JP2016111085A - 紫外発光素子パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】レンズを有する高出力の紫外発光素子パッケージにおいて、高い光出力を長期間維持出来る紫外発光素子パッケージを提供すること。
【解決手段】 レンズと、発光ピーク波長が２１０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の範囲にある紫外線発光素子とを備え、該レンズの底面と該紫外発光素子の光取出し面とが屈折率緩和物質層を介して接合された積層体を有する紫外発光素子パッケージであって、該屈折率緩和物質層が、該紫外線発光素子の発光ピーク波長に対する透過率が９０％以上であって、かつ該レンズと紫外線発光素子とのせん断強さが１．０〜５．０Ｎ／ｍｍ^２となるように該底面と光取出し面とが屈折率緩和物質層を介して接合されてなることを特徴とする紫外発光素子パッケージ。
【選択図】図２

Description

本発明は、新規な紫外発光素子パッケージに関する。

窒化物半導体からなる発光素子は、可視領域から深紫外領域の光を放出することができるため、照明、検査測定、紫外線硬化、殺菌、など様々な応用がなされている。これら発光素子を有する発光素子パッケージには、高出力かつ高信頼性が強く望まれ、素子の大型化（または高集積化）と大きな投入電力（発熱）に対する耐性の確保とが必要である。

発光素子の高出力化（または高集積化）、高効率化のために有効な構造として、フリップチップ構造がある。この構造では、透光性基板上に所定の半導体層を成長させ、基板と反対側に電流注入用の正電極、負電極を形成し、基板側を光取出し面として使用する。フリップチップ構造の発光素子では、発光部からの光が遮られることなく透光性基板から出射されるので、高い光取出し効率を実現できる。また、発光素子（チップ）背面から実装用基材側に熱を伝えやすく、配線長を短く出来るので、高出力化および高集積化に最適である。これらの観点から、フリップチップ実装は、一般に広く用いられており、より高い光取出し効率（光出力）を実現するため、様々な検討がなされている。

また、高出力化のためにフリップチップ構造と並んで、広く用いられている方法の一つが、凸レンズを用いる手法である。この方法は、発光素子チップの光取出し面側に凸レンズを配置し、該面から放出される光を、凸レンズを介して外部へ取出す方法である。一般に、凸レンズ内部からレンズ外部（空気）への光の取出しは、レンズ−空気界面への入射角を小さくできるため、全反射を抑制することができ、多くの光を外部に取出すことができる。この方法では発光素子−空気界面での全反射を低減するために、必要に応じて発光素子チップと凸レンズの空隙に屈折率緩和物質を充填するのが一般的である。この方法によれば、先に述べた発光素子−空気界面での全反射が減少し、より多くの光が凸レンズに入射する。よって、凸レンズとこの屈折率緩和物質とを組み合わせる（凸レンズ構造とする場合もある）ことにより、より一層、発光素子からの光を効率よく取り出すことが可能となる。

上記のフリップチップ構造、及び／又は屈折率緩和物質による凸レンズ構造を用いた発光素子パッケージとしては、以下のものが具体的に知られている。例えば、シリコーン樹脂を用いて紫外発光素子のフリップチップ構造を封止し、該シリコーン樹脂で凸レンズ形状に成形した発光素子パッケージが知られている（特許文献１参照）。また、フリップチップ構造は使用していないが、凸レンズと発光素子チップ間の空隙を透光性樹脂で埋めることにより、該透光性樹脂が屈折率緩和物質となり、光取出し効率を向上する発光素子パッケージが知られている（特許文献２参照）。さらには、フリップチップ構造と凸レンズ構造とを組み合わせた発光素子パッケージが知られている（特許文献３参照）。これら発光素子パッケージは、光取出し効率が高い優れたパッケージである。

特開２００１‐１９６６４４号公報 特開２００６−１４０２８１号公報 特開２００７‐３１１７０７号公報

以上のような構造の発光素子パッケージが種々提案されている。しかしながら、近年、盛んに研究が進んでいる、窒化アルミニウムガリウム（以下、ＡｌＧａＮとする場合もある）系半導体材料を用いた、紫外光を放出する半導体発光素子（紫外発光素子）に適用できるパッケージは、現在のところ開発されていないのが現状である。具体的には、発光ピーク波長が２１０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の範囲にあり、水銀ランプに代わる低消費電力で長寿命の紫外光源として注目を集めている発光素子パッケージにおいて、高出力で信頼性の高いものが存在していないのが現状である（以下、発光ピーク波長が２１０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の範囲にある発光素子を単に深紫外発光素子とする場合もある。）。

例えば、特許文献１、２のパッケージをそのまま深紫外発光素子に適用した場合、樹脂と深紫外発光素子との接触面積が大きいため、どうしても樹脂にクラックが生じ、光出力が低下する傾向にあった。また、例示されている樹脂では、深紫外発光素子には適していないものもあり、改善の余地があった。

これに対し、特許文献３に記載の方法に従えば、発光素子の光取出し面のみと凸レンズ底面との間に、アモルファスなフッ素樹脂からなる屈折率緩和物質層を存在させて、紫外線に対しても安定な発光素子パッケージが製造できる。

しかしながら、該特許文献３においては、発光ピーク波長が３００ｎｍ以上にある発光素子を対象としており、深紫外発光素子のパッケージを対象としていない。そのため、凸レンズの外周を接着剤で接着している対応しか示されていない。通常の接着剤、例えば、特許文献３で示されているシリル基を有する樹脂からなる接着剤は、深紫外線を吸収するため、どうしても長期間、深紫外線を照射すると劣化してしまうという問題があった。

さらに、特許文献３の方法においては、凸レンズの外周を接着剤で固定している対応しか示されていないことから、特許文献３における屈折率緩和物質層は、発光素子と凸レンズとを接着する役割は全く果たしていないものと考えられる。その結果、本発明者等の検討によれば、特許文献３に記載の方法を深紫外発光素子のパッケージにそのまま適応したところ、長時間の使用において、どうしても接着剤が劣化してしましまい、凸レンズと深紫外発光素子とが剥離することが分かった。加えて、特許文献３に記載の方法では、接着剤を使用するということから、凸レンズの底面積の方が、発光素子の光取出し面の面積よりも大きい場合でしか使用できず、生産性という点でも改善の余地があった。

本発明者等は、上記問題を解決すべく、先ずその原因を突き止めるべく鋭意検討を行った。その結果、屈折率緩和物資としての機能を有し、かつ凸レンズの底面と深紫外発光素子の光取出し面とを特定の接着力（せん断強さ）の範囲で接合できる物資を使用することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、レンズと、発光ピーク波長が２１０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の範囲にある紫外線発光素子（深紫外発光素子）とを備え、該レンズの底面と該紫外発光素子の光取出し面とが屈折率緩和物質層を介して接合された積層体を有する紫外発光素子パッケージであって、該屈折率緩和物質層が、該紫外線発光素子の発光ピーク波長に対する透過率が９０％以上であって、かつ該レンズと紫外線発光素子とのせん断強さが１．０〜５．０Ｎ／ｍｍ^２となるように該底面と光取出し面とを屈折率緩和物質層を介して接合されてなることを特徴とする紫外発光素子パッケージである。なお、透過率が９０％以上とは、２１０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の範囲に発光ピーク波長を有する深紫外発光素子において、該発光ピーク波長における内部透過率が９０％以上となることを指す。例えば、発光ピーク波長が２６０ｎｍである深紫外発光素子では、２６０ｎｍにおける透過率が９０％以上となる屈折率緩和物質層を使用する必要がある。屈折率緩和物質層は、２１０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の全範囲において、透過率が９０％以上となる層とすることが好ましい。

前記深紫外発光素子は、光取出し面が、窒化アルミニウム単結晶により形成されることが好ましく、前記レンズは、石英からなることが好ましい。さらに、前記屈折率緩和物質層を形成する物質は、カルボキシル基を有するアモルファスなフッ素樹脂からなることが好ましい。

本発明の深紫外発光素子パッケージによれば、クラックの原因である樹脂内部の応力、および熱ストレスを、樹脂と深紫外発光素子チップの出取出し面の滑りにより緩和させることが可能となり、クラックの発生を抑制出来る。すなわち凸レンズによる光取り出し効率向上と、屈折率緩和物質層による光取り出し効率向上、の両方の効果を長時間にわたって維持することが可能となる。また、屈折率緩和物質層は、樹脂内部の応力、および熱ストレスの影響を受けず、高い透光性、接着強度を維持できることから、今後予想される高出力密度の深紫外発光素子に対しても、長期に渡って安定した実装が可能となる。

深紫外発光素子チップの断面の概略図である。 本発明の紫外発光素子パッケージの断面の概略図である。 せん断強さを測定する際の模式図である。

本発明は、レンズと、発光ピーク波長が２１０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の範囲にある紫外線発光素子（深紫外発光素子）とを備え、該レンズの底面と該紫外発光素子の光取出し面とが屈折率緩和物質層を介して接合された積層体を有する紫外発光素子パッケージである。そして、該屈折率緩和物質層が、該紫外線発光素子の発光ピーク波長に対する透過率が９０％以上であって、かつ該レンズと紫外線発光素子とのせん断強さが１．０〜５．０Ｎ／ｍｍ^２となるように該底面と光取出し面とを接着させることを特徴とするものである。
次に、図・各構成要素について説明する。

＜レンズ＞
図２は、深紫外発光素子チップ１とレンズ２とを屈折率緩和物質３を介して接合した際の概略図の一例である。

図２において、レンズ２は、深紫外発光素子１から放出される紫外線を透過し、かつ紫外線が照射されることによって劣化しない材料から構成されている。代表的な材料としては石英、サファイアが挙げられる。なお、レンズ２は、上記特性を有するものであれば石英、サファイアに限定されるものではなく、他の無機材料や樹脂材料により構成されていてもよい。たとえば、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ素樹脂等である。またレンズ形状は、凸型（半球型）に限定されず、深紫外発光素子チップ１の光出取出し面４Ａと接合されるための平面である底面（レンズ底面２Ａ）を有しさえすれば、用途に合わせて、非球面型や角錐、ドーム型などとすることが出来る。レンズへの光の入射を考えた場合、レンズの屈折率は屈折率緩和物質の屈折率と同じ、または大きい事が好ましい。また、レンズから空気への光の出射を考えた場合には、レンズの屈折率は空気の屈折率に近い事が好ましい。これら屈折率の観点から考えると、レンズ、屈折率緩和物質共に同種の樹脂を採用することが好ましい。ただし、長期間にわたる耐久性や、入手性、本発明のせん断強さの範囲を満足するという観点から、本発明のパッケージ材料としては石英が最適である。

＜紫外発光素子（チップ）＞
本発明において、深紫外発光素子１は、発光ピーク波長が２１０ｎｍ以上３００ｎｍ未満である深紫外光を放射するものである。

本発明で使用する深紫外発光素子１は、発光ピーク波長が２１０ｎｍ以上３００ｎｍ未満であるものであれば、その構造は特に制限されるものではない。具体的には、組成式Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ（但し、Ｘ、Ｙは、Ｘ＋Ｙ＝１を満足する有理数である）で表される単結晶層が複数積層された多層膜（積層構造）を有する。該紫外発光素子は、上記多層膜部分を有するものであれば、特に制限されるものではないが、以下の構成からなることが好ましい。具体的には、基板、基板上に成長された前記多層膜、さらに多層膜上に形成された電極からなることが好ましい。つまり、基板上に、多層膜を成長させ、その後、多層膜上に電極を形成することにより、深紫外発光素子チップを製造できる。以下、本発明で使用する深紫外発光素子チップの代表例を、図１を用いて説明する。

〔基板〕
深紫外発光素子チップ１を製造する際、基板４は、その上に多層膜を成長させるために使用される。深紫外発光素子１は基板４上に多層膜を有する構造となり、フリップチップ接続を採用する際には、多層膜が存在しない反対側の面が光取出し面４Ａとなる。

そのため、基板４は、その表面に、組成式Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ（但し、Ｘ、Ｙは、Ｘ＋Ｙ＝１を満足する有理数である）で表される単結晶層がエピタキシャル成長できものでなければならない。具体的には、市販のサファイア、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等であることが好ましい。その中でも、高品質の多層膜を形成することを考慮すると、基板４は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる単結晶基板であることが好ましい。なお、当然のことであるが、フリップチップ接続した場合には、光取出し面４Ａは組成式ＡｌＮ単結晶で形成される。なお、この基板４は、紫外光の透過性が低い場合は、研磨等により薄膜化してもよい。

また、基板４の光取出し面４Ａには、光取出し効率を上昇させるため、後加工や、微細な周期構造を付与することもできる。

〔多層膜〕
多層膜５は、組成式Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ（但し、Ｘ、Ｙは、Ｘ＋Ｙ＝１を満足する有理数である）で表される単結晶層を複数有し、前記基板上で成長することができる。次の各層に限定されるわけではないが、多層膜５は、ｎ型層、発光層、電子ブロック層、およびｐ型層がこの順で積層された積層構造を有することが好ましい。これら各層は単結晶層である。以下で説明する各層は、公知の方法で製造することができ、ＭＯＣＶＤ法により製造することが好ましい。

〔ｎ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ層〕
ｎ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ（但し、Ｘ、Ｙは、Ｘ＋Ｙ＝１を満足する有理数である）層６は、ｎ型不純物を含むことが好ましい。不純物としては特に限定されるものではないが、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎなどが挙げられ、好ましくはＳｉ、Ｇｅである。なお、図１には示していないが、基板４とこのｎ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ層６との間には、ＡｌＮ、またはｎ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ層を形成するIII族窒化物と同組成のバッファ層を有していてもよい。

〔発光層〕
発光層７は、量子井戸構造を有している。つまり、組成式Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ（但し、Ｘ、Ｙは、Ｘ＋Ｙ＝１を満足する有理数である）で表される井戸層８と障壁層９から構成される。

障壁層９は、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなることが好ましい。発光層は、単一量子井戸構造であっても、多重量子井戸構造であってもよい。

（電子ブロック層）
電子ブロック層１０は、任意の層であるが、この電子ブロック層１０を設けることにより、ｎ型層から供給される電子の、発光層から下記に詳述するｐ型層へのオーバーフローを抑制し、注入効率を高める効果を発揮する。電子ブロック層１０は、組成式Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ（但し、Ｘ、Ｙは、Ｘ＋Ｙ＝１を満足する有理数である）で表される単結晶層である。また、電子ブロック層は、障壁層９、および下記に詳述するｐ型クラッド層１２よりもバンドギャップエネルギーが大きくなることが好ましい。また、この電子ブロック層中には、下記のｐ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ層で説明する不純物が含まれてもよい。

〔ｐ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ層〕
ｐ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ層１１は、特に制限されるものではないが、複数層であることが好ましい。具体的には、ｐ型クラッド層１２、ｐ型コンタクト層１３から構成されることが好ましい。なお、ｐ型コンタクト層１３上にｐ型電極１４（正電極）が形成される。

ｐ型クラッド層１２は、組成式Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ（但し、Ｘ、Ｙは、Ｘ＋Ｙ＝１を満足する有理数である）で表される単結晶層である。ｐ型クラッド層１２の不純物としては、Ｍｇが好適に挙げられる。

ｐ型コンタクト層１３は、組成式Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ（但し、Ｘ、Ｙは、Ｘ＋Ｙ＝１を満足する有理数である）で表される単結晶層である。ｐ型コンタクト層の不純物としては、ｐ型クラッド層と同様Ｍｇが好適に挙げられる。ｐ型コンタクト層の組成は、コンタクト特性の観点から、上記組成の中でも、ＧａＮとすることが望ましい。ただし、ＧａＮは波長３６５ｎｍに吸収端を持つため、ＧａＮ層の膜厚が厚過ぎると、深紫外領域の光を透過しなくなる。一方、ＧａＮ層の膜厚が薄過ぎると十分に電流が拡がらず、紫外発光素子チップの電気特性が悪化するおそれがある。そのため、ｐ型コンタクト層がＧａＮからなる場合であっても、膜厚は、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましく、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることがより好ましい。

〔電極〕
負電極（ｎ型電極）
負電極１５は、ｎ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ層６の露出面に形成される。前記ｎ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ層の露出面は、エッチングにより形成できる。エッチングの手法としては、反応性イオンエッチング、誘導結合プラズマエッチング等のドライエッチングが挙げられる。前記ｎ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ層の露出面を形成後、エッチングのダメージを除去するため、酸またはアルカリの溶液で表面処理を施すことが好ましい。その後、前記ｎ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ層の露出面にオーミック性を有する負電極を形成する。

電極のパターンニングは、公知の方法を採用できる。例えば、リフトオフ法を用いて実施できる。リフトオフ法で負電極金属を堆積する手法は、真空蒸着、スパッタリング、化学気相成長法等が挙げられるが、電極金属中の不純物を排除するため真空蒸着が好ましい。負電極に用いられる材料は、特に制限されるものではなく、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｎｉ、及びＰｔ、Ａｕ等である。中でも、Ｔｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｕを使用することが好ましい。これら負電極は、これらの金属の合金または酸化物を含む層を有する単層、又は多層構造であってもよく、オーミック性および反射率の観点から好ましい組み合わせは、Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕである。
負電極金属を堆積後、ｎ型層とのコンタクト性向上のため、３００℃〜１１００℃の温度で３０秒〜３分間熱処理を施すことが好ましい。熱処理の温度、時間については、負電極の金属種、膜厚に応じて適宜最適な条件で実施すればよい。

正電極（ｐ型電極）
正電極１４は、ｐ型コンタクト層１３上に形成される。正電極のパターニングは、負電極のパターニング同様、リフトオフ法を用いることが好ましい。正電極に用いられる金属材料は、特に制限されるものではなく、例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、及びＰｄ等である。また、正電極は、これらの金属の合金または酸化物を含む層を有する単層、又は多層構造であってもよい、好ましい組み合わせは、Ｎｉ／Ａｕである。

正電極の金属を堆積する方法は、負電極の形成と同様、真空蒸着、スパッタリング、化学気相成長法等が挙げられるが、電極金属中の不純物を排除するため真空蒸着が好ましい。正電極金属を堆積後、ｐ型コンタクト層とのコンタクト性向上のため、２００℃〜８００℃の温度で３０秒〜３分間熱処理を施すことが好ましい。熱処理の温度、時間については、正電極の金属種、膜厚に応じて適宜好適な条件で実施すればよい。

以上のような層を有する紫外発光素子は、基板上に各層、電極を形成した後、スクライビング、ダイシング、レーザー溶断等の分離方法で分離して、１つの素子（チップ）とすることができる。本発明においては、切断前のウェハの状態のものを使用することもできるし、チップにしたものを使用することもできる。

＜屈折率緩和物質（層）＞
屈折率緩和物質層３は、紫外域で高透過性を有する材料を用いる。具体的には、２１０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の範囲にある発光ピーク波長を有する深紫外発光素子において、その発光ピーク波長における内部透過率が９０％以上となる層を形成可能な材料からなる。この透過率の上限は、１００％であることが最も好ましいが、工業的な生産等を考慮すると９８％である。透過率は屈折率緩和層３の厚みにも影響を受けるが、実際の屈折率緩和層３の透過率が９０％以上となればよい。そのため、２１０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の範囲に発光ピーク波長を有する深紫外発光素子に適用する場合には、２１０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の全ての範囲において、透過率が９０％以上となる屈折率緩和層であることが好ましい。

そして、この屈折率緩和物質層３は、該レンズ２と深紫外線発光素子１とを接合した積層体において、下記の実施例で示した測定方法により測定したせん断強さが１．０〜５．０Ｎ／ｍｍ^２となるようにレンズ底面２Ａと光取出し面４Ａとを接合しなければならない。せん断強さが１．０Ｎ／ｍｍ^２未満の場合には、得られる深紫外発光素子パッケージにおいて、レンズ２と深紫外発光素子１とが剥離し易く、安定な品質を維持することができない。一方、せん断強さが５．０Ｎ／ｍｍ^２を超える場合には、深紫外発光素子１の点灯時に屈折率緩和物質に生じる熱ストレスを緩和し難くなり、クラック等が生じ易くなるため好ましくない。さらに、本発明者等の検討によれば、せん断強さを高くできる屈折率緩和物質では、深紫外領域において吸収を有するものが多く、長時間の使用において劣化し易くなるため好ましくない。剥離の問題、長時間使用の問題等を考慮すると、せん断強さは、１．０〜５．０Ｎ／ｍｍ^２であることがより好ましく、１．０〜３．０Ｎ／ｍｍ^２であることがさらに好ましい。

また、屈折率緩和層３の厚みは、特に制限されるものではないが、厚さの増加による透過性低下および、熱ストレスによる応力の増大を考慮すると、１〜１００μｍであることが好ましい。

このような屈折率緩和層３を形成する物質としては、具体的には、シリコーン樹脂、フッ素樹脂が挙げられる。中でも、せん断強さを考えた場合、表面エネルギーが低い方が低せん断強さを実現しやすいため、この点でフッ素樹脂が好ましい。その中でも、シリル基を有さず、カルボキシル基を有するアモルファス（ 非晶質）なフッ素樹脂であることが好ましい。このような物質としては、「サイトップ」（旭硝子製）を例示することができる。

また、深紫外発光素子（チップ）１とレンズ２の空隙を充填するという観点から、熱硬化時の体積変化が小さい事が望ましい。柔軟性については、特に限定されるものではないが、紫外線を照射した際、経時的に柔軟性の変化が無いものが好ましい。また、レンズ２と屈折率緩和剤の界面での全反射による光損失を低減するため、レンズ２を屈折率緩和物質と同素材で形成した後、この屈折率緩和物質によって深紫外発光素子チップ１の光取出し面４Ａと接合する事も出来る。

ただし、なるべく樹脂を使用しない方が、長期間の使用には適している。そのため、屈折率緩和層３も、レンズ底面２Ａと光取出し面４Ａのみの間に存在することが好ましい。例えば、発光層７よりも下の位置（光取出し面４Ａとは反対側）に屈折率緩和物質が充填されていてもよいが、長期間の使用を考慮すると、発光層７付近では光強度や温度が光取出し面４Ａよりも高くなる傾向にあるため、屈折率緩和物質により大きな負荷を与えることになる。そのため、レンズ底面２Ａと光取出し面４Ａのみに屈折率緩和層３が存在することが好ましい。

＜紫外発光素子パッケージの製造＞
図２は、深紫外発光素子チップ１とレンズ２とを屈折率緩和物質層３を介して接合した積層体を備える紫外発光素子パッケージの概略図であり、本図には実装基板１６も示している。実装基板１６は、市販の発光素子パケージに用いられるものを使用することができ、放熱性の観点から窒化アルミニウム焼結体や、アルミナ、金属製のものであることが好ましい。また、光取り出し効率の観点から、深紫外域での反射率に優れるアルミニウム製のリフレクターを備えることが望ましい。

実装基板１６上に深紫外発光素子１をフリップチップマウントし、実装基板表面に設けられた端子と該深紫外発光素子１に設けられた端子とを半田により電気的に接続する。この接続方法は、特に制限されるものではなく、公知の方法を採用することができる。

次いで、この構造体（実装基板１６上に深紫外発光素子１が接続されたもの）の深紫外発光素子１の光取出し面４Ａとなる基板４とレンズ底面２Ａとを屈折率緩和物質により接合することにより、該屈折率緩和物質よりなる層（屈折率緩和物質層３）を介して、深紫外発光素子１とレンズ２とが接合した積層体の部分を有する発光素子パッケージを製造する。こうすることにより、高い光取り出し効率を場時間維持できる紫外発光素子パッケージを製造することができる。該光取出し面４Ａとレンズ底面２Ａとを接合する方法は、特に制限されるものではないが、屈折率緩和物質をあらかじめ光取出し面４Ａに配置し、その後レンズ２を位置合わせして配置する方法が一般的である。配置の際、必要に応じてレンズ２側から荷重をかけてもよい。屈折率緩和物質が液状である場合にはディスペンサを用いて、該屈折率緩和物質を光取り出し面２Ａに滴下すればよい。また屈折率緩和物質に揮発性の溶媒が含まれている場合は、あらかじめ濃縮して用いる事が好ましく、接合の際は減圧下に置き気泡の残留を抑制することが望ましい。あらかじめ溶媒を完全に除去してから用いることも可能であり、この場合は得られた固体を光取り出し面４Ａ上に自動ピンセット等で配置し、加熱する方法、荷重をかける方法等により塑性変形させ、光取出し面Ａとレンズ底面２Ａの間にいきわたらせればよい。屈折率緩和物質の量はレンズ接合時に屈折率緩和物質が深発光素子チップ１の光取り出し面４Ａ以外に流れ出る事がないように、精密にコントロールする事が望ましい。レンズ２を配置した後、レンズ２側、または実装基板１６から加熱を行い屈折率緩和物質とレンズ２を接着する。加熱の方法は、構造体の状態に応じて適宜選択すれば良い。たとえばＣＯＢ（チップオンボード）の状態であれば、レンズ２側からの加熱が好ましい。また、基板上に各層、電極を形成した後、分離する以前の複数の素子が配列している段階で、複数のレンズを一度に設置する事も可能である。

以下実施例を用い、本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例により何ら限定されるものではない。

（深紫外発光素子１の作製）
先ず、図１で示した深紫外発光素子（チップ）１を以下の方法で作製した。

基板４は、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ５（２０１２）１２２１０１に記載の方法に準じて、ハイドライド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）法により製造した。具体的には、基板４として、ＨＶＰＥ法により、Φ２５ｍｍ、厚さ１００μｍのＣ面を多層膜成長面として有する窒化アルミニウム単結晶基板（ＡｌＮ単結晶基板）を用いた。

該基板４を一辺７ｍｍ角に切断し、ＭＯＣＶＤ法により、まずｎ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ層６として、ＳｉをドープしたＡｌ_０．７５Ｇａ_０．２５Ｎ層（Ｓｉ濃度１．０×１０^１９／ｃｍ^３）を膜厚１．０μｍとなるように形成した。

ｎ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ層６上に、発光層７を量子井戸構造として、障壁層９（組成Ａｌ_０．７５Ｇａ_０．２５Ｎ）を膜厚７ｎｍ、井戸層８（組成Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ）を膜厚３ｎｍで形成した。そして、障壁層は５層、井戸層は４層形成した。（なお、図１には障壁層９が２層、井戸層８が１層の例しか示していない。）
発光層７上に、電子ブロック層１０として、ＭｇをドープしたＡｌＮ層（Ｍｇ濃度５．０×１０^１９／ｃｍ^３）を膜厚３０ｎｍで形成した。

電子ブロック層１０上に、ｐ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ層１１を形成した。この層においては、ｐ型クラッド層１２として、ＭｇをドープしたＡｌ_０．７５Ｇａ_０．２５Ｎ層（Ｍｇ濃度５×１０^１９／ｃｍ^３）を膜厚５０ｎｍで形成した。次いで、ｐ型コンタクト層１３として、ＭｇをドープしたＧａＮ層（Ｍｇ濃度２×１０^１９／ｃｍ^３）を膜厚１００ｎｍで形成した。

次いで、窒素雰囲気中、２０分間、９００℃の条件で熱処理を行った。その後、ｐ型コンタクト層１３の表面にフォトリソグラフィーにより所定のレジストパターンを形成し、レジストパターンの形成されていない窓部を反応性イオンエッチングにより、ｎ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ層６の表面が露出するまでエッチングした。その後、ｎ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ層６の表面に、真空蒸着法によりＴｉ（２０ｎｍ）／Ａｌ（２００ｎｍ）／Ａｕ（５ｎｍ）電極（負電極１５）を形成し、窒素雰囲気中、１分間、８１０℃の条件で熱処理を行った。次いで、ｐ型コンタクト層１３の表面に、真空蒸着法によりＮｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（５０ｎｍ）電極（正電極１４）を形成した後、酸素雰囲気中、３分間、５５０℃の条件で熱処理を行った。その後、レーザー溶断により素子分離し紫外発光素子チップ１（０．５ｍｍ角、厚さ０．１ｍｍ）を得た。得られた紫外発光素子の発光波長（ピーク波長）は２６５ｎｍであった。

（レンズ２）
エドモントオプティクス性合成石英製１ｍｍΦ半球レンズ（曲率半径 ０．５０ｍｍ、曲率半径公差±２．５ｕｍ、厚み公差±３５ｕｍ、真球度±２．５ｕｍ、屈折率ｎ_ｄ １．４５８、 コーティング無し）を用いた。

（屈折率緩和物質）
各実施例、比較例において、次の樹脂を屈折率緩和物質として用いた。

フッ素樹脂−１：旭硝子製：商品名 サイトップ、型番：ＣＴＸ−８０９Ａ：シリル基を有さず、カルボキシル基を有するアモルファスな樹脂。下記の方法で測定したせん断強さは、２．４Ｎ／ｍｍ^２であった。５０μｍの厚みにおいて、波長２６５ｎｍにおける透過率は、９８％であった。なお、５０μｍの厚みにおいて、２１０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の全範囲における透過率は９０％以上であった。

フッ素樹脂−２：デュポン社製：商品名 テフロン（登録商標）ＡＦ１６００：シリル基、及びカルボキシル基を有さず、末端がトリフルオロメチル基のアモルファスな樹脂。せん断強さ０．５Ｎ／ｍｍ^２であった。５０μｍの厚みにおいて、波長２６５ｎｍにおける透過率は、９８％であった。なお、５０μｍの厚みにおいて、２１０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の全範囲における透過率は９０％以上であった。

シリコーン樹脂−１：ダウコーニング社製：商品名 ＪＣＲ６１４０（２液式）：シリル基を有するもの。せん断強さ１０．２Ｎ／ｍｍ^２であった。５０μｍの厚みにおいて、波長２６５ｎｍにおける透過率は、９５％であった。なお、５０μｍの厚みにおいて、２１０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の範囲における透過率は２１０ｎｍ以上２２０ｎｍ未満の範囲で０％、２２０ｎｍ以上２２５未満の範囲で９０％未満、２２５ｎｍ以上の場合において９０パーセント以上であった。

なお、上記樹脂のせん断強さは、以下のように測定した。

（評価用サンプル：せん断強さ測定用サンプルの作製および評価）
図３に、せん断強さを測定する際の模式図を示した。両面研磨サファイア基板（厚さ３３０μｍ）上にＭＯＣＶＤ法により、ＡｌＮからなる低温バッファ層を３０ｎｍ成長させ、その上にＡｌＮ単結晶層（１．５μｍ：実施例・比較例ではＡｌＮ単結晶からなる光取出し面とした）を成長した（以下、これをＡｌＮテンプレートとする）。これを１ｃｍ□に切り出した。次に石英板１８（厚さ１ｍｍ：材質は実施例・比較例で使用するレンズ２と同等のもの）を１ｍｍ□に切り出した。そして、ＡｌＮテンプレート１７のＡｌＮ単結晶層の面と石英板１８とを各種屈折率緩和物質からなる屈折率緩和物質層３’を介して接合させた（接合時の加熱条件は実施例・比較例と同じ条件である）。屈折率緩和物質層３’は、下記の実施例・比較例と同じとなるように５０μｍとした。接合条件も、同じ屈折率緩和物質を使用した実施例・比較例と同じ条件とした。

得られた、ＡｌＮテンプレート１７／屈折率緩和物質層３’／石英板１８からなる被測定物のせん断強さは、日本電子機械工業会 （Electronic Industries Association of Japan）、現在は、一般社団法人 電子情報技術産業協会（JEITA : Japan Electronics and Information Technology Industries Association）が規定しているＥＩＡＪ ＥＤ４７０３ (１９９４．６制定)Ｋ１１１ ダイボンド強度（ダイシェア）に従い測定した。具体的には、フォースゲージ２０（イマダ製（型番：ＤＰＸ−２０Ｔ））を備えたダイシェアテスター１９（ハイソル製：簡易ダイシェアテスター）を用いて測定した。得られたせん断強さを表１に示した。ＡｌＮテンプレート表面のＡｌＮ単結晶と、ＡｌＮ基板のＡｌＮは本質的に同じものであり、この評価により得られた結果は紫外発光素子の出取出し面をなすＡｌＮ基板と石英レンズの、せん断強さに相当する。

なお、せん断強さを測定した上記被測定物は、光取出し面が窒化アルミニウム単結晶からなる場合を想定した場合のものである。当然、光取出し面がサファイアからなる場合には、サファイアをＡｌＮテンプレートの代わりに使用すればよい。また、屈折率緩和物質からなる層の厚みも、下記の実施例・比較例と同じ厚みとなるように調整すればよい。このように予め想定しうるレンズ、光取出し面の材質、厚みに設定して擬似積層体を作製することで、屈折率緩和物質層のせん断強さを求めることが可能となる。紫外発光素子パッケージそのものを測定することも可能であるが、屈折率緩和物質層以外の部分で剥離（分解）するおそれがあるため、上記方法によりせん断強さを求めた。

実施例１
（評価用サンプル：深紫外発光素子パッケージの作製）
前記方法で作製した深紫外発光ダイオードチップ１の正・負電極を、実装基板１６（ＡｌＮ多結晶焼結体製の実装基板１６）に設けられた電極と対向させ、それぞれの電極パターンが整合するように位置合わせを行った後、はんだにより接合を行った。この場合、光取出し主面（光取出し面４Ａ）はＡｌＮ単結晶基板となる。

その後、フッ素樹脂−１と溶媒とを含む組成物を深紫外発光素子１の光取出し面４Ａ上に配置し、その上に、上記石英レンズ２を配置し、１０ｇの荷重をかけた。荷重をかけるのを止めた後、８０℃で６０分間加熱（１段目の加熱）し、次いで２００℃で６０分間加熱（２段目の加熱）した。１段目の加熱は溶媒の揮発を穏やかに進行させ、樹脂中に空孔等が生成するのを防ぐためであり、２段目の加熱は溶媒を完全に蒸発させるとともに、フッ素樹脂−１のガラス転移点以上の温度で加熱することにより、形成される屈折率緩和物質層の強度および緻密性を高めるためのものである。こうすることにより、深紫外発光素子パッケージを得た（屈折率緩和層３の厚みは５０μｍであった）。深紫外発光ダイオードチップ１の側面に屈折率緩和物質が付着していないことを確認した。

〔紫外発光素子パッケージの光出力の評価方法および結果〕
得られた深紫外発光素子パッケージに、定電流電源（菊水工業製ＰＭＣ２５０−０．２５Ａ）を用いて通電した。各電流値における光出力の値を積分球ユニット（ＳｐｈｅｒｅＯｐｔｉｃｓ製ＳＭＳ-５００）を用いて測定し、石英レンズおよび屈折率緩和物質を有さない構造の発光素子（以下、リファレンスと呼ぶ）の光出力と比較し、その比（光出力比とする）を算出した。結果は、２．０倍となり、屈折率緩和物質層は光取り出し効率の向上には有効である事が示された。また、この光出力比は電流値２５０ｍＡ（電流密度２７０Ａ／ｃｍ^２）までの範囲で一定であった。

〔紫外発光素子駆動時における耐久性の評価方法および結果〕
発光素子寿命評価装置（ダイトエレクトロン製）を用いて、環境温度２５℃、電流値１００ｍＡにおいて、１００時間連続駆動させ、１時間毎に光出力を測定した。合わせて、リファレンスにも同じ電流を注入し、同様に１００時間駆動させ測定を行った。評価用サンプルの相対光出力（各測定時点における測定値を試験開始時における光出力で除した値）と、リファレンスの相対光出力の変化を比較して、駆動中の屈折率緩和物質の劣化による光出力の減少を評価した。

１００時間までの試験において、屈折率緩和層の劣化による光出力の変化は見られなかった。１００時間経過後、実施例１のサンプルを光学顕微鏡により観察した結果、クラックの発生、剥離は確認されなかった。

〔落下テスト〕
屈折率緩和物質を介してレンズと発光素子チップとを接合して得られた深紫外発光素子パッケージ１０個を１ｍの高さから鋼鉄板に落下させた。落下後の紫外発光素子パッケージを観察し、１０個のうち一個以上レンズが発光素子チップから剥離した場合を不合格、剥離するものが見られなかった場合を合格とした。

比較例１
屈折率緩和層を形成する物質として、フッ素樹脂−２を使用した以外は、実施例１と同様の操作を行い、紫外発光素子パッケージの評価を行った。結果を表１中に示した。

比較例２
屈折率緩和層を形成する物質として、シリコーン樹脂−１を使用したこと、およびレンズへ１０ｇの荷重をかけた後の加熱条件を１５０℃で６０分間としたこと以外は、実施例１と同様の操作を行い、紫外発光素子パッケージの評価を行った。結果を表１中に示した。

１ 深紫外発光素子チップ
２ レンズ
２Ａ レンズ底面
３ 屈折率緩和物質（層）
４ 基板
４Ａ 光取出し面
５ 多層膜
６ ｎ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ層
７ 発光層
８ 井戸層
９ 障壁層
１０ 電子ブロック層
１１ ｐ型Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ層
１２ ｐ型クラッド層
１３ ｐ型コンタクト層
１４ 正電極
１５ 負電極
１６ 実装基板
１７ ＡｌＮテンプレート
１８ 石英板
１９ ダイシェアテスター
２０ フォースゲージ

Claims (5)

1. レンズと、発光ピーク波長が２１０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の範囲にある紫外線発光素子とを備え、該レンズの底面と該紫外発光素子の光取出し面とが屈折率緩和物質層を介して接合された積層体を有する紫外発光素子パッケージであって、
   該屈折率緩和物質層が、該紫外線発光素子の発光ピーク波長に対する透過率が９０％以上であって、かつ該レンズと紫外線発光素子とのせん断強さが１．０〜５．０Ｎ／ｍｍ^２となるように該底面と光取出し面とが屈折率緩和物質層を介して接合されてなることを特徴とする紫外発光素子パッケージ。
2. 前記紫外発光素子の光取出し面が、窒化アルミニウム単結晶により形成されることを特徴とする請求項１に記載の紫外発光素子パッケージ。
3. 前記紫外発光素子が、光取出し面を有する窒化アルミニウム単結晶基板、ｎ型半導体層、発光層、及びｐ型半導体層をこの順で備えた積層構造を有し、
   前記屈折率緩和物質層を形成する物質が少なくとも発光層の側面に存在しないことを特徴とする請求項１又は２に記載の紫外発光素子パッケージ。
4. 前記レンズが石英からなることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の紫外発光素子パッケージ。
5. 前記屈折率緩和物質層を形成する物質が、カルボキシル基を有するアモルファスなフッ素樹脂からなることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の紫外発光素子パッケージ。

Images