあたり、ＬＥＤ素子２の第１ｐ型コンタクト層２７及び第２ｐ型コンタクト層２８の成長温度を１０００℃とするとともに、Ｍｇ濃度を９．８×１０１９／ｃｍ３として、不活性ガスとしての窒素ガス中の酸素ガス濃度を変化させて発光装置１の試料体を複数作製した。具体的に、酸素ガス濃度を０％、０．３％、１．０％に変化させて発光装置１を作製し、２０ｍＡ通電時の駆動電圧を測定した。
【００４６】
図１０に示すように、酸素ガス濃度を０％とした試料体では、ガラス封止前後で駆動電圧の上昇が０．６Ｖであったが、酸素ガス濃度を０．３％とした試料体では０．５Ｖとなり、駆動電圧の上昇が抑制された。さらに、酸素ガス濃度を１．０％とすると駆動電圧の上昇が０．１Ｖとなり、駆動電圧の上昇が大幅に抑制されることが確認された。従って、酸素ガスを含有させれば駆動電圧の上昇が抑制され、酸素ガス濃度が１．０％以上となると効果が大きいことが理解される。また、後述する各比較例では、酸素ガス濃度を０％とした場合、ｐ型コンタクト層の成長温度を１０００℃以上とすると駆動電圧が大幅に上昇するが、実施例１のように酸素を含有させることにより、１０００℃以上の領域であっても駆動電圧が大幅に上昇することはない。
【００４７】
[比較例１]
図１１は、酸素ガス濃度を０％とした窒素ガス雰囲気における、ガラス封止後におけるＬＥＤ素子２の第１ｐ型コンタクト層２７及び第２ｐ型コンタクト層２８のＭｇ濃度と、２０ｍＡ通電時のガラス封止前及びガラス封止後のＬＥＤ素子２における駆動電圧の差との関係を示すグラフである。また、図１２は、酸素ガス濃度を０％とした窒素ガス雰囲気における、ガラス封止前におけるＬＥＤ素子２の第１ｐ型コンタクト層２７及び第２ｐ型コンタクト層２８のＭｇ濃度と、２０ｍＡ通電時のＬＥＤ素子２における駆動電圧との関係を示すグラフである。ＬＥＤ素子２は、前記実施形態の発光装置１の製造工程において、第１ｐ型コンタクト層２７及び第２ｐ型コンタクト層２８の成長温度を標準成長温度、標準成長温度よりも２５℃低い温度、及び、標準成長温度よりも５０℃低い温度の３つの条件とし、Ｍｇ濃度を標準Ｍｇ濃度、標準Ｍｇ濃度の０．８倍、及び、標準Ｍｇ濃度の０．６倍の３つの条件として、計９つの条件で作製した。比較例１においては、標準成長温度を１００℃とし、第１ｐ型コンタクト層２７の標準Ｍｇ濃度を５×１０１９／ｃｍ３とし、第２ｐ型コンタクト層２８の標準Ｍｇ濃度を８×１０１９／ｃｍ３とした。尚、ＬＥＤ素子２の透明電極１１の蒸着温度は４６０℃、焼成温度は６９０℃とした。尚、図１１及び図１２において、横軸は標準Ｍｇ濃度に対する比で示してある。
【００４８】
図１１のグラフから明らかなように、各ｐ型コンタクト層２７，２８のＭｇ濃度を小さくすると、ガラス封止後におけるＬＥＤ素子２駆動電圧上昇の低減を図ることができるという結果が得られた。また、成長温度を低くすることでも、ガラス封止後におけるＬＥＤ素子２の駆動電圧上昇の低減を図ることができるという結果が得られた。また、標準Ｍｇ濃度及び標準成長温度の条件で作製したＬＥＤ素子２では発光層の端部のみの発光となったが、それ以外の条件で製造したＬＥＤ素子２はすべて面発光であり、発光パターンは正常であった。
【００４９】
また、図１２のグラフから明らかなように、標準Ｍｇ濃度及び標準成長温度の条件で作製したＬＥＤ素子２の駆動電圧上昇ほど著しくないものの、Ｍｇ濃度を小さくしすぎると、初期の駆動電圧が高まる傾向がある。標準Ｍｇ濃度の０．６倍では、標準Ｍｇ濃度の場合の１０％以内であるものの、初期の駆動電圧が上昇している。また、成長温度を低くしても、若干、初期駆動電圧が上昇する傾向がある。
【００５０】
以上より、酸素ガス濃度が０％の場合に、ガラス封止後の駆動電圧をなるべく低くし、高発光効率の設計とするためには、初期の駆動電圧が上昇しない程度のＭｇ濃度（臨界Ｍｇ濃度）とし、成長温度を標準成長温度よりも下げればよいことが理解される。図１２に示すように、成長温度が９５０℃以上１０００℃未満の場合は、標準Ｍｇ濃度の０．８倍が臨界Ｍｇ濃度となる。また、Ｍｇ濃度を標準Ｍｇ濃度より小さくするとガラス封止後の駆動電圧の上昇を抑えることができ、望ましいＭｇ濃度の範囲は、２×１０１９以上８×１０１９／ｃｍ３以下の範囲であると推察できる。また、成長温度を標準成長温度以下とすればガラス封止後の駆動電圧の上昇を抑えることができ、望ましいｐ型コンタクト層の成長温度は、発光層の成長温度より高く、１０００℃未満の範囲であると推察できる。尚、これらの数値は、あくまで酸素ガス濃度が０％の場合であり、酸素含有雰囲気であれば、これらの数値の範囲内でなくとも駆動電圧の上昇が抑えられることは既に述べた通りである。酸素含有雰囲気においてこれらの数値の範囲内とすれば、さらに駆動電圧の上昇を抑制することができるし、酸素の濃度を比較的低くしても大きな効果を得ることができる。
【００５１】
図１３は、酸素ガス濃度を０％とした窒素ガス雰囲気において、各ｐ型コンタクト層２７，２８の成長温度と、熱処理による駆動電圧上昇との関係を示すグラフである。各ｐ型コンタクト層２７，２８のＭｇ濃度を標準Ｍｇ濃度とし、成長温度を８７５℃以上１０００℃以下の範囲で２５℃ごとに変化させてデータを取得した。熱処理は、ガラス封止に代替する処理として、窒素雰囲気で６００℃、１５分間行った。
【００５２】
図１３に示すように、成長温度が８７５℃以上９５０℃以下の範囲では、駆動電圧上昇値はほぼ一定であるが、９７５℃では９５０℃の約１．８倍の駆動電圧上昇値となり、１０００℃では９５０℃の約２．８倍の駆動電圧上昇値となった。このように、酸素ガス濃度が０％の場合では、各ｐ型コンタクト層２７，２８の成長温度を上げていくと、一定であった駆動電圧上昇値が増加に転じる臨界成長温度（図１３では９５０℃）が存在することが明らかとなった。
【００５３】
ここで、平坦なサファイア基板や凹凸加工が施されたサファイア基板を成長基板として用いた場合、低温でIII族窒化物半導体層を成長させると欠陥が生じやすい。したがって、第１ｐ型コンタクト層２７の成長温度は、駆動電圧が上昇しない範囲でなるべく高い成長温度(臨界成長温度)とすることが望ましい。
【００５４】
一方、ＧａＮ基板を成長基板として用いる場合は、臨界成長温度以下の低温で成長させても欠陥が生じにくい。このため、第１ｐ型コンタクト層２７を９５０℃以下、さらには発光層であるＭＱＷ層２５の成長温度と等しい、あるいは近い温度で成長温度することができ、第１ｐ型コンタクト層２７成長以前に成長させたIII族窒化物半導体層の熱拡散を抑制して成膜制御の精度を高くすることができ、高効率化を図ることができる。
【００５５】
また、発光装置１は、ガラス封止部５とＬＥＤ素子２が接しており、ガラス封止時にＬＥＤ素子２はガラスと同等の高温となる。さらに、ガラス封止部５と素子実装基板３とが接合されることによって、ＬＥＤ素子２は密封されている。ガラス封止で駆動電圧上昇が生じるＬＥＤ素子２は、その多くが、ガラス封止を行わなくても、４００℃以上の窒素雰囲気にＬＥＤ素子２を１０分放置するだけで駆動電圧上昇が生じる。しかし、ガラス封止のようにＬＥＤ素子２が密封されることで、その上昇度合いは大きくなる。
【００５６】
また、この場合に、発光装置１を構成する部材が水分や水素を含んでいると、駆動電圧の上昇の程度がさらに大きくなる傾向がある。例えば、ガラスを溶解するにあたり、乾燥窒素雰囲気で溶解するのに対し、大気中で溶解すると空気中の水分をガラスが取り込むこととなる。あるいは、蛍光体をガラス中に分散するにあたり、湿式の粉砕方法や沈殿方法による分級を行うとガラスが水分を取り込むこととなる。また、素子実装基板３としてセラミック基板を用いた場合、次亜燐酸水溶液の還元作用を利用するＮｉ無電解めっきなど、一般的なめっき工程による金属回路パターン形成工程では水素発生を伴って、めっき部やセラミック部材が水素を取り込むこととなる。酸素ガスを含む雰囲気でのガラス封止とすることで、これらの影響を軽減することができるのである。
【００５７】
さらに、ＬＥＤ素子の電極形成後に、ＳｉＯ２などによる保護膜を設けても良いが、これによっても、駆動電圧上昇の程度が大きくなる傾向がある。発明者らの実験では、ｐパッド電極１２、n電極１３形成後にｐパッド電極２１、ｎ電極１３以外の領域に約３００℃で保護膜１４を形成した場合と、保護膜１４を形成しない場合とでガラス封止による駆動電圧の上昇を比較したところ、保護膜１４を形成した揚合の方が、保護膜１４を形成しない場合と比べて駆動電圧の上昇が約１．５倍大きかった。
【００５８】
そして、これらの場合でも、ＬＥＤ素子２のｐ型コンタクト層２７，２８の成長温度を低くするなどによって、封止部材などからの水分や水素の影響を受けにくいものとでき、特殊な条件でのガラス製造を行う必要はなく、脱ガス処理などを省くことができる。さらに、保護膜１４を形成すると、発光素子実装時の短絡などの不良を減らすことができ、生産性を向上することができる。
【００５９】
また、第１ｐ型コンタクト層２７、第２ｐ型コンタクト層２８のＭｇ濃度を標準Ｍｇ濃度とし、成長温度を標準成長温度とした発光素子について、駆動電圧上昇のガラス封止時の温度依存性を調べたところ、ガラス封止温度が高いほど駆動電圧の上昇が大きいことがわかった。
【００６０】
ガラスは結合力が小さいほど軟化温度が低くなり、熱膨張率が大きくなる相関がある。このため、ＬＥＤ素子２や、白色で反射率が高く機械強度も高いアルミナと同等の熱膨張率にするには、軟化点を下げる限界が生じるので、相当する加工温度が必要になる。このガラス封止温度に依存した駆動電圧上昇も、ＬＥＤ素子２のｐ型層の成長温度を低くするなどによって、駆動電圧を低く抑えたものとできる。
【００６１】
尚、一般に行われている樹脂封止ＬＥＤでは、２００℃未満の加工温度であるため、ＬＥＤ素子２自体や封止材料などからの影響による上記問題は生じない。このことから、p型化に関係した問題であると考えられる。
【００６２】
[比較例２]
比較例２の発光装置１の製造方法は、比較例１のＬＥＤ素子２において、第１ｐ型コンタクト層２７を標準Ｍｇ濃度、標準成長温度で形成し、第２ｐ型コンタクト層２８を形成しないものであり、それ以外は同一の製造工程である。
【００６３】
この比較例２の製造方法により作製した発光装置１と、第２ｐコンタクト層２７を標準Ｍｇ濃度、標準成長温度で形成した比較例１の発光装置１とを比較したところ、比較例１の発光装置１のガラス封止による駆動電圧の上昇値は図１１のグラフのように１．７６Ｖであったのに対し、比較例２の発光装置１の駆動電圧の上昇値は０．２６Ｖであった。また、初期の駆動電圧は、比較例１の発光装置１では２．９７Ｖであったのに対L、比較例２の発光装置１では３．１２Ｖであった。また、ガラス封止後の駆動電圧は、比較例１の発光装置１では４．７３Ｖであったのに対し、比較例２の発光装置１では３．３８Ｖであった。比較例１の発光装置１では、ガラス封止により駆動電圧が約６０％上昇していたが、比較例２の発光装置では１５％以下に抑えることができている。
【００６４】
このように、透明電極１１に接するＭｇ濃度の高い層を省くことで、初期の駆動電圧はやや高くなるものの、ガラス封止での駆動電圧の上昇を抑えることができ、ガラス封止後の駆動電圧を低く抑えることができる。
【００６５】
[比較例３]
比較例３の発光装置１の製造方法は、以下に示す工程を比較例１の発光装置の製造方法に追加するものである。この追加する工程は、第２ｐ型コンタクト層２８の形成後からガラス封止前までの間に行えば良い。
【００６６】
追加する工程は、酸素雰囲気中で４００℃以上６００℃以下、０．５時間以上２時間以下の熱処理を行う工程である。比較例１の発光装置の製造方法にこの工程を追加することで、より駆動電圧の上昇を抑制することができる。これは、熱処理によって水素を排出することにより、水素がＭｇと再結合して不活性してしまうのを防止できるためと考えられる。熱処理温度が４００℃より低い温度、または熱処理時間が０．５時間よりも短い時間では、不活性化を十分に防止できず、駆動電圧上昇の抑制効果が低いので望ましくない。また６００℃よりも高いと、ガラス封止温度よりも高い熱ダメージを発光素子にかけることになり、電極などの変質が懸念されるため望ましくなく、２時間よりも長い熱処理時間では、十分な不活性化防止効果を得られる以上に余分な熱ダメージを発光素子に与えることになるため望ましくない。
【００６７】
実際に比較例１の発光装置の製造工程において、空気中で６００℃、０．５時間の熱処理工程を、ＬＥＤ素子２の製造後、素子実装基板３への実装前に追加したところ、この熱処理工程を追加しない場合に比べて駆動電圧の上昇が約１／５となっていることが確認できた。
【００６８】
この追加した工程は、透明電極１１の形成後に行うことで、半導体層の表面に抵抗を大きくする表面酸化被膜が形成されることを防止することができる。あるいは、表面酸化被膜の除去工程を省くことができる。また、発光素子を個々に分離する前に行うことで、一括処理ができ、製造の手間を著しく増やすことのないものとできる。このように、当該熱処理工程を透明電極１１形成後から発光素子の分離工程前に追加することが好ましい。
【符号の説明】
【００６９】
１    発光装置
２    ＬＥＤ素子
３    素子実装基板
４    回路パターン
５    ガラス封止部
６    ビアホール
７    バンプ
１１    透明電極
１２    ｐパッド電極
１３    ｎ電極
１４    保護膜
２０    基板
２１    バッファ層
２２    ｎ型コンタクト層
２３    ｎ型ＥＳＤ層
２４    ｎ型クラッド層
２５    ＭＱＷ層
２６    ｐ型クラッド層
２７    第１ｐ型コンタクト層
２８    第２ｐ型コンタクト層
４１    ビアパターン
４２    表面パターン
４３    裏面パターン
５１    封止前ガラス
５１ａ  凹部
５２    封止前ガラス
５３    蛍光体
８０    中間体
９１    下金型
９２    上金型
【図１】
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【図２】
2011146546.tif 000004
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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