Led搭载用晶片及其制造方法、以及使用该晶片的led搭载结构体的制作方法

专利名称：Led搭载用晶片及其制造方法、以及使用该晶片的led搭载结构体的制作方法
技术领域：
本发明涉及LED搭载用晶片及其制造方法、以及使用该晶片的LED搭载结构体。
背景技术：
发光二极管(LED)是半导体的PN结流过顺向电流时发光的元件，可使用GaAS、GaN 等的III-V族半导体晶体来制造。近年来，由于半导体的外延生长技术和发光元件工艺技术的进步，转换效率优异的LED被开发出来，广泛应用于各种领域。LED是由在单晶生长基板上使III-V族半导体晶体外延生长而得到的P型层、N型层及被两者所夹持的光活性层构成。通常来讲，在单晶蓝宝石等生长基板上使III-V族半导体晶体外延生长后，安装电极等而形成(专利文献1)。在单晶生长基板上使III-V族半导体晶体外延生长的情况下，由于单晶生长基板与III-V族半导体晶体的晶格常数不同，所以很难生长出良好的LED。因此，有人提出了在单晶生长基板上在低温下形成GaN等的缓冲层，并在其上使GaN外延生长的方法(专利文献2)。另一方面，单晶生长基板存在导热性不良的问题。对于单晶蓝宝石的情况，热导率为40W/mK左右，无法将III-V族半导体元件产生的热充分地散去。特别是对于流过大电流的高输出LED而言，存在元件的温度上升，发光效率降低，元件寿命降低的问题。因此，有人提出了在单晶生长基板上使III-V族半导体晶体外延生长后，隔着金属层接合高导热性基板，之后，去除单晶生长基板的方法(专利文献幻。在这种情况下，作为高导热性基板，研究了导热性优异的铜等材料，但是由于其与III-V族半导体晶体的线性热膨胀系数差异较大，因而无法充分满足用于高输出LED时的要求。专利文献1 日本专利特开2005-117006号公报专利文献2 日本专利特公平5-73252号公报专利文献3 日本特开2006-U8710号公报

发明内容
本发明的目的在于，提供与LED的线性热膨胀系数差较小且导热性优异的LED搭载用晶片、该LED搭载用晶片的制造方法、以及使用该LED搭载用晶片而制造的LED搭载结构体。本发明是一种LED搭载用晶片(以下简称为“晶片”)6，其特征在于，由金属浸渗陶瓷复合体61及在其周围形成的保护层62构成(参照图1)。在本发明的晶片中，优选金属浸渗陶瓷复合体是通过在含有选自碳化硅、氮化铝、氮化硅、金刚石及石墨中的一种以上且气孔率为10-50体积％的多孔体或粉末成形体中浸渗金属而制造，板厚为0. 05-0. 5mm,表面粗糙度(Ra)为0. 01-0. 5 μ m,三点弯曲强度为50MPa以上，温度25°C的热导率为150_500W/mK，温度25°C _150°C的线性热膨胀系数为4-9X10-6/K，体积电阻率为『-ΙΟ-5 Ω · m。另外，在本发明的晶片中，优选保护层是由选自Ni、Co、Pd、Cu、Ag、Au、Pt、Ti、W 及Mo中的一种以上的金属、或者气孔率为3%以下的选自氧化铝、富铝红柱石、氮化铝及氮化硅中的一种以上的陶瓷构成，保护层的厚度为3mm以下(不包括0)，保护层的体积占有率为20体积％以下(不包括0)。而且，在本发明的晶片中，优选金属浸渗陶瓷复合体61在表面具有厚度为 0. 5-10 μ m的选自Ni、Co、Pd、Cu、Ag、Au、Pt及Sn中的一种以上的金属薄层63 (参照图4)。 优选金属薄层的厚度为0. 5-10 μ m,如果小于0. 5 μ m，则缺乏耐化学品性的提高效果，如果大于10 μ m则表面粗糙度可能会增大。金属薄层的形成可通过无电解镀、电镀等镀敷法、蒸镀法等来进行。另外，本发明是一种晶片的制造方法，其特征在于，在金属制或陶瓷制的管状体的内部填充选自陶瓷多孔体、陶瓷粉末成形体及陶瓷粉末中的至少一者，之后，使选自这些陶瓷多孔体、陶瓷粉末成形体及陶瓷粉末中的至少一者所具有的空隙部浸渗金属，然后进行加工。此外，本发明是晶片的制造方法的特征在于，使陶瓷多孔体或陶瓷粉末成形体的空隙部浸渗金属，之后，在其侧面形成保护层后再进行加工、或在进行加工后再形成保护层。此外，本发明是一种LED搭载结构体，其特征在于，采用以下结构S卩，在从本发明的晶片的金属浸渗陶瓷复合体61部分切出的至少一个片所构成的LED搭载用基板5的至少一个面上，依次具有金属薄层51 (或金属薄层51及反射层的金属层31)、反射层3、LED2、 以及透明导电层4，在透明导电层4上安装电极(无图示)(参照图3、图6)。利用本发明的晶片，可提供与LED的线性热膨胀系数差较小的晶片。从构成本发明晶片的金属浸渗陶瓷复合体部分切出至少一个片并将其作为LED搭载用基板。然后，在该LED搭载用基板上搭载LED，来形成本发明的LED搭载结构体。此外，对于本发明的晶片， 由于其相对于制造本发明的LED搭载结构体时所使用的酸及碱的耐化学品性优异，而且导电性大，所以容易形成电极等。另外，本发明的LED搭载结构体是散热性、可靠性优异的高输出的结构体，可以增加每单位面积的发光量。利用本发明晶片的制造方法，能够容易地制造本发明的晶片。


图1是实施例1中制造的本发明晶片的说明图。图2是包含图1的晶片与LED的接合体的说明图。图3是由图2的接合体制造的本发明的LED搭载结构体的说明图。图4是实施例沈中制造的本发明的晶片的说明图。图5是包含图4的晶片和LED的接合体的说明图。图6是由图5的接合体制造的本发明的LED搭载结构体的说明图。标号说明1单晶生长基板11单晶生长基板1表面的η型III-V族半导体的缓冲层
12单晶生长基板1表面的无机化合物的表面涂层2 LED21 LED2的η型III-V族半导体层22 LED2的发光层23 LED2的ρ型III-V族半导体层3反射层31反射层3表面的金属层4透明导电层5 LED搭载用基板51 LED搭载用基板5表面的金属箔层6 晶片61晶片6的金属浸渗陶瓷复合体62晶片6的保护层63金属浸渗陶瓷复合体61表面的金属薄层
具体实施例方式本发明的LED搭载结构体，例如以下所述，能够经由以下工序来制造S卩，在单晶生长基板的表面进行外延生长而形成LED (a工序)；将其与本发明的晶片接合来制造接合体(b工序)；从该接合体中去除单晶生长基板部分来制造中间结构体(c工序)；以及在该中间结构体上形成透明导电层和电极等，并进行切割(d工序)。下面参照附图进行说明。(a工序)该工序是在单晶生长基板的表面进行外延生长而生成LED的工序。具体而言，在单晶生长基板1的表面形成η型III-V族半导体的缓冲层11或无机化合物的表面涂层12，之后，进行外延生长而形成LED (参照图2、图5)。单晶生长基板1可使用与LED的晶格常数之差较小并且缺陷少的材料。从确保 LED的结晶性和均一性、提高对外延生长时的气氛的耐久性的观点来考虑，作为单晶生长基板，优选是单晶蓝宝石、单晶碳化硅、单晶GaAs、单晶Si中的任一者。优选单晶生长基板的厚度为0. 1-1. 0mm。此外，从降低与LED的晶格常数之差的观点来考虑，优选在单晶生长基板1的表面具有由GaN、GaAs或(iaP中的任一者形成的缓冲层11。缓冲层的厚度优选 0. 1-0. 8 μ Hi0另外，为了使单晶生长基板的晶格常数尽可能地接近于LED的晶格常数，优选在单晶生长基板1的表面具有由选自AlN、SiC、GaN及GaAs中的至少一种无机化合物形成的表面涂层12。优选表面涂层的厚度为0. 1-0. 8 μ m。LED2通常由η型III-V族半导体层21、发光层22、ρ型III-V族半导体层23构成，但是在本发明中没有对其进行任何限定。这种LED例如能够利用有机金属气相沉积法 (M0CVD法)、氢化物气相外延法(HVPE法)等外延生长而形成。利用MOCVD法，能够生长出结晶性良好的LED，而对于利用HVPE法的情况，由于晶体生长速度快，所以能够高效地生长出LED。对于进行外延生长而形成的LED，为了进一步提高发光特性，能够对其表面实施蚀亥IJ、研磨等处理。优选LED的厚度为0.6-15 μ m。对于η型III-V族半导体层21、发光层 22、ρ型III-V族半导体层23的厚度，通常分别是0. 3-10 μ m、0. 1_0· 5μπι、0· 3-10 μ m。(b工序)该工序是制造如上所述在单晶生长基板上进行外延生长而形成的LED2
5和本发明的晶片6的接合体的工序。具体而言，在LED的ρ型III-V族半导体层23的表面形成由金属构成的反射层3 (参照图2)，或者在该反射层3的表面根据需要进一步形成金属层31(参照图5)，之后，与本发明的晶片接合。关于本发明的晶片，详见后述。接合是如下进行的，在本发明的晶片的金属浸渗陶瓷复合体61或其表面所形成的金属薄层63的表面，形成由金属构成的反射层3 (或反射层3和金属层31)，之后，使该反射层3的部分(或金属层31的部分)与上述反射层3或上述金属层31进行面接触并进行加热。通过加热， 使两个反射层3彼此(或两个金属层31彼此)一体化，形成一个反射层3 (或一个反射层 3与一个金属层31)(参照图6)。对于加热，优选在20MPa以下边加压边进行。对于加热温度，能够根据反射层3、反射层的金属层31、金属薄层63的种类来从250-550°C的范围中选择。在反射层3和金属薄层63由同种金属构成时，反射层的金属层31不是必需的，但是在由不同种类金属构成时，优选在反射层3的表面具有与金属薄层63为相同种类的反射层的金属层31。反射层3、反射层的金属层31的形成可采用蒸镀法、溅射法等。这些层的金属种类优选是铟、铝、金、银及它们的合金。尤其优选反射层3与金属薄层63由同种金属种类构成。对于反射层3、反射层的金属层31的厚度，若极厚，则密合性可能会降低，因此优选分别是0. 5-10 μ m，特别优选分别是0. 5-2 μ m。对于它们的厚度，优选反射层3的厚度与金属薄层63的厚度相同，或者在10%以内稍厚或稍薄。以上说明了金属薄层63的厚度。(c工序)该工序是从上述接合体中去除单晶生长基板1、缓冲层11及表面涂层12 的工序。单晶生长基板的去除可通过从单晶生长基板侧进行激光照射、研磨、蚀刻等来进行。缓冲层可通过蚀刻等来去除，表面涂层可通过研磨加工等去除。通过该工序，接合体变化成由标号2、3 (或3与31)、6构成的中间结构体。(d工序)该工序是对上述中间结构体中露出的η型III-V族半导体层21进行表面加工，之后，形成透明导电层4，并在该透明导电层上形成电极(无图示)，之后，切割成所需要的形状，来制造本发明的LED搭载结构体的工序(参照图6)。通过该切割，金属浸渗陶瓷复合体61成为LED搭载用基板5，金属薄层63成为LED搭载用基板表面的金属薄层51。对于η型III-V族半导体层21的表面加工，优选利用ICP干法蚀刻等来进行，从而使其平坦化成适合于形成透明导电层的表面。透明导电层是为了分散电流而形成的层，可利用电子束蒸镀法、溅射法等形成为0. 05-0. 8 μ m的厚度。对于透明导电层的材质，优选是选自氧化铟锡、氧化镉锡、氧化铟锌、氧化铝锌、氧化锡锌、氧化锡锑中的至少一种金属。电极的形成可采用蒸镀法、溅射法等。电极材料可从Au、Ag、Al等中选择。切割可利用激光切害IJ、切片等来进行。本发明中，也能够最开始就从金属浸渗陶瓷复合体的部分切出至少一个片(即， LED搭载用基板5)，使用其进行按照上述工序的操作(其中，不需要d工序的切割操作。)， 来制造本发明的LED搭载结构体。但是，从生产率的角度进行考虑，优选利用上述工序进行。 接下来，对本发明的晶片及其制造方法进行说明。 本发明的晶片6由金属浸渗陶瓷复合体61及在其周围形成的保护层62构成。搭载LED的是从上述金属浸渗陶瓷复合体部分切出的至少一个片，即，LED搭载用基板5。从该观点进行考虑，本发明的晶片作为LED搭载用基板的母材而发挥功能。
6
首先，对金属浸渗陶瓷复合体61进行说明。LED搭载用基板所需满足的条件是 (a)具有能够耐受将单晶生长基板与LED搭载用基板接合时的强度，该单晶生长基板上有外延生长而成的LED ； (b)在接合面不存在孔隙、异物等的夹杂物，接合面变得平坦；(c) 散热性良好；(d)具有适度的热导率和线性热膨胀系数。通过将金属浸渗陶瓷复合体的三点弯曲强度设为50MPa以上，从而能够满足(a)，通过将金属浸渗陶瓷复合体的表面粗糙度(Ra)设为0.01-0. 5 μ m，从而能够满足(b)，通过将金属浸渗陶瓷复合体的板厚设为 0. 05-0. 5mm，从而能够满足(c)，通过使用在含有选自碳化硅、氮化铝、氮化硅、金刚石及石墨中的一种以上、气孔率为10-50体积％的陶瓷多孔体或陶瓷粉末成形体浸渗金属而制造的金属浸渗陶瓷复合体，从而能够满足(d)。金属浸渗陶瓷复合体的优选浸渗金属的种类，是以铝为主成分的铝合金，特别优选三点弯曲强度为200-400MPa，特别优选的表面粗糙度(Ra)为0. 01-0. 2 μ m，特别优选的板厚为0. 08-0. 3mm，特别优选的上述陶瓷多孔体的气孔率为15-35体积％。此外，优选金属浸渗陶瓷复合体的热导率为150-500W/mK(温度25°C )。此外，优选的线性热膨胀系数为4-9X 10-6/K (温度25 0C -1500C )，特别优选的线性热膨胀系数为4. 5-8 X 10_6/K (温度 250C -150°C )。另外，优选金属浸渗陶瓷复合体的体积电阻率小于10_5Ω · m。如果金属浸渗陶瓷复合体的三点弯曲强度小于50MPa，则可能无法耐受制造LED 搭载结构体的各工序中产生的应力。如果表面粗糙度(Ra)小于0.01 μ m，则变得难以加工， 并导致成本增加，如果大于0. 5 μ m，则与LED的密合性可能会降低。如果板厚小于0. 05mm, 则在制造LED搭载结构体的各工序中的处理变得困难，如果大于0. 5mm,则用于形成最终形状的加工费增加。如果上述陶瓷多孔体的气孔率小于10体积％ (金属小于10体积％)，则热导率变小，如果大于50体积％ (金属大于50体积％ )，则金属浸渗陶瓷复合体的线性热膨胀系数可能变大。如果金属浸渗陶瓷复合体的线性热膨胀系数(温度25°C-150°C)超出4_9X10_6/ K的范围，则可能会由于与LED的线性热膨胀系数存在差异而使得在接合后产生翘曲，或者在作为LED搭载结构体使用时接合层可能会剥离，甚至LED可能会断裂。此外，如果热导率 (温度25°C )小于150W/mK，则无法充分地将LED产生的热散出，特别是对于需要流过大电流的高输出LED，LED的温度上升可能会使发光效率降低，随之引起元件寿命的降低。虽然也可以超过500W/mK，但是晶片的价格上升。如果体积电阻率在10_5Ω ·πι以上，则可能会引起发光效率的降低等。从是否能容易地获得材料的角度来考虑，优选体积电阻率的下限值为 10_9Ω · m。对于金属浸渗陶瓷复合体的三点弯曲强度，能够通过改变碳化硅、氮化铝、氮化硅、金刚石及石墨的粒度及其含量来进行增减，对于表面粗糙度(Ra)及板厚，能够通过改变加工条件来增减。对于热导率与线性热膨胀系数，能够通过改变上述陶瓷多孔体或上述陶瓷粉末成形体的气孔率、金属的种类及其含量等来增减。对于体积电阻率，能够通过改变浸渗金属的种类及含量来增减。对于金属浸渗陶瓷复合体，由于其自身具有导电性，所以容易在LED上形成电极。 蓝宝石基板等的单晶生长基板，需要利用蚀刻等去除LED的上部，然后在同一面侧形成电极，但若使用从金属浸渗陶瓷复合体切出的片(LED搭载用基板)，则无需该操作。其结果， 能够使LED的每单位面积的发光量增加。
LED搭载用基板(即，从本发明的晶片的金属浸渗陶瓷复合体的部分切出的片)5， 除了需要满足上述条件(a)-(d)之外，优选耐化学品性优异的。此处，所谓耐化学品性是指，在温度25°C的5当量的HCl水溶液或温度75°C的10当量的NaOH水溶液中浸渍1分钟时，每单位面积的质量减少量相对于任意的化学品为0. 2mg/cm2以下，特别是在0. lmg/cm2 以下。如果质量减少量超过0. ang/cm2，则在LED搭载结构体的制造工序中，可能会发生下述不良情况即，LED搭载用基板的金属成分溶出而导致热导率等降低；在利用激光切割、 切片等切割成规定形状时产生崩碎，LED搭载结构体的成品率降低等。能够通过在LED搭载用基板5上形成金属薄层51来赋予耐化学品性。另外，由于在晶片6的侧面具有保护层62，所以，尤其在该保护层为选自Ni、C0、Pd、Cu、Ag、Au、Pt、Ti、 W及Mo中一种以上的金属，或者是选自氧化铝、富铝红柱石、氮化铝及氮化硅中的一种以上的气孔率为3%以下的陶瓷，特别是气孔率为3%以下的氧化铝或者富铝红柱石时，可赋予更高的耐化学品性。优选保护层62的厚度在3mm以下(不包括0)，优选保护层的体积占有率为20体积％以下(不包括0)。对保护层的厚度下限与体积占有率的下限没有特别的限制，只要是能够保护其不受在加工金属浸渗陶瓷复合体时的冲击等外部因素的影响的厚度即可。另一方面，如果厚度大于3mm或者体积占有率大于20体积％，则晶片的金属浸渗陶瓷复合体的部分变少，所以本发明的LED搭载结构体的成品率降低，而且，金属浸渗陶瓷复合体与保护层的线性热膨胀系数可能会引起剥离。特别优选的保护层厚度为0. 002-2mm，特别优选的体积占有率为0. 1-15体积％。金属浸渗陶瓷复合体也能够使用浸渗法、粉末冶金法等任一种方法来制造。若使用浸渗法，则容易获得较高的热导率。浸渗法包括在常压下进行的方法、和在高压下进行的方法(高压锻造法)，该高压锻造法包括液态模锻法和压铸法。像本发明这样，在金属浸渗陶瓷复合体的周围形成保护层时，特别优选液态模锻法。需要说明的是，液态模锻法是在高压容器内装填陶瓷粉末、陶瓷粉末成形体、或陶瓷多孔体，在高温、高压下向这些空隙部浸渗铝合金等金属熔汤的方法。以下，对液态模锻法进行更详细的说明。作为陶瓷，从热导率高、线性热膨胀系数小的观点出发，优选选自碳化硅、氮化铝、 氮化硅、金刚石及石墨中的一种以上。能够根据陶瓷的种类、金属的种类、它们的构成比例来调整热导率及线性热膨胀系数。对于陶瓷，即使在粉末状态下，也能够与金属复合化，但是优选使用陶瓷粉末与例如甲基纤维素、氧化硅溶胶等粘合剂制造陶瓷粉末成形体，或者进一步烧结该陶瓷粉末成形体来制造气孔率为10-50体积％的陶瓷多孔体。它们的形状为板状、圆柱状等，没有特别限制。陶瓷粉末成形体的成形方法可以采用冲压成形、压铸成形等通常的陶瓷粉末的成形方法。对于陶瓷多孔体的气孔率，能够通过改变陶瓷粉末的粒度、成形压力、烧结条件等来进行调整。接下来，将选自陶瓷粉末、陶瓷粉末成形体、及陶瓷多孔体中的至少一种填充到金属制或陶瓷制的管状体的内部，然后用涂覆了脱模剂的夹具等来固定该填充物的一个或两个以上。例如，用涂覆了脱模剂的例如不锈钢板、陶瓷板等脱模板夹持着多个上述填充物来进行层叠，用金属制、陶瓷制等的螺钉-螺帽等进行连结，从而制造层叠体。脱模剂可使用石墨、氮化硼、氧化铝等。将所得到的层叠体在温度600-800。C左右进行加热，之后，在高压容器内配置一个或二个以上，注入加热到熔点以上的金属熔汤，以30MPa以上的压力进行加压，使金属浸渗到选自陶瓷粉末、陶瓷粉末成形体、及陶瓷多孔体中的至少一者所具有的空隙部中。由此， 制造金属浸渗陶瓷复合体。还能够对金属浸渗陶瓷复合体进行退火处理来去除浸渗时的应力。如果加热温度小于温度600°C或者浸渗时的压力小于30MPa，则金属浸渗陶瓷复合体的热导率可能会降低。此外，如果温度超过800°C，则会导致陶瓷的表面氧化，这可能还会影响热导率特性。特别优选的浸渗压力为50-150MPa。作为金属浸渗陶瓷复合体浸渗的金属，优选铝合金、镁合金、铜合金、硅合金。特别优选的是，含有70质量％以上的铝的铝合金。如果铝合金的含量小于70质量％，则热导率不会大幅提高。另外，为了使铝合金充分地渗透到空隙内，优选熔点尽可能地低的铝合金。 作为这种铝合金，例如是含有5-25质量％的硅的铝合金。另外，通过使镁的含量为5质量％ 以下，从而使陶瓷与金属的结合变得更为牢固，因而是优选的。将得到的浸渗品使用车床、圆筒磨床等或根据需要使用金刚石磨石，来加工成存在于金属浸渗陶瓷复合体周围的管状体露出的圆柱形状。对于晶片的结构，尽管会通过改变管状体的内径尺寸等来调整，但是还会以该加工时的研磨量来调整圆柱体的外径尺寸等，从而调整出最终的晶片形状。即，决定保护层的厚度、体积占有率。上述方法是使用管状体将其制成保护层，但是，也可以与其不同，S卩，首先，使陶瓷多孔体或陶瓷粉末成形体的空隙部浸渗金属，之后，在其侧面形成保护层的方法。具体而言，将陶瓷粉末成形体或陶瓷多孔体在温度600-80(TC进行加热，之后，在高压容器中配置一个或二个以上，注入加热到熔点以上的金属熔汤，以30MPa以上的压力进行加压，使金属浸渗到陶瓷粉末成形体或陶瓷多孔体的空隙部中。对得到的浸渗品使用车床、圆筒磨床等或根据需要使用金刚石磨石加工成圆柱体。之后，在其周围(侧面)利用镀敷、蒸镀、溅射， 形成选自Ni、Co、Pd、Cu、Ag、Au、Pt、Ti、W及Mo中的一种以上的保护层。然后，将用上述任意方法制造的圆柱体利用多线切割机、内刃切割机等进行切割， 切割成比晶片的最终形状要厚0. 1-0. 5mm左右的板厚，之后，经表面精加工而制造本发明的晶片。上面说明了本发明的晶片也可以具有选自Ni、Co，Pd、Cu、Ag、Au、Pt及Sn中的一种以上的金属薄层63。切割方法没有特别限定，但切割损失少、适于量产性的多线切割机是适合的。对于表面精加工，优选的是使用双面磨床、旋转磨床、平面磨床、研磨抛光机等加工机，进行面加工，加工成板厚为0. 05-0. 5_、表面粗糙度(Ra)为0. 01-0. 5 μ m。在LED搭载结构体的制造工序中，在将本发明的晶片与LED接合后进行研磨加工的情况下，可能仅对单面(接合面)进行面加工。实施例实施例1晶片的制造将市售的碳化硅(SiC)粉末A (平均粒径200 μ m) 1800g、碳化硅粉末B (平均粒径 20μm)9(K)g、碳化硅粉末C(平均粒径2μm)3(K)g、及成形粘合剂(甲基纤维素、信越化学工业社制、“Metolose”) 150g用搅拌混合机混合30分钟，之后，以面压IOMI3a进行冲压成形，形成尺寸055mmX110mm的圆柱状，之后，以成形压力IOOMPa进行CIP成形，来制造成形体。将其在大气气氛中以温度600°C进行2小时的脱脂处理，之后，在氩气氛下，以温度2100°C 烧成2小时，之后，在加工中心利用金刚石制磨石加工成外形尺寸为Φ48. 8mmX IOOmm的形状，从而制造陶瓷多孔体(气孔率20%)。将该陶瓷多孔体插入氧化铝管(外径尺寸Φ 52. 3mm X 100mm、内径尺寸 Φ49πιπιΧ 100mm)，之后，插入涂覆有氮化硼制脱模剂的筒状石墨夹具(外形尺寸 70mm X 70mm X 100mm、内径尺寸Φ 52. 5mm X 100mm)，来制造结构体。将4个该结构体层叠在一起并使该结构体之间夹持脱模板(在70mmX 100mmX0. 8mm的不锈钢板上涂覆石墨制脱模剂而成)，在两侧配置厚度12mm的铁板，以8根螺钉连接，从而制成一个层叠体 (140. 8mmX140. 8mmX100mm)。将该层叠体以电炉预加热到温度700°C后，收纳到预先加热的冲压模具(内径 Φ400mmX 300mm)中，注入铝合金的熔汤(合金组成Si为12质量％、Mg为1质量％、A1 为87质量％、温度800°C )，以IOOMPa的压力加压25分钟，使其浸渗铝合金。冷却至室温后，用湿式带锯沿着脱模板的形状剥离脱模板，以车床去除石墨夹具部分，之后，在530°C的温度进行3小时退火处理来去除应力，从而制造浸渗品(Φ52πιπιΧ IOOmm的圆柱体)。对该浸渗品利用研磨加工切出线性热膨胀系数测定用试验体(c53mmX10mm)、热导率测定用试验体(25mmX25mmXlmm)、三点弯曲强度测定用试验体(3mmX 4mmX 40mm)、 体积电阻率测定用试验体(40mmX40mmX5mm)，用热膨胀计(精工电子工业社制；TMA300) 来测定温度25°C _150°C的线性热膨胀系数，用激光脉冲法(ULVAC社制；TC3000)来测定温度25°C下的热导率，用弯曲强度试验机来测定三点弯曲强度，利用4端子法(按照JIS R1637)来测定体积电阻率。其结果是，线性热膨胀系数为5. 1X10_6/K、热导率为250W/mK、 三点弯曲强度为350MPa、体积电阻率为8X 10_7Ω · m(表1)。使用圆筒磨床借助金刚石磨石对上述浸渗品进行外周加工，加工成 Φ50. SmmXlOOmm的形状，之后，使用多线切割机借助金刚石磨石，以切割进给速度0. 2mm/ miN，切割为板厚0. 3mm的圆盘。使用双面磨床借助#600的金刚石磨石对该圆盘进行研磨加工，加工成板厚0. 22mm，之后，使用研磨抛光机借助金刚石磨石进行研磨加工直到板厚为 0.2mm，之后，在纯水中、接着在异丙醇中进行超声波清洗并干燥，制造本发明的晶片(参照图1)。晶片的特性关于该晶片6，中心部分是金属浸渗陶瓷复合体61，其周围由氧化铝保护层62构成(参照图1)。用表面粗糙度计测得的表面粗糙度(Ra)为0.08 μ m，用工业显微镜测得的氧化铝保护层的厚度为0. 9mm、保护层的体积占有率为7. 0%。此外，在晶片的上下表面利用蒸镀法形成金属薄层63 (厚度为0. 5 μ m的Au层) (参照图4)，评价耐化学品性。耐化学品性是如下进行计算的，在温度25°C的5当量的HCl 水溶液中浸渍1分钟后用蒸馏水进行水洗，之后，在温度75°C的ION的NaOH水溶液中浸渍1分钟，之后，以蒸馏水进行水洗，测定质量，计算每单位面积的质量减少量。其结果是 0. Olmg/cm2。LED搭载结构体的制造如图2所示，在板厚为0. 5mm的单晶生长基板(单晶蓝宝石基板)1上，使用氨气和三甲基镓，作为载气使用氢和氮的混合气体，在温度1100°C下利用MOCVD法形成0. 3 μ m的η型III-V族半导体的缓冲层(η型GaN缓冲层)11，然后进行外延生长，形成4. 1 μ m的 LED2。LED由2 μ m的η型III-V族半导体层(η型GaN半导体层)21、0. 1 μ m的发光层(GaN 发光层)22、及2 μ m的ρ型III-V族半导体层(ρ型GaN半导体层)23构成。然后，分别在LED2的ρ型GaN半导体层23的表面与在上述制造的本发明的晶片 6的表面上，将银/锡合金(Ag为3. 5质量％、Sn为96. 5质量％ )金属层的反射层3真空蒸镀成厚度为2 μ m。使上述反射层3彼此面接触进行层叠，在温度400°C、5MPa的加压下保持5分钟。 2个反射层被融合而形成1个反射层3。从单晶生长基板(单晶蓝宝石基板)侧照射输出为40MW/cm2的氮气激光，从而将单晶蓝宝石基板1从所得到的接合体剥离。此外，利用该激光照射，使η型GaN缓冲层11被分解成( 和氮，利用所产生的氮气剥离单晶蓝宝石基板。 通过该工序，接合体变化成由标号2、3、6构成的中间结构体。然后，利用蚀刻去除露出的η型GaN缓冲层11，然后在LED2的表面形成厚度为 0.4μπι的氧化铟锡(Sn为4.5质量％)透明导电层4。之后，在该透明导电层上蒸镀Au作为η型电极，然后经切片切割为ImmX 1mm，来制造本发明的LED搭载结构体(参照图3，其中未图示电极)。实施例2-5、比较例1-3对于实施例2、3及比较例1、2，除以下条件之外，与实施例1同样地制造晶片，上述条件是即，改变多线切割机加工时的切割宽度；对板厚进行各种改变。另外，对于实施例 4、5及比较例3，除以下条件之外，与实施例1同样地制造晶片，上述条件是即，改变研磨抛光机加工时的金刚石磨石的粒度；改变表面粗糙度。将这些结果示于表1。实施例6-13在实施例1中制造的晶片上，用表2中示出的方法形成各种金属薄层63 (参照图 4)，评价耐化学品性。这些结果示于表2。实施例14-22将实施例1中制造的陶瓷多孔体(气孔率20%)在加工中心用金刚石制磨石加工成表3所示的外径尺寸。将它们分别插入金属制或陶瓷制的管状体(外径尺寸 Φ 52. 3mmX100mm、内径尺寸表幻，然后使用氮化硼制脱模剂，放入筒状的石墨夹具(外形尺寸70_X70_X100mm、内径尺寸Φ52. 5mmX 100mm)，来制造结构体，之后与实施例1 相同地进行直至退火处理的操作，从而制造金属浸渗陶瓷复合体。之后，与实施例1相同， 基于该金属浸渗陶瓷复合体制作Φ50. 8mmX0. 2mm的形状且周围具有与金属制或陶瓷制的管状体对应的材质的保护层的晶片。这些结果示于表3。实施例23将实施例1的CIP成形体在大气气氛中、温度600°C进行2小时脱脂处理，之后，在氩气氛下、温度2100°C烧成8小时，制造气孔率为10%的陶瓷多孔体，除此之外，与实施例 1同样地进行到退火处理为止的操作，制造金属浸渗陶瓷复合体。其结果是，金属浸渗陶瓷复合体的线性热膨胀系数为4. 6X 10—7K、热导率为270W/mK、三点弯曲强度为320MPa、体积电阻率为1.6Χ10_6Ω ·πι。之后，与实施例1同样，基于该金属浸渗陶瓷复合体制造晶片， 其结果是，晶片的表面粗糙度(Ra)为Ra 0. 06 μ m、氧化铝保护层的厚度为0. 9mm、体积占有率为7. 0%、耐化学品性为0. Olmg/cm2。
实施例24对于碳化硅粉末D(市售品平均粒径10ym)2000g、氧化硅溶胶(日产化学社制SN0WTEX)300g的混合粉末，以面压30MPa进行冲压成形，形成为尺寸Φ52X IOOmm的圆柱状，制造成形体。将得到的成形体在温度120°C干燥1小时，之后，在氮气氛下以温度 1400°C烧成2小时，制造气孔率为50%的陶瓷多孔体，除此之外，与实施例1同样地进行到退火处理为止的操作，来制造金属浸渗陶瓷复合体。其结果是，金属浸渗陶瓷复合体的线性热膨胀系数为9. 5X10_6/K、热导率为180W/mK、三点弯曲强度为500MPa、体积电阻率为 3 X ΙΟ"7 Ω ·πι。之后，与实施例1相同，基于该金属浸渗陶瓷复合体制造晶片，其结果是，表面粗糙度(Ra)为Ra 0. 09 μ m、氧化铝保护层的厚度为0.9mm、体积占有率为7.0%、耐化学品性为 0. Oang/cm2。实施例25将碳化硅粉末D 138g、碳化硅粉末E (市售品平均粒径150 μ m) 255g的混合粉末填充到氧化铝管(外径尺寸Φ52. 3mm X 100mm、内径尺寸Φ49πιπιΧ 100mm)中，制成陶瓷粉末成形体(气孔率35 % )，然后插入筒状石墨夹具，来制造结构体，除此之外，与实施例1 同样地进行到退火处理为止的操作，来制造金属浸渗陶瓷复合体。其结果是，金属浸渗陶瓷复合体的线性热膨胀系数为7. 5X 10—7K、热导率为210W/mK、三点弯曲强度为400MPa、体积电阻率为5Χ10_7Ω ·πι。然后，与实施例1同样，基于该金属浸渗陶瓷复合体制造晶片，其结果是，表面粗糙度(Ra)为0.08 μ m、氧化铝保护层的厚度为0.9mm、体积占有率为7.0%、 耐化学品性为0. Olmg/cm2。实施例沈晶片的制造将实施例1中制造的陶瓷多孔体在加工中心用金刚石磨石加工成外形尺寸为Φ52πιπιΧ100πιπι的形状，之后，涂覆氮化硼的脱模剂，插入筒状铁制夹具(外形尺寸 70mmX70mmX100mm、内径尺寸Φ52. 5mmX 100mm)，来制造结构体。将4个该结构体层叠在一起并使该结构体夹持脱模板(在70mmX 70mmXO. 8mm的不锈钢板上涂覆石墨脱模剂而制成)，从而形成层叠体(140. 8mmX 140. 8mmX 100mm)，以在其两侧夹着陶瓷板(厚度IOmm) 的方式来配置铁板(厚度12mm)，以螺钉连接。之后，与实施例1同样地进行到退火处理为止的操作，来制造金属浸渗陶瓷复合体。对于得到的金属浸渗陶瓷复合体，利用圆筒磨床借助金刚石磨石进行外周加工， 加工成Φ 50. 8mmX IOOmm的圆柱形状，之后，清洗表面，然后利用NaOH溶液对表面的铝合金部进行蚀刻，以将其去除，进行无电解镀处理，形成厚度为10 μ m的Ni-P镀层。之后，对于圆柱形状的金属浸渗陶瓷复合体，使用多线切割机借助金刚石磨石，以切割进给速度0. 2mm/ min进行切割加工，加工成板厚0. 3mm的圆板状。对于圆板状的金属浸渗陶瓷复合体，使用双面磨床借助#600的金刚石磨石进行研磨加工，加工成板厚0. 22mm，之后，使用研磨抛光机借助金刚石磨石，进行研磨加工直到板厚0. 2mm，之后，在纯水中、然后在异丙醇中进行超声波清洗、干燥，制成中心部分为金属浸渗陶瓷复合体61、其周围由金属层(Ni)保护层62 构成的晶片6(参照图1)。该晶片的表面粗糙度(Ra)为Ra 0. 09 μ m、Ni保护层的厚度为 0. 01mm、体积占有率为0. 04%、耐化学品性为0. Olmg/cm2。LED搭载结构体的制造
12
如图5所示，在板厚为0. 5mm的单晶生长基板(单晶蓝宝石基板)1上利用CVD法形成2μπι的由SiC构成的表面涂层12，之后，使用氨气和氯化镓，作为载气使用氢气，在温度1050°C利用HVPE法进行外延生长，来形成厚度为4. 1 μ m的LED2。LED2由2 μ m的η型 III-V族半导体层(η型GaN半导体层)21、0. Ιμπι的发光层(GaN发光层)22、及2 μ m的ρ 型III-V族半导体层(P型GaN半导体层)23构成。接下来，在LED2的ρ型GaN半导体层23表面，利用真空蒸镀法将银蒸镀成0. 5 μ m 的厚度，来形成反射层3，之后，将Au/锡合金(Au为80质量％、Sn为20质量％ )蒸镀成 1. 5 μ m的厚度，从而形成金属层31。在上述制造的晶片6表面，也用同样的方法将Au/锡合金蒸镀成1. 5 μ m的厚度来形成金属层31。使双方的金属层31面接触而层叠，在温度 500°C、5MPa的加压下保持5分钟，从而制造接合体。由此，双方的金属层31融合而形成1 个金属层31。对得到的接合体进行酸处理，以蚀刻单晶生长基板(单晶蓝宝石基板)1来将其去除，之后，利用研磨加工来完全地去除表面涂层12。接着，利用蚀刻来使露出的LED2表面粗糙化，之后，将氧化铟锡(Sn为4.5质量％)透明导电层4形成为0.2μπι的厚度。然后，作为η型电极，对Au进行蒸镀，之后，进行激光加工，来制造LED搭载结构体(参照图6，但未图示电极)。实施例27作为陶瓷多孔体，使用各向同性石墨成形体(Τ0ΚΑΙ CARBON CO.，LTD制G458、气孔率13体积％、尺寸100mmX IOOmmX 100mm)，而作为脱模板使用涂覆了石墨脱模材料的不锈钢板(IOOmmX IOOmmX0. 8mm)，除此之外，按照实施例1来进行到退火处理为止的操作，来制造金属浸渗陶瓷复合体。该金属浸渗陶瓷复合体的线性热膨胀系数为5. 5X10-6/ K、热导率为250W/mK、三点弯曲强度为60MPa、体积电阻率为1. 5X IO"7 Ω · m。对该金属浸渗陶瓷复合体使用金刚石锯进行切割加工，之后，使用圆筒磨床借助金刚石磨料进行外周加工，加工成直径50. 8mmX IOOmm的圆柱形状，与实施例沈相同，制造在其周围具有金属层(Ni)保护层的晶片。该晶片的表面粗糙度(Ra)为0.15 μ m、Ni保护层的厚度为0. 01mm、体积占有率为0. 04、耐化学品性为0. 02mg/cm2。实施例观将氮化铝粉末(平均粒径2ym088Og、氧化钇粉末(平均粒径1 μ m) 120g、成形粘合剂(甲基纤维素)150g、及纯水150g的混合粉末以面压IOMI^a进行冲压成形，之后，进一步以成形压力IOOMPa进行CIP成形，从而制成CIP成形体(直径55mmX IlOmm)。将其在大气气氛中、温度600°C下进行2小时脱脂处理，之后，在氮气氛下、温度1780°C烧成4 小时，来制造烧结体，之后，以加工中心使用金刚石磨石，制造气孔率为22%的陶瓷多孔体 (直径52mmX 100mm)。除了使用该陶瓷多孔体、及使用纯铝代替铝合金之外，都按照实施例 1来进行到退火处理为止的操作，来制造金属浸渗陶瓷复合体。该金属浸渗陶瓷复合体的线性热膨胀系数为5. 3X 10—7K、热导率为180W/mK、三点弯曲强度为420MPa、体积电阻率为 7. 5 X ΙΟ"7 Ω ·πι。然后，与实施例27相同地基于该金属浸渗陶瓷复合体来制造晶片。晶片的表面粗糙度(Ra)为0. 07 μ m、Ni保护层的厚度为0. 01mm、体积占有率为0. 04%、耐化学品性为 0. 01mg/cm2。实施例四
使用氮化硅粉末(平均粒径1 μ m) 2790g、氧化钇粉末(平均粒径1 μ m) 150g、及氧化镁粉末(平均粒径1 μ m) 60g的混合物，除此之外，与实施例28相同地制造了 CIP成形体。 将其在0. 9MPa的氮加压气氛下、温度1880°C烧成4小时，来制造烧结体，之后在加工中心使用金刚石磨石，来制造气孔率为13%的陶瓷多孔体(直径52mmX 100mm)。以下，与实施例观相同地制造了金属浸渗陶瓷复合体及晶片。金属浸渗陶瓷复合体的线性热膨胀系数为4. OX 10—7K、热导率为150W/mK、三点弯曲强度为450MPa、体积电阻率为1. IX IO"6Ω ·πι。 此外，晶片的表面粗糙度(Ra)为Ra 0. 09 μ m、Ni保护层的厚度为0. 01mm、体积占有率为 0. 04%、耐化学品性为0. 01mg/cm2。实施例30将金刚石粉末A (Diamond Innovations 社制、MBG-600、平均粒径120ym)7g、金刚石粉末B (Diamond Innovations社制、MBG-600、平均粒径15 μ m) 3g在氧化铝制乳钵中混合10分钟。在石墨夹具X (外形尺寸70mmX70mmX20mm、内径尺寸直径52. 5mm X 20mm) 中插入筒状石墨夹具Y (外形尺寸直径52. 4mmX 9mm)后，填充上述金刚石混合粉末10g， 进一步在金刚石的混合粉末上面插入石墨夹具Y，制成气孔率为35%的陶瓷粉末成形体。将该陶瓷粉末成形体按照实施例1制成层叠体，之后，实施浸渗处理，制造了由筒状石墨夹具包围的金属浸渗陶瓷复合体(70mmX70mmX20mm)。该金属浸渗陶瓷复合体的线性热膨胀系数为7. 5X10_6/K、热导率为500W/mK、三点弯曲强度为320MPa、体积电阻率为 5Χ1(Γ7Ω · m。然后，在两主面侧(70mmX70mm)使用金刚石磨石借助平面磨床进行研磨加工，直到金属浸渗陶瓷复合体露出，并加工成板状体(70mmX70mmX3mm)。之后，用喷水加工机进行外周加工，加工成圆板(直径50. 8mmX3mm)形状，清洗表面，之后，利用NaOH溶液对表面的铝合金部进行蚀刻，以将其去除，进行无电解镀处理，形成厚度为10 μ m的Ni-P镀层，之后，使用平面磨床借助金刚石磨石对金属浸渗陶瓷复合体的两主面进行研磨加工，制造周围具有金属层(Ni)的保护层的晶片。晶片的表面粗糙度(Ra)为0.3 μ m、M保护层的厚度为0. 01mm、体积占有率为0. 04%、耐化学品性为0. Olmg/cm2。实施例31将实施例1的陶瓷多孔体(外形尺寸直径52mmX高100mm、气孔率20% )在加工中心用金刚石磨石进行加工，加工成外形尺寸为直径52mmX 20mm的圆盘。将该圆盘和块状的有机硅放入涂覆了 BN粉的石墨坩埚，安置到电炉内。将炉内抽真空，在1650°C保持8 小时，使圆盘浸渗有机硅。冷却至室温后，用圆筒磨床去除多余的有机硅，来金属浸渗陶瓷复合体。该金属浸渗陶瓷复合体的线性热膨胀系数为4. 3X 10_6/K、热导率为210W/mK、三点弯曲强度为250MPa、体积电阻率为1Χ10_5Ω · m。然后，与实施例沈同样地制造晶片。晶片的表面粗糙度(Ra)为0. 15 μ m、Ni保护层的厚度为0. 01mm、体积占有率为0. 04%、耐化学品性为0. 005mg/cm2。表1
1权利要求
1.一种LED搭载用晶片(6)，其特征在于，由金属浸渗陶瓷复合体(61)及在其周围形成的保护层(62)构成。
2.如权利要求1所述的LED搭载用晶片，其特征在于，金属浸渗陶瓷复合体是使含有选自碳化硅、氮化铝、氮化硅、金刚石及石墨中的一种以上且气孔率为10-50体积％的多孔体或粉末成形体中浸渗金属而制造的，板厚为 0.05-0. 5mm，表面粗糙度(Ra)为0. 01-0. 5 μ m，三点弯曲强度为50MPa以上，温度25°C的热导率为150-500W/mK，温度25°C _150°C的线性热膨胀系数为4_9X 10_6/K，体积电阻率为 1 (Γ9-1(Γ5 Ω .m。
3.如权利要求1或2所述的LED搭载用晶片，其特征在于，保护层是由选自Ni、Co、Pd、Cu、Ag、Au、Pt、Ti、W&Mo中的一种以上的金属、或者是由气孔率为3%以下的选自氧化铝、富铝红柱石、氮化铝及氮化硅中的一种以上的陶瓷构成， 保护层的厚度为3mm以下(不包括0)，保护层的体积占有率为20体积％以下(不包括0)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的LED搭载用晶片，其特征在于，金属浸渗陶瓷复合体(61)在表面具有厚度为0. 5-10 μ m的选自Ni、Co、Pd、Cu、Ag、Au、 Pt及Sn中的一种以上的金属薄层(63)。
5.一种LED搭载用晶片的制造方法，所述LED搭载用晶片是权利要求1至4中任一项所述的LED搭载用晶片，其特征在于，在金属制或陶瓷制管状体的内部填充选自陶瓷多孔体、陶瓷粉末成形体及陶瓷粉末中的至少一者，之后，使选自这些陶瓷多孔体、陶瓷粉末成形体及陶瓷粉末中的至少一者所具有的空隙部浸渗金属，然后进行加工。
6.如权利要求5所述的LED搭载用晶片的制造方法，其特征在于，将使陶瓷多孔体、陶瓷粉末成形体所具有的空隙部浸渗金属而得到的金属浸渗陶瓷复合体加工成圆柱形状，之后，利用镀敷、蒸镀、溅射在侧面部形成金属层，并进行加工。
7.—种LED搭载结构体，其特征在于，采用以下结构在从权利要求1至4中任一项所述的LED搭载用晶片(6)的金属浸渗陶瓷复合体(61) 部分切出的至少一个片所构成的LED搭载用基板5的至少一个面上，依次具有金属薄层 (51)、反射层(3)、LED(2)、以及透明导电层G)，或者依次具有金属薄层(51)、反射层(3) 的金属层(31)、反射层(3)、LED(2)、以及透明导电层G)，在透明导电层⑷上安装有电极 (未图示)。
全文摘要
本发明提供与LED在线性热膨胀系数上的差异小且导热性优异的LED搭载用晶片、该LED搭载用晶片的制造方法、以及使用该LED搭载用晶片制造的LED搭载结构体。优选LED搭载用晶片(6)是由金属浸渗陶瓷复合体(61)以及在其周围形成的保护层(62)构成，金属浸渗陶瓷复合体(61)在表面具有金属薄层(63)。一种晶片的制造方法，其特征在于，在金属制或陶瓷制的管状体的内部填充选自陶瓷多孔体、陶瓷粉末成形体及陶瓷粉末中的至少一者，之后，使选自这些陶瓷多孔体、陶瓷粉末成形体及陶瓷粉末中的至少一者所具有的空隙部浸渗金属，然后进行加工。
文档编号H01L21/02GK102484188SQ20108003496
公开日2012年5月30日 申请日期2010年7月29日 优先权日2009年7月31日
发明者塚本秀雄, 广津留秀树, 石原庸介 申请人:电气化学工业株式会社