JP2011216543A - Light emitting diode, substrate for light emitting diode used therein, and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フリップチップ型の発光ダイオード、それに用いられる発光ダイオード用基板及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a flip-chip type light emitting diode, a light emitting diode substrate used therefor, and a method for manufacturing the same.
近年、窒化物系化合物半導体を用いた青色発光素子を発光源とする白色発光ダイオードの開発研究が盛んに行われている。白色発光ダイオードは、軽量で、水銀を使用せず、長寿命であることから、今後、需要が急速に拡大することが予測されている。青色発光素子の青色光を白色光に変換する方法として最も一般的に行なわれている方法は、例えば特許文献１に記載されているように、青色発光素子の前面に、青色光の一部を吸収して黄色光を発する蛍光体を含有するコーティング層と、光源の青色光とコーティング層からの黄色光を混色するためのモールド層とを設け、補色関係にある青色と黄色を混色することにより擬似的に白色を得るものである。従来、コーティング層としては、セリウムで付活されたイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）粉末とエポキシ樹脂の混合物が採用されている。現在、白色発光ダイオードの用途が拡大することにより、発光強度の高い高輝度白色発光ダイオードが求められ、その開発が進められている。 In recent years, research and development of white light emitting diodes using a blue light emitting element using a nitride compound semiconductor as a light source has been actively conducted. White light-emitting diodes are light in weight, do not use mercury, and have a long life, so that demand is expected to increase rapidly in the future. The most commonly used method for converting blue light of a blue light emitting element into white light is, for example, as described in Patent Document 1, in which a part of blue light is placed on the front surface of a blue light emitting element. By providing a coating layer containing a phosphor that absorbs and emits yellow light, and a mold layer for mixing the blue light of the light source and the yellow light from the coating layer, and mixing the complementary blue and yellow colors A pseudo white color is obtained. Conventionally, a mixture of yttrium aluminum garnet (YAG: Ce) powder activated with cerium and an epoxy resin is employed as the coating layer. Currently, as the use of white light-emitting diodes expands, high-intensity white light-emitting diodes with high emission intensity are demanded and are being developed.
白色発光ダイオードの発光強度を向上させるためには、より高出力の電流を印加する必要がある。しかし、白色発光ダイオードに高出力の電流を印加することにより、発光源となる青色発光ダイオードに発熱が生じ、青色発光ダイオード自身の劣化やコーティング樹脂の劣化が起こり、発光強度が下がることがある。青色発光ダイオードに発生した熱を放熱するためには単結晶基板であるサファイア基板側からの放熱が必要であるが、サファイア基板の熱伝導率は低いため、従来の方式では放熱することは困難である。その問題を解決するために、フリップチップ型発光ダイオードが提案されている。フリップチップ型とは従来の方式と光取り出し方向を変え、サファイア基板側から光を取り出す方法である。この方法を用いることにより、青色発光ダイオードに発生する熱を電極側から放熱することが可能となり、より高出力の電流を印加することが可能となる。更にフリップチップ型を用いることにより、光取り出し方向に電極が無くなり、電極による光損失を抑えることが可能となるため、白色発光ダイオードの発光強度向上に繋がる。 In order to improve the light emission intensity of the white light emitting diode, it is necessary to apply a higher output current. However, application of a high output current to the white light emitting diode generates heat in the blue light emitting diode serving as the light emitting source, which may cause deterioration of the blue light emitting diode itself or coating resin, thereby reducing the light emission intensity. In order to dissipate the heat generated in the blue light-emitting diode, it is necessary to dissipate heat from the sapphire substrate, which is a single crystal substrate. However, since the thermal conductivity of the sapphire substrate is low, it is difficult to dissipate heat using the conventional method. is there. In order to solve the problem, a flip chip type light emitting diode has been proposed. The flip chip type is a method of extracting light from the sapphire substrate side by changing the light extraction direction from the conventional method. By using this method, the heat generated in the blue light emitting diode can be radiated from the electrode side, and a higher output current can be applied. Further, by using a flip chip type, there is no electrode in the light extraction direction, and light loss due to the electrode can be suppressed, leading to an improvement in the light emission intensity of the white light emitting diode.
しかし、更に発光強度の向上のために、高出力の電流を印加した場合、発光ダイオードからの発熱は抑えられず、蛍光体樹脂の劣化が生じる。そのため、樹脂を使用しない蛍光体の研究開発が行われている。樹脂を使用しない蛍光体の一つとして単一金属酸化物および複合金属酸化物から選ばれる少なくとも２つ以上の酸化物相が連続的にかつ三次元的に相互に絡み合って形成されている凝固体からなる光変換用セラミックス複合体が提案されている（特許文献２参照）。セラミックス複合体は、樹脂と比較して非常に耐熱性が高いため、発熱による蛍光体の劣化が起こらず蛍光強度を保つことが可能である。更に、セラミックス複合体を用いることにより、樹脂や蛍光体粉末による光損失がなくなることより、蛍光強度の向上が予測される。 However, when a high output current is applied in order to further improve the emission intensity, heat generation from the light emitting diode cannot be suppressed, and the phosphor resin deteriorates. For this reason, research and development of phosphors that do not use resins has been conducted. Solidified body in which at least two oxide phases selected from a single metal oxide and a composite metal oxide are continuously and three-dimensionally entangled as one of phosphors not using a resin There has been proposed a ceramic composite for light conversion comprising (see Patent Document 2). Since the ceramic composite has a very high heat resistance as compared with the resin, it is possible to maintain the fluorescence intensity without causing deterioration of the phosphor due to heat generation. Furthermore, by using a ceramic composite, light loss due to resin or phosphor powder is eliminated, and thus an improvement in fluorescence intensity is expected.
以上のことから、高輝度白色発光ダイオードの作製にはフリップチップ型であり、セラミックス複合体の使用が必要であると考え、セラミックス複合体とサファイア層を接合した発光ダイオード用基板と接合基板を用いた白色発光ダイオードが提案されており、接合方法には高温、高圧による接合、ガラス接合、樹脂接合が開示されている（特許文献３参照）。 Based on the above, it is considered that the production of high-intensity white light-emitting diodes is a flip-chip type, and it is necessary to use a ceramic composite. White light-emitting diodes have been proposed, and bonding methods such as high-temperature and high-pressure bonding, glass bonding, and resin bonding are disclosed (see Patent Document 3).
ところで、白色発光ダイオードの用途が広がると、発光強度が強い白色発光ダイオードが望まれているが、特許文献３などに記載のものでは必ずしも十分な発光強度を得ることができない。 By the way, when the use of the white light emitting diode is widened, a white light emitting diode having a high light emission intensity is desired. However, the light emission diode described in Patent Document 3 cannot always obtain a sufficient light emission intensity.
そこで、本発明は、蛍光体の熱劣化が少なく、光混合性がよく、色むらが少なく、さらに発光強度が強い白色発光ダイオード、それに用いられる発光ダイオード用基板及びその製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a white light-emitting diode with less phosphor thermal degradation, good light mixing properties, less color unevenness, and higher emission intensity, a light-emitting diode substrate used therefor, and a method for manufacturing the same. Objective.
以上の目的を達成するため、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、単結晶層の厚みを０．１００ｍｍ〜０．０００５ｍｍにすることによって、蛍光体の熱劣化を少なくし、光混合性を良くし、色むらを少なくし、さらに発光強度を強くすることができることを見出した。すなわち、本発明は、発光ダイオード素子が形成可能な単結晶層と、単一金属酸化物及び複合金属酸化物から選ばれる少なくとも２つ以上の酸化物相が連続的にかつ三次元的に相互に絡み合って形成されている凝固体からなり、酸化物相のうち少なくとも１つは蛍光を発する金属元素酸化物を含有する光変換用セラミックス複合体層とが直接接合され、前記単結晶層の厚みが０．１００ｍｍ〜０．０００５ｍｍであることを特徴とする発光ダイオード用基板である。 In order to achieve the above object, the present inventors have conducted extensive research, and as a result, the single crystal layer has a thickness of 0.100 mm to 0.0005 mm, thereby reducing the thermal deterioration of the phosphor and mixing light. The present inventors have found that it is possible to improve the property, reduce the color unevenness, and further increase the emission intensity. That is, according to the present invention, a single crystal layer capable of forming a light emitting diode element and at least two oxide phases selected from a single metal oxide and a composite metal oxide are continuously and three-dimensionally mutually. It consists of a solidified body formed by entanglement, and at least one of the oxide phases is directly joined to the ceramic composite layer for light conversion containing a metal element oxide that emits fluorescence, and the thickness of the single crystal layer is It is a substrate for light emitting diodes characterized by being 0.100 mm to 0.0005 mm.
本発明に係る発光ダイオード用基板において、前記単結晶層の厚みが０．０６０ｍｍ〜０．０００５ｍｍであることが好ましい。また、前記単結晶層が、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉ、またはＧａＮからなる材料であることが好ましく、前記凝固体がＡｌ２Ｏ３と、セリウムで付活されたＹ３Ａｌ５Ｏ１２とから構成されていることが好ましい。 In the light emitting diode substrate according to the present invention, the single crystal layer preferably has a thickness of 0.060 mm to 0.0005 mm. Further, the single crystal layer, Al 2 O 3, SiC, ZnO, Si or is preferably a material composed of GaN, the solidified body is an Al 2 O 3, Y 3 Al 5 which are activated by cerium, it is preferably composed of O 12 Metropolitan.
また、本発明は、上記発光ダイオード用基板の単結晶層の表面に発光ダイオード素子を形成した発光ダイオード、又は上記発光ダイオード用基板の単結晶層の表面に青色を発する発光ダイオード素子を形成した、前記基板側から疑似白色を発する発光ダイオードである。 Further, in the present invention, a light emitting diode in which a light emitting diode element is formed on the surface of the single crystal layer of the light emitting diode substrate, or a light emitting diode element that emits blue color on the surface of the single crystal layer of the light emitting diode substrate is formed. The light emitting diode emits pseudo white color from the substrate side.
また、本発明は、発光ダイオード素子が形成可能な単結晶層と、単一金属酸化物及び複合金属酸化物から選ばれる少なくとも２つ以上の酸化物相が連続的にかつ三次元的に相互に絡み合って形成されている凝固体からなり、酸化物相のうち少なくとも１つは蛍光を発する金属元素酸化物を含有する光変換用セラミックス複合体層とが接合された発光ダイオード用基板の製造方法において、発光ダイオード素子が形成可能な単結晶基板の表面から所定深さ位置に、水素イオンまたは希ガスイオンあるいはこれらの両方を注入してイオン注入領域を形成する工程Ａと、前記単結晶基板のイオン注入した面が該光変換用セラミックス複合体基板側になるように、前記単結晶基板と前記光変換用セラミックス複合体基板とを直接接合する工程Ｂと、前記イオン注入領域を境界として、前記単結晶基板の一部を剥離することにより前記単結晶基板をその厚みが０．１００ｍｍ〜０．０００５ｍｍになるまで薄層化する工程Ｃとを備えたことを特徴とする。 The present invention also provides a single crystal layer capable of forming a light emitting diode element, and at least two oxide phases selected from a single metal oxide and a composite metal oxide, continuously and three-dimensionally. In a method for manufacturing a substrate for a light emitting diode, comprising a solidified body formed by entanglement, wherein at least one of the oxide phases is bonded to a ceramic composite layer for light conversion containing a metal element oxide that emits fluorescence. A step A of implanting hydrogen ions and / or rare gas ions at a predetermined depth from the surface of the single crystal substrate on which the light emitting diode element can be formed to form an ion implantation region; and ions of the single crystal substrate A step B for directly joining the single crystal substrate and the ceramic composite substrate for light conversion so that the injected surface is on the ceramic composite substrate for light conversion; And a step C of thinning the single crystal substrate to a thickness of 0.100 mm to 0.0005 mm by peeling a part of the single crystal substrate with an ion implantation region as a boundary. And
本発明に係る発光ダイオード用基板の製造方法において、前記工程Ｃは、前記単結晶基板と前記光変換用セラミックス複合体基板を積層して得られた、前記単結晶層およびセラミックス複合体層からなる前記発光ダイオード用基板に、熱的負荷または機械的負荷あるいはそれらの両方を加えることによって、前記単結晶層の表面から所定深さ位置で該単結晶層の一部を剥離する工程であることが好ましく、また、前記工程Ｃは、前記単結晶基板と前記光変換用セラミックス複合体基板を積層して得られた、前記単結晶層およびセラミックス複合体層からなる前記発光ダイオード用基板に熱的負荷を加えて、前記単結晶層の前記イオン注入領域に水素ガスまたは希ガスあるいはこれらの両方のガスのキャビティを形成した後、前記イオン注入領域に熱的負荷または機械的負荷あるいはそれらの両方を加えることによって、前記単結晶層の表面から所定深さ位置で前記単結晶層の一部を剥離する工程であることが好ましい。 In the method for manufacturing a light emitting diode substrate according to the present invention, the step C includes the single crystal layer and the ceramic composite layer obtained by laminating the single crystal substrate and the ceramic composite substrate for light conversion. The step of peeling a part of the single crystal layer from the surface of the single crystal layer at a predetermined depth position by applying a thermal load and / or a mechanical load to the light emitting diode substrate. Preferably, in the step C, a thermal load is applied to the light emitting diode substrate comprising the single crystal layer and the ceramic composite layer obtained by laminating the single crystal substrate and the ceramic composite substrate for light conversion. And after forming a cavity of hydrogen gas or rare gas or both of them in the ion implantation region of the single crystal layer, the ion implantation region The by adding thermal load or mechanical load or both of them, it is preferable that the a step of peeling the portion of the single crystal layer at a predetermined depth position from the surface of the single crystal layer.
これらの場合、前記単結晶層の前記イオン注入領域に加えられる熱的負荷が、急速な昇温加熱であることが好ましく、また前記単結晶層の前記イオン注入領域に加えられる熱的負荷が、前記単結晶層の表面の一端から加熱し、徐々に加熱領域を表面全体に拡げる、または加熱領域を、加熱を開始した表面の一端の反対側に向かって移動させる方法よりもたらされるものであることが好ましい。 In these cases, the thermal load applied to the ion implantation region of the single crystal layer is preferably rapid heating and heating, and the thermal load applied to the ion implantation region of the single crystal layer is Heating from one end of the surface of the single crystal layer and gradually expanding the heating region over the entire surface, or the heating region is brought about by a method of moving toward the opposite side of the one end of the surface where heating is started. Is preferred.
また、前記工程Ｃは、前記単結晶基板と前記光変換用セラミックス複合体基板を積層して得られた、前記単結晶層およびセラミックス複合体層からなる前記発光ダイオード用基板の前記単結晶層に２５０ｎｍ以下の光を照射して、前記単結晶層の表面から所定深さ位置で該単結晶層の一部を剥離する工程であることが好ましく、この場合、前記発光ダイオード用基板の前記単結晶層に照射される光が、レーザー光であることが好ましく、レーザー光の照射方法が、前記発光ダイオード用基板の前記単結晶層の表面に対して、その表面の一端からライン状にレーザー光を照射し、そのレーザー光の照射を開始した表面の一端の反対側に向かって移動させる方法であることが好ましい。 In the step C, the single crystal layer of the light emitting diode substrate comprising the single crystal layer and the ceramic composite layer, obtained by laminating the single crystal substrate and the ceramic composite substrate for light conversion, Preferably, this is a step of irradiating light of 250 nm or less to peel off a part of the single crystal layer at a predetermined depth from the surface of the single crystal layer. In this case, the single crystal of the light emitting diode substrate The light applied to the layer is preferably laser light, and the laser light irradiation method applies laser light in a line form from one end of the surface to the surface of the single crystal layer of the light emitting diode substrate. It is preferable to use a method of irradiating and moving toward the opposite side of one end of the surface where the irradiation of the laser beam is started.
さらに、本発明に係る発光ダイオード用基板の製造方法において、前記工程Ｂは、光変換用セラミックス複合体板及び単結晶板の接合面を高速原子ビームにより活性化し、この活性化した状態で両接合面を貼り合わせた後、加熱及び加圧処理を行うことによって、前記単結晶板と前記光変換用セラミックス複合体板を接合することが好ましく、加熱処理は、２５０〜１２００℃で行ない、加圧処理は、０．５〜１０ＭＰａで行なうことが好ましい。 Furthermore, in the method for manufacturing a substrate for a light emitting diode according to the present invention, the step B includes activating the bonding surfaces of the ceramic composite plate for light conversion and the single crystal plate with a high-speed atomic beam, and performing both bonding in the activated state. After bonding the surfaces, it is preferable to join the single crystal plate and the ceramic composite plate for light conversion by performing heating and pressurizing treatment, and the heat treatment is performed at 250 to 1200 ° C. and pressurizing. The treatment is preferably performed at 0.5 to 10 MPa.
以上のように、本発明によれば、蛍光体の熱劣化が少なく、光混合性がよく、色むらが少なく、さらに発光強度が強い白色発光ダイオード、それに用いられる発光ダイオード用基板及びその製造方法を提供することができる。 As described above, according to the present invention, a white light-emitting diode with less phosphor thermal degradation, good light mixing properties, less color unevenness, and higher emission intensity, a light-emitting diode substrate used therefor, and a method for manufacturing the same Can be provided.
本発明に係る発光ダイオード用基板１は、図１に示すように単結晶層２と光変換用セラミックス複合体層３からなる。本発明に係る発光ダイオード用基板が用いられた白色発光ダイオードは、発光ダイオードの単結晶層の半導体成膜面から入射した光を一部波長変換した光と共に放射面から放射することにより、発光ダイオードの発光時に発生する熱を放熱でき発光ダイオードの熱劣化を抑えられる。本発明に蛍光体に光変換用セラミックス複合材料を用いることにより、蛍光体の熱劣化が少なく、光混合性がよく、色むらが少ない発光ダイオードを作製できる。本発明に係る発光ダイオード用基板は、それに用いられる単結晶層の厚みを薄くすることにより、単結晶層の側面からの光抜けと単結晶層の光吸収を抑えることにより蛍光強度が向上される。単結晶層の厚みは、０．１００ｍｍ〜０．０００５ｍｍであり、０．０６０ｍｍ〜０．０００５ｍｍであることが好ましい。この範囲においては、蛍光強度の測定において１０％以上の差は生じない。更に単結晶層の厚みが０．０００５ｍｍ以上においては、発光ダイオード用基板の研磨加工時に接合界面の剥がれが生じないため、安定的に接合基板を作製できる。 A light emitting diode substrate 1 according to the present invention comprises a single crystal layer 2 and a light conversion ceramic composite layer 3 as shown in FIG. A white light emitting diode using a light emitting diode substrate according to the present invention emits light incident from a semiconductor film forming surface of a single crystal layer of the light emitting diode from a radiation surface together with light partially converted in wavelength. The heat generated at the time of light emission can be dissipated and thermal degradation of the light emitting diode can be suppressed. By using a ceramic composite material for light conversion for the phosphor in the present invention, a light emitting diode with less thermal deterioration of the phosphor, good light mixing property, and less color unevenness can be produced. The substrate for a light emitting diode according to the present invention is improved in fluorescence intensity by suppressing light leakage from the side surface of the single crystal layer and light absorption of the single crystal layer by reducing the thickness of the single crystal layer used in the substrate. . The thickness of the single crystal layer is 0.100 mm to 0.0005 mm, and preferably 0.060 mm to 0.0005 mm. In this range, a difference of 10% or more does not occur in the fluorescence intensity measurement. Furthermore, when the thickness of the single crystal layer is 0.0005 mm or more, the bonded interface is not peeled off during polishing of the light emitting diode substrate, and thus the bonded substrate can be stably manufactured.
本発明に係る発光ダイオード用基板の単結晶層の薄膜化方法としては、（ａ）研削加工及び研磨加工による薄膜化方法、（ｂ）イオン注入効果を利用した単結晶層の薄膜化方法、（ｃ）レーザー加工を利用した単結晶層の剥離による薄膜化方法などがあり、（ｂ）が特に好ましい。薄膜化した後の面は鏡面研磨を施す。 As a method for thinning a single crystal layer of a substrate for a light emitting diode according to the present invention, (a) a thinning method by grinding and polishing, (b) a single crystal layer thinning method using an ion implantation effect, c) There is a thinning method by peeling a single crystal layer using laser processing, and (b) is particularly preferable. The surface after thinning is mirror polished.
（ｂ）イオン注入効果を利用した単結晶層の薄膜化方法は、以下の工程Ａ乃至工程Ｃならなる。 (B) The method of thinning the single crystal layer using the ion implantation effect includes the following steps A to C.
（工程Ａについて）
図２（ａ）に示すように、発光ダイオード素子が形成可能な単結晶基板２の表面から所定深さ位置に、水素イオンまたは希ガスイオンあるいはこれらの両方を注入して、前記単結晶基板２にイオン注入領域を形成する。水素イオンの場合、分子イオンを注入して、時間当たりの照射量を多くすることができる。イオン注入のための加速エネルギー、照射量、温度等その他のイオン注入条件は、前記発光ダイオード用基板の前記単結晶層の所望厚さによって適宜選択される。所定厚さ、すなわち、所定深さとは、設計上の値であり、特に限定されないが、発光ダイオード素子の光を効率的に透過させることができ、かつ高精度な薄層化が可能な厚さ（深さ）で、通常０．１μｍから５０μｍ程度である。例えば、（０００１）面のＡｌ２Ｏ３層に、原材料単結晶基板を意図的に加熱することも冷却することも行わず水素分子イオンを注入する場合、３００ｋｅＶの加速エネルギー、１×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２の照射量で、前記Ａｌ２Ｏ３基板の表面から０．８μｍの深さに剥離させるに適当なイオン注入領域が形成される。しかし、これらの条件に限定されるものではなく、例えば、原材料単結晶基板が設置されたステージを、その内部から液体窒素などで冷却しながらイオン注入を行うことで、原材料単結晶基板のイオン注入領域に水素ガスキャビティが形成されることなく、イオン注入領域により大きな構造的変化を与えることができ、前記単結晶基板の剥離が容易に行えるようにすることもできる。
(About process A)
As shown in FIG. 2 (a), hydrogen ions and / or rare gas ions are implanted into a predetermined depth position from the surface of the single crystal substrate 2 on which the light emitting diode element can be formed, and the single crystal substrate 2 An ion implantation region is formed on the substrate. In the case of hydrogen ions, molecular ions can be implanted to increase the irradiation amount per time. Other ion implantation conditions such as acceleration energy, ion dose, temperature, etc. for ion implantation are appropriately selected depending on the desired thickness of the single crystal layer of the light emitting diode substrate. The predetermined thickness, that is, the predetermined depth is a design value and is not particularly limited, but it is a thickness that can efficiently transmit light from the light-emitting diode element and can be thinned with high accuracy. The (depth) is usually about 0.1 μm to 50 μm. For example, when hydrogen molecular ions are implanted into the (0001) plane Al 2 O 3 layer without intentionally heating or cooling the raw material single crystal substrate, an acceleration energy of 300 keV, 1 × 10 17 ions / cm With an irradiation amount of 2 , an ion implantation region suitable for peeling off from the surface of the Al 2 O 3 substrate to a depth of 0.8 μm is formed. However, it is not limited to these conditions. For example, ion implantation of the raw material single crystal substrate is performed by performing ion implantation while cooling the stage where the raw material single crystal substrate is installed with liquid nitrogen from the inside. A large structural change can be given to the ion implantation region without forming a hydrogen gas cavity in the region, and the single crystal substrate can be easily peeled off.
（工程Ｂについて）
次に、図２（ｂ）に示すように単結晶基板のイオン注入した面が該光変換用セラミックス複合体基板側になるように、前記単結晶基板２と前記光変換用セラミックス複合体基板３とを直接接合する。図２（ｂ）中、符合８は、イオン注入領域の境界線を示す。
(About process B)
Next, as shown in FIG. 2B, the single crystal substrate 2 and the ceramic composite substrate for light conversion 3 are arranged so that the surface of the single crystal substrate into which the ions are implanted is on the ceramic composite substrate for light conversion. And are joined directly. In FIG. 2B, reference numeral 8 indicates a boundary line of the ion implantation region.
（工程Ｃについて）
単結晶基板２と前記光変換用セラミックス複合体基板３を積層して得られた、単結晶層２およびセラミックス複合体層３からなる発光ダイオード用基板に、熱的負荷または機械的負荷あるいはそれらの両方を加えることによって、図２（ｃ）に示すように、単結晶層２の表面から所定深さ位置で単結晶層２の一部２Ａを剥離することができる。
(About process C)
A light-emitting diode substrate composed of the single crystal layer 2 and the ceramic composite layer 3 obtained by laminating the single crystal substrate 2 and the ceramic composite substrate 3 for light conversion is provided with a thermal load or a mechanical load or their load. By adding both, a part 2A of the single crystal layer 2 can be peeled off from the surface of the single crystal layer 2 at a predetermined depth as shown in FIG.
前記発光ダイオード用基板を３００℃以上で加熱する、前記単結晶層のイオン注入領域の端面に楔状の部材を接触させ、端面に向かってその先端を押すことで端面を剪断する負荷を与える、または、前記発光ダイオード用基板を、前記単結晶層と前記光変換用セラミックス複合体層側に引っ張る、あるいは、それらの二つ以上の方法を組み合わせるなどして、前記単結晶層をイオン注入領域で分断することで、前記単結晶層の一部を剥離することができる。 Heating the light emitting diode substrate at 300 ° C. or higher, bringing a wedge-shaped member into contact with the end face of the ion implantation region of the single crystal layer, and applying a load to shear the end face by pushing the tip toward the end face, or The single crystal layer is divided at the ion implantation region by pulling the light emitting diode substrate toward the single crystal layer and the ceramic composite layer for light conversion, or by combining two or more methods thereof. Thus, a part of the single crystal layer can be peeled off.
前記単結晶基板へのイオン注入量が多く、前記工程Ｂが高温かつ長時間の工程である場合、前記工程Ｂにおいて、前記単結晶基板のイオン注入領域に、注入されたイオンがガス化してキャビティが形成される。この場合、前記発光ダイオード用基板に、熱的負荷または機械的負荷あるいはそれらの両方を加えることによって、前記工程Ｂにおいて前記単結晶層の前記イオン注入領域に形成された、水素ガスまたは希ガスあるいはこれらの両方のガスのキャビティを、成長、または亀裂により連結させることができる。 When the amount of ion implantation into the single crystal substrate is large and the process B is a high-temperature and long-time process, in the process B, the implanted ions are gasified into the ion-implanted region of the single crystal substrate to form a cavity. Is formed. In this case, by applying a thermal load and / or a mechanical load to the light emitting diode substrate, hydrogen gas or a rare gas formed in the ion implantation region of the single crystal layer in the step B, or Both of these gas cavities can be connected by growth or cracking.
前記工程Ｂにおいて、前記単結晶基板のイオン注入領域に、注入されたイオンがガス化したキャビティが形成されない場合においても、前記発光ダイオード用基板に、熱的負荷または機械的負荷あるいはそれらの両方を加えることによって、前記単結晶層の前記イオン注入領域に水素ガスまたは希ガスあるいはこれらの両方のガスのキャビティを形成し、これを成長、または亀裂により連結させることで、前記単結晶層の表面から所定深さ位置で該単結晶層の一部を剥離することができる。 In the step B, even when a cavity in which the implanted ions are gasified is not formed in the ion implantation region of the single crystal substrate, a thermal load and / or a mechanical load is applied to the light emitting diode substrate. In addition, a cavity of hydrogen gas or rare gas or both of them is formed in the ion implantation region of the single crystal layer and is connected by growth or cracking, so that the surface of the single crystal layer A part of the single crystal layer can be peeled at a predetermined depth position.
前記熱的負荷は、機械的負荷を併用しない場合は特に、急速な昇温加熱によるものであることが好ましい。イオン注入により損傷を受けている、前記単結晶基板のイオン注入領域の構造回復を急激に生じさせることで前記単結晶層の一部が剥離しやすくなるからであり、また、キャビティが形成されている場合であっても、キャビティ間のクラックの伝播が起こりやすくなるからである。赤外線またはそのレーザー光、電子ビーム等を用いて前記単結晶層を急速に加熱することができる。 The thermal load is preferably due to rapid heating and heating, particularly when no mechanical load is used. This is because a part of the single crystal layer is easily peeled off due to abrupt structural recovery of the ion implantation region of the single crystal substrate that is damaged by the ion implantation, and a cavity is formed. This is because crack propagation between the cavities is likely to occur even in the case of being present. The single crystal layer can be rapidly heated using infrared rays, laser light thereof, electron beams, or the like.
また、前記熱的負荷は、前記単結晶層の表面の一端から加熱し、徐々に加熱領域を表面全体に拡げる、または加熱領域を、加熱を開始した表面の一端の反対側に向かって移動させる方法よりもたらされるものであることが好ましい。特に、この方法に、加熱を開始した表面の一端側から機械的負荷を加えることで、前記単結晶層が表面の一端から一方向に剥離することになり、円滑に剥離を行うことができるからである。 The thermal load is heated from one end of the surface of the single crystal layer, and gradually expands the heating region over the entire surface, or moves the heating region toward the opposite side of the one end of the surface where heating is started. Preferably, the result is from a method. In particular, by applying a mechanical load from one end of the surface where heating is started to this method, the single crystal layer is peeled in one direction from one end of the surface, and can be peeled smoothly. It is.
また、前記単結晶基板と前記光変換用セラミックス複合体基板を積層して得られた、前記単結晶層およびセラミックス複合体層からなる前記発光ダイオード用基板の前記単結晶層に、２５０ｎｍ以下の光を照射して、前記単結晶層の表面から所定深さ位置で該単結晶層の一部を剥離することができる。損傷を受けた、前記単結晶層のイオン注入領域がその構造を急速に回復するに十分な照射エネルギーを有する光を前記イオン注入領域に与えることで、イオン注入領域において、該単結晶層の一部を剥離することができる。 Further, light having a wavelength of 250 nm or less is applied to the single crystal layer of the light emitting diode substrate, which is obtained by laminating the single crystal substrate and the ceramic composite substrate for light conversion, and includes the single crystal layer and the ceramic composite layer. Can be peeled off at a predetermined depth from the surface of the single crystal layer. The ion-implanted region of the single-crystal layer is irradiated with light having irradiation energy sufficient to rapidly recover the structure of the ion-implanted region of the single-crystal layer. The part can be peeled off.
前記発光ダイオード用基板の前記単結晶層に照射される光はレーザー光であることが好ましく、一般にはエキシマレーザー光、例えばＡｒＦエキシマレーザー光、ＫｒＦエキシマレーザー光等を用いることができる。前記レーザー光は、前記単結晶層に面照射されても、ライン状に照射されても良い。前記単結晶層のイオン注入量により、前記レーザー光の適切な照射エネルギーが選ばれる。前記単結晶層のイオン注入量が少ない場合ほど前記レーザー光の照射エネルギーを大きくする必要がある。 The light applied to the single crystal layer of the light emitting diode substrate is preferably laser light, and in general, excimer laser light such as ArF excimer laser light, KrF excimer laser light, or the like can be used. The laser beam may be irradiated on the single crystal layer or in a line shape. The appropriate irradiation energy of the laser beam is selected depending on the ion implantation amount of the single crystal layer. It is necessary to increase the irradiation energy of the laser beam as the ion implantation amount of the single crystal layer is smaller.
このように単結晶層の一部を剥離することにより、前記単結晶層を薄膜化し、薄膜化後の研磨加工により更に薄膜化しつつ、鏡面研磨を施す。 In this way, by peeling off a part of the single crystal layer, the single crystal layer is thinned, and mirror polishing is performed while further thinning by the polishing process after thinning.
また、上記（ｃ）レーザー加工を利用したサファイア層の剥離は、高出力の赤外線パルスレーザーを用い、接合基板の単結晶層の表面から所定深さ位置に、図３のような欠陥ドットを作製し、作製したドットに熱的、物理的に力を加え、ドットをつなぐことにより、単結晶層の一部を剥離することができる。レーザー加工に用いるレーザーは例えば、波長７８０ｎｍ、周波数１０Ｈｚ、パルス幅１５０ｆｓｅｃ、レーザー強度２００μＪである短パルスレーザーを用いる。欠陥ドットの作製方法は例えばレーザー光を市販の対物レンズ（１０倍）を用いて接合基板の単結晶層内に集光させることにより、Ａｌ２Ｏ３単結晶ウェハの主面に対して、その表面から所定深さ位置に欠陥を作製でき、ウェハを面方向に平行移動させることにより、ウェハ面内に欠陥ドットを作製できる。欠陥ドットを繋ぐ方法は例えば作製した接合基板のＡｌ２Ｏ３単結晶層側とセラミックス複合体層側の両方に真空吸着によるパッドを取り付け、それぞれのパッドを逆方向に回転させることで、Ａｌ2Ｏ3単結晶層の欠陥ドットが形成された領域に剪断応力を加えることにより、欠陥ドットを繋ぎ、セラミックス複合体層側に所定の厚さを残して、Ａｌ2Ｏ3単結晶層を剥離させる。単結晶層を薄膜化し、薄膜化後の研磨加工により更に薄膜化しつつ、鏡面研磨を施す。 In addition, (c) peeling of the sapphire layer using laser processing is performed using a high-power infrared pulse laser to produce a defective dot as shown in FIG. 3 at a predetermined depth position from the surface of the single crystal layer of the bonded substrate. A part of the single crystal layer can be peeled off by applying a force physically and physically to the produced dots and connecting the dots. The laser used for laser processing is, for example, a short pulse laser having a wavelength of 780 nm, a frequency of 10 Hz, a pulse width of 150 fsec, and a laser intensity of 200 μJ. For example, the defect dot can be produced by condensing the laser light into the single crystal layer of the bonded substrate using a commercially available objective lens (10 times), so that the main surface of the Al 2 O 3 single crystal wafer is Defects can be produced at predetermined depth positions from the surface, and defective dots can be produced in the wafer surface by moving the wafer in the plane direction. A method for connecting defective dots is, for example, by attaching pads by vacuum adsorption to both the Al 2 O 3 single crystal layer side and the ceramic composite layer side of the produced bonded substrate, and rotating the respective pads in the opposite direction, thereby producing Al 2 By applying a shear stress to the region where the defect dots of the O 3 single crystal layer are formed, the defect dots are connected, leaving a predetermined thickness on the ceramic composite layer side, and peeling off the Al 2 O 3 single crystal layer . The single crystal layer is thinned and mirror-polished while further thinning by the polishing process after the thinning.
本発明に係る発光ダイオード用基板の単結晶層は、その上に発光ダイオード素子などの半導体を形成可能な従来の単結晶からなる層であり、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉ及びＧａＮが挙げられる。 The single crystal layer of the light emitting diode substrate according to the present invention is a layer made of a conventional single crystal on which a semiconductor such as a light emitting diode element can be formed. For example, Al 2 O 3 , SiC, ZnO, Si and GaN is mentioned.
本発明に係る発光ダイオード用基板の単結晶層は、ＣＺ法、ＥＦＧ法などによって融液から作製することができるが、それらは広く市販されているので、市販品の（０００１）面、又は（１１−２０）面の表面粗さＲａが１ｎｍ以下である２インチウェハを利用することができる。 Although the single crystal layer of the light emitting diode substrate according to the present invention can be prepared from the melt by the CZ method, the EFG method, or the like, since they are widely commercially available, A 2 inch wafer having a surface roughness Ra of 11-20) of 1 nm or less can be used.
本発明に係る発光ダイオード用基板の光変換用セラミック複合体層は、蛍光体を含むセラミック複合材料で形成され、金属酸化物どうしが連続的にかつ３次元的に相互に絡み合って形成されている凝固体からなる。金属酸化物としては、単一金属酸化物、または、複合酸化物があり、前記単一金属酸化物または前記複合金属酸化物は、機能、例えば蛍光、を発現する元素等を含有している。このような凝固体は、原料金属酸化物を融解後、凝固して作られる複合材料である。単一金属酸化物とは、１種類の金属の酸化物であり、複合金属酸化物は、２種以上の金属の酸化物である。それぞれの酸化物は、三次元的に相互に絡み合った構造をしている。また、これらの絡み合った酸化物相の間に他の酸化物相が存在することもある。 The ceramic composite layer for light conversion of the substrate for a light emitting diode according to the present invention is formed of a ceramic composite material containing a phosphor, and metal oxides are continuously and three-dimensionally entangled with each other. It consists of a solidified body. As the metal oxide, there is a single metal oxide or a composite oxide, and the single metal oxide or the composite metal oxide contains an element that exhibits a function, for example, fluorescence. Such a solidified body is a composite material made by melting and solidifying the raw metal oxide. The single metal oxide is an oxide of one kind of metal, and the composite metal oxide is an oxide of two or more kinds of metals. Each oxide has a three-dimensionally intertwined structure. There may also be other oxide phases between these intertwined oxide phases.
このような単一金属酸化物としては、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＭｇＯ、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＢａＯ、ＢｅＯ、ＣａＯ、Ｃｒ２Ｏ３等の他、希土類元素酸化物（Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｐｒ６Ｏ１１、Ｎｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｔｂ４Ｏ７、Ｄｙ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３）などが挙がられる。また、複合金属酸化物としては、ＬａＡｌＯ３、ＣｅＡｌＯ３、ＰｒＡｌＯ３、ＮｄＡｌＯ３、ＳｍＡｌＯ３、ＥｕＡｌＯ３、ＧｄＡｌＯ３、ＤｙＡｌＯ３、ＥｒＡｌＯ３、Ｙｂ４Ａｌ２Ｏ９、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、Ｅｒ３Ａｌ５Ｏ１２、Ｙｂ３Ａｌ５Ｏ１２、１１Ａｌ２Ｏ３・Ｌａ２Ｏ３、１１Ａｌ２Ｏ３・Ｎｄ２Ｏ３、３Ｄｙ２Ｏ３・５Ａｌ２Ｏ３、２Ｄｙ２Ｏ３・Ａｌ２Ｏ３、１１Ａｌ２Ｏ３・Ｐｒ２Ｏ３、ＥｕＡｌ１１Ｏ１８、２Ｇｄ２Ｏ３・Ａｌ２Ｏ３、１１Ａｌ２Ｏ３・Ｓｍ２Ｏ３、ＣｅＡｌ１１Ｏ１８、Ｅｒ４Ａｌ２Ｏ９などが挙げられる。 Examples of such a single metal oxide include Al 2 O 3 , ZrO 2 , MgO, SiO 2 , TiO 2 , BaO, BeO, CaO, Cr 2 O 3 and the like, as well as rare earth element oxides (La 2 O 3 , Y 2 O 3 , CeO 2 , Pr 6 O 11 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Tb 4 O 7 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Tm 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Lu 2 O 3 ) and the like. As the composite metal oxide, LaAlO 3, CeAlO 3, PrAlO 3, NdAlO 3, SmAlO 3, EuAlO 3, GdAlO 3, DyAlO 3, ErAlO 3, Yb 4 Al 2 O 9, Y 3 Al 5 O 12, Er 3 Al 5 O 12, Yb 3 Al 5 O 12, 11Al 2 O 3 · La 2 O 3, 11Al 2 O 3 · Nd 2 O 3, 3Dy 2 O 3 · 5Al 2 O 3, 2Dy 2 O 3 · Al 2 O 3, 11Al 2 O 3 · Pr 2 O 3, EuAl 11 O 18, 2Gd 2 O 3 · Al 2 O 3, 11Al 2 O 3 · Sm 2 O 3, CeAl 11 O 18, Er 4 Al 2 O 9 Etc.
本発明に係る発光ダイオード用基板の光変換用セラミック複合体層の材料は、研削加工や研磨加工を行い、２インチの大きさに加工され、ウェハ面が（０００１）面、もしくは（１１ー２０）面であり、表面粗さＲａが３０ｎｍ以下に調整されることが好ましい。 The material of the ceramic composite layer for light conversion of the substrate for a light emitting diode according to the present invention is processed into a size of 2 inches by grinding or polishing, and the wafer surface is (0001) surface or (11-20) It is preferable that the surface roughness Ra be adjusted to 30 nm or less.
これらの材料は、現在開発されている光変換用セラミックス複合体において作製法が確立しており、また、白色発光ダイオード用の黄色蛍光体として蛍光強度が強いため、発光ダイオード用基板の光変換用セラミックス複合体として用いることができる。 Since these materials have been established in the currently developed ceramic composites for light conversion, and because the fluorescent intensity is strong as yellow phosphors for white light-emitting diodes, they are suitable for light conversion of light-emitting diode substrates. It can be used as a ceramic composite.
以下、本発明に係る発光ダイオード用基板の好ましい態様について更に詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 Hereinafter, although the preferable aspect of the board | substrate for light emitting diodes which concerns on this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to this.
単結晶層としてＡｌ２Ｏ３単結晶を用い、この上にＩｎＧａＮ系の青色発光素子を形成すると、青色発光素子から放出された光は、Ａｌ２Ｏ３単結晶層に入り、さらに、光変換用セラミックス複合体層に入射される。青色光の一部はそのまま透過し、青色光の一部は光変換用セラミックス複合体層に吸収され、たとえば黄色の光が新たに放出される。光変換用セラミックス複合体層は、複数の結晶相が３次元的に絡み合っているので、この絡み合いにおいて、青色光と黄色光が有効に混合されて、放出される。 When an Al 2 O 3 single crystal is used as the single crystal layer and an InGaN-based blue light emitting device is formed thereon, the light emitted from the blue light emitting device enters the Al 2 O 3 single crystal layer and is further converted into light. Incident on the ceramic composite layer. Part of the blue light is transmitted as it is, and part of the blue light is absorbed by the ceramic composite layer for light conversion, for example, yellow light is newly emitted. In the ceramic composite layer for light conversion, since a plurality of crystal phases are entangled three-dimensionally, blue light and yellow light are effectively mixed and emitted in this entanglement.
本発明に用いるＡｌ２Ｏ３単結晶基板は、ＣＺ法、ＥＦＧ法などで融液から作製されるが、それらは広く市販されているので市販品を利用することができる。 The Al 2 O 3 single crystal substrate used in the present invention is produced from a melt by a CZ method, an EFG method, or the like, but since they are widely marketed, commercially available products can be used.
ＩｎＧａＮ系の青色発光素子を作製するためにはＡｌ２Ｏ３単結晶と光変換用セラミックス複合体を接合することが望ましい。このため光変換用セラミックス複合体にもＡｌ２Ｏ３結晶を含むことが好ましい。Ａｌ２Ｏ３を含む光変換用セラミック複合体を用いると、Ａｌ２Ｏ３単結晶層との接合面において屈折率の差が非常に小さくなり、効果的に光を透過することができるようになる。特に、Ａｌ２Ｏ３（０００１）を基板面にするときには、光変換材料のＡｌ２Ｏ３は（０００１）面で接合させることがより好ましく、こうすることで、Ａｌ２Ｏ３相の接合部分では結晶方位による屈折率の差がなくなり、最も効率的に光の透過が行えるようになる。 In order to fabricate an InGaN-based blue light emitting device, it is desirable to join an Al 2 O 3 single crystal and a ceramic composite for light conversion. For this reason, it is preferable that the ceramic composite for light conversion also contains Al 2 O 3 crystals. When a ceramic composite for light conversion containing Al 2 O 3 is used, the difference in refractive index at the joint surface with the Al 2 O 3 single crystal layer becomes very small so that light can be transmitted effectively. Become. In particular, when Al 2 O 3 (0001) is used as the substrate surface, it is more preferable that Al 2 O 3 of the light conversion material is bonded at the (0001) plane, and in this way, a bonded portion of the Al 2 O 3 phase. Then, there is no difference in refractive index depending on crystal orientation, and light can be transmitted most efficiently.
光変換用セラミックス複合体のＡｌ２Ｏ３結晶と共存する結晶相としては、少なくともセリウムで付活された複合金属酸化物であるＡ３Ｘ５Ｏ１２型結晶であることが好ましい。構造式中ＡにはＹ，Ｔｂ，Ｓｍ，Ｇｄ，Ｌａ，Ｅｒ，Ｌｕの群から選ばれる１種以上の元素、同じく構造式中ＸにはＡｌ，Ｇａから選ばれる１種以上の元素が、含まれる場合が特に好ましい。この特に好ましい組み合わせからなる光変換用セラミック複合体は、紫から青色の光を透過しながら、その一部を吸収し、黄色の蛍光を発するためである。なかでもセリウムで付活されたＹ３Ａｌ５Ｏ１２と、Ａｌ２Ｏ３結晶の組み合わせは強い蛍光を発するため好適である。 The crystal phase coexisting with the Al 2 O 3 crystal of the ceramic composite for light conversion is preferably an A 3 X 5 O 12 type crystal that is a composite metal oxide activated with cerium. In the structural formula A, one or more elements selected from the group of Y, Tb, Sm, Gd, La, Er, and Lu, and also in the structural formula X, one or more elements selected from Al, Ga, The case where it is contained is particularly preferable. This is because the ceramic composite for light conversion composed of this particularly preferred combination absorbs a part of the composite while transmitting purple to blue light and emits yellow fluorescence. Among these, a combination of Y 3 Al 5 O 12 activated with cerium and Al 2 O 3 crystals is suitable because it emits strong fluorescence.
光変換用セラミックス複合体における非常に重要な特徴は、各結晶相が独立ではなく、各相が不可分な関係として一体化していることである。上記のＡｌ２Ｏ３結晶とＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅからなる光変換用セラミックス複合体の場合、単に２つの結晶が存在するのではなく、Ａｌ２Ｏ３でもないＹ３Ａｌ５Ｏ１２でもない組成をもつ一種類の融液から同時にＡｌ２Ｏ３結晶とＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ結晶が結晶化をした結果として２つの結晶が存在しているのであって、独立に２つの結晶が存在する場合とは異なる。この意味において２つの結晶は不可分である。このような凝固体は単なるＡｌ２Ｏ３結晶とＹＡＧ：Ｃｅ結晶が混在している状態とは本質的に異なっており、このため、このセラミックス複合体は特異な蛍光挙動を示す。 A very important feature of the ceramic composite for light conversion is that the crystal phases are not independent, and the phases are integrated as an inseparable relationship. The above Al 2 O 3 crystal and Y 3 Al 5 O 12: If the light converting ceramic composite consisting of Ce, rather than merely there are two crystals, Y 3 Al 5 O 12 neither Al 2 O 3 However, two crystals exist as a result of simultaneously crystallizing the Al 2 O 3 crystal and the Y 3 Al 5 O 12 : Ce crystal from one type of melt having a non-existent composition. This is different from the case where crystals exist. In this sense, the two crystals are inseparable. Such a solidified body is essentially different from a state in which a simple Al 2 O 3 crystal and a YAG: Ce crystal are mixed, and therefore, this ceramic composite exhibits a unique fluorescence behavior.
光変換用セラミックス複合体を構成する凝固体は、原料金属酸化物を融解後、凝固させることで作製される。例えば、所定温度に保持したルツボに仕込んだ溶融物を、冷却温度を制御しながら冷却凝結させる簡単な方法で凝固体を得ることができるが、最も好ましいのは一方向凝固法により作製されたものである。一方向凝固をおこなうことにより含まれる結晶相が単結晶状態、またはそれに類似の状態で連続的に成長し、各相が単一の結晶方位となるためである。 The solidified body constituting the ceramic composite for light conversion is produced by solidifying the raw metal oxide after melting. For example, it is possible to obtain a solidified body by a simple method of cooling and condensing a melt charged in a crucible held at a predetermined temperature while controlling the cooling temperature, but the most preferable one is produced by a unidirectional solidification method. It is. This is because the crystal phase included by unidirectional solidification continuously grows in a single crystal state or a similar state, and each phase has a single crystal orientation.
本発明に用いる光変換用セラミック複合体は、少なくとも１つの相が蛍光を発する金属元素酸化物を含有していることを除き、本願出願人が先に特開平７−１４９５９７号公報、特開平７−１８７８９３号公報、特開平８−８１２５７号公報、特開平８−２５３３８９号公報、特開平８−２５３３９０号公報および特開平９−６７１９４号公報並びにこれらに対応する米国出願（米国特許第５，５６９，５４７号、同第５，４８４，７５２号、同第５，９０２，９６３号）等に開示したセラミックス複合材料と同様のものであることができ、これらの公報に開示した製造方法で製造できる。 The ceramic composite for light conversion used in the present invention has previously been disclosed by Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 7-149597 and 7 except that at least one phase contains a metal element oxide that emits fluorescence. JP-A-818793, JP-A-8-81257, JP-A-8-253389, JP-A-8-253390, JP-A-9-67194, and corresponding US applications (US Pat. No. 5,569). No. 547, No. 5,484,752, No. 5,902,963) and the like, and can be manufactured by the manufacturing method disclosed in these publications. .
本発明に係る発光ダイオード用基板の製造方法において、単結晶板と前記光変換用セラミックス複合体板の接合は、光変換用セラミックス複合体板及び単結晶板の接合面を高速原子ビームにより活性化し、この活性化した状態で両接合面を貼り合わせた後、加熱及び加圧処理を行うことによって行なわれることが好ましい。この単結晶板及び光変換用セラミックス複合体板の接合面を高速原子ビームにより活性化する前に、各接合面を洗浄しておく必要がある。その洗浄は、市販のアルカリ界面活性化剤、硫酸とリン酸の混合液、有機溶媒及び超純水を順に処理することによって行われる。 In the method for manufacturing a substrate for a light emitting diode according to the present invention, the single crystal plate and the ceramic composite plate for light conversion are joined by activating the joint surface of the ceramic composite plate for light conversion and the single crystal plate with a high-speed atomic beam. In this activated state, it is preferable to perform both heating and pressurizing processes after bonding the two bonding surfaces together. Before the bonding surfaces of the single crystal plate and the ceramic composite plate for light conversion are activated by the high-speed atomic beam, it is necessary to clean the bonding surfaces. The washing is performed by sequentially treating a commercially available alkaline surfactant, a mixed solution of sulfuric acid and phosphoric acid, an organic solvent, and ultrapure water.
各接合面の高速原子ビーム（ＦＡＢ：Fast Atom Bombardment）による活性は、二つの基板を真空度１×１０−５Ｐａ以下に置いて行われることが好ましく、Ａｒビームによりエッチングを行われることが好ましい。本発明に係る発光ダイオード用基板の製造方法は、このようにＦＡＢにより各接合面を活性化した状態で、各接合面同士を貼り合わせることにより、常温又は低温における接合を可能とし、また、接合界面に樹脂やガラス等の接着層を要しないため、熱膨張率に差がある材料の接合を可能となり、それゆえ、製造コストが安価となり、接合界面の光損失を抑えることができる。 The activity of each bonding surface by a fast atom beam (FAB: Fast Atom Bombardment) is preferably performed by placing two substrates at a vacuum degree of 1 × 10 −5 Pa or less, and is preferably etched by an Ar beam. . The method for manufacturing a substrate for a light emitting diode according to the present invention enables bonding at room temperature or low temperature by bonding the bonding surfaces together in a state where the bonding surfaces are activated by FAB. Since an adhesive layer such as resin or glass is not required at the interface, it is possible to bond materials having different thermal expansion coefficients. Therefore, the manufacturing cost is reduced, and light loss at the bonded interface can be suppressed.
単結晶板と光変換用セラミックス複合体板の貼り合わせた後の加熱処理は、接合強度を増加させ、貼り合わせ後の加圧処理は、接合面積を増加させるという効果がある。加熱処理の範囲は、２５０〜１２００℃であることが好ましく、５００〜１１００℃であることがより好ましい。また、加圧処理の範囲は、０．５〜１０ＭＰａであることが好ましく、２〜５ＭＰａであることがより好ましい。このような加熱及び加圧処理の範囲内においては、接合基板の半導体成膜時に接合界面の剥がれが生じ難く、単結晶板と光変換用セラミックス複合体板の熱膨張差による割れが生じ難く、また接合圧力による剥がれが発生し難いため、安定的に接合基板を作製することが可能である。 The heat treatment after bonding the single crystal plate and the ceramic composite plate for light conversion increases the bonding strength, and the pressure treatment after bonding has the effect of increasing the bonding area. The range of the heat treatment is preferably 250 to 1200 ° C, and more preferably 500 to 1100 ° C. Moreover, the range of the pressure treatment is preferably 0.5 to 10 MPa, and more preferably 2 to 5 MPa. Within the range of such heating and pressure treatment, peeling of the bonding interface is unlikely to occur during semiconductor film formation of the bonding substrate, and cracking due to the difference in thermal expansion between the single crystal plate and the ceramic composite plate for light conversion is unlikely to occur. Further, since peeling due to the bonding pressure hardly occurs, the bonded substrate can be stably manufactured.
本発明の基板上に形成する半導体層の一例としての窒化物半導体層は、複数の窒化物系化合物半導体の層からなる。複数の窒化物系化合物半導体の層は、それぞれ、一般式、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表わされる窒化物系化合物により構成されることが好ましい。そして、窒化物半導体層は、少なくとも可視光を発する発光層を有する。良好な発光層を形成するためには、それぞれの層で、各機能に最適な組成に調整した複数の窒化物系化合物半導体の層を積層することが好ましい。 The nitride semiconductor layer as an example of the semiconductor layer formed on the substrate of the present invention includes a plurality of nitride compound semiconductor layers. The plurality of nitride-based compound semiconductor layer, respectively, the general formula, nitride represented by In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ x + y ≦ 1) It is preferable to be comprised with a compound. The nitride semiconductor layer has at least a light emitting layer that emits visible light. In order to form a good light-emitting layer, it is preferable to stack a plurality of nitride-based compound semiconductor layers adjusted to the optimum composition for each function in each layer.
複数の窒化物系化合物半導体の層及びこれらの層の形成方法は、例えば、Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｖｏｌ．３４（１９９５）， Ｌ７９８等に開示されているように公知の技術である。具体的には、基板上に、ＧａＮのバッファ層、ｎ電極が形成されるｎ型−ＧａＮ：Ｓｉコンタクト層、ｎ型−Ａｌ０．５Ｇａ０．９Ｎ：Ｓｉ層、ｎ型−Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ：Ｓｉ層、単一量子井戸構造型発光層を形成するＩｎＧａＮ層、ｐ型‐Ａｌ０．１Ｇａ０．9Ｎ：Ｍｇ障壁層、ｐ電極が形成されるｐ型‐ＧａＮ：Ｍｇ層をＭＯＣＶＤなどの方法により、順に積層することにより得ることができる。発光層の構造は他に、多重量子井戸構造や、ホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構造としても良い。このように作製した発光ダイオード素子を、図４に示すようなパッケージに入れ、電極と接続するだけで、白色発光ダイオードとして使用することができる。図４において、２は単結晶層、３はセラミックス複合体、４は発光素子（ダイオード素子）、５及び６は電極、７はパッケージである。 A plurality of nitride compound semiconductor layers and methods for forming these layers are described in, for example, Jpn. J. et al. Appl. Phys. Vol. 34 (1995), L798, and the like. Specifically, a GaN buffer layer, an n-type-GaN: Si contact layer on which an n-electrode is formed, an n-type-Al 0.5 Ga 0.9 N: Si layer, and an n-type In 0 on a substrate. .05 Ga 0.95 N: Si layer, InGaN layer forming a single quantum well structure type light emitting layer, p-type-Al 0.1 Ga 0.9 N: p-type in which a p-electrode is formed -A GaN: Mg layer can be obtained by sequentially laminating by a method such as MOCVD. In addition, the structure of the light emitting layer may be a multiple quantum well structure, a homo structure, a hetero structure, or a double hetero structure. The light-emitting diode device thus manufactured can be used as a white light-emitting diode simply by placing it in a package as shown in FIG. 4 and connecting it to an electrode. In FIG. 4, 2 is a single crystal layer, 3 is a ceramic composite, 4 is a light emitting element (diode element), 5 and 6 are electrodes, and 7 is a package.
次に、本発明に係る発光ダイオード用基板の製造方法の実施例について説明するが、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。 Next, examples of the method for manufacturing a light-emitting diode substrate according to the present invention will be described, but the present invention is not limited to these examples.
実施例１
α−Ａｌ２Ｏ３粉末（純度９９．９９％）とＹ２Ｏ３粉末（純度９９．９９９％）をモル比で８２：１８となるよう、またＣｅＯ2粉末（純度９９．９９％）を仕込み酸化物の反応により生成するＹ３Ａｌ５Ｏ１２１モルに対し０．０３モルとなるよう秤量した。これらの粉末をエタノール中、ボールミルによって１６時間湿式混合した後、エバポレーターを用いてエタノールを脱媒して原料粉末を得た。原料粉末は、真空炉中で予備溶解し一方向凝固の原料とした。
Example 1
The α-Al 2 O 3 powder (purity 99.99%) and Y 2 O 3 powder (purity 99.999%) were mixed at a molar ratio of 82:18, and CeO 2 powder (purity 99.99%) was added. produced by the reaction of the charge oxides were weighed Y 3 Al 5 O 12 1 mole to 0.03 mole. These powders were wet mixed in ethanol by a ball mill for 16 hours, and then ethanol was removed using an evaporator to obtain a raw material powder. The raw material powder was pre-melted in a vacuum furnace and used as a raw material for unidirectional solidification.
次に、この原料をそのままモリブデンルツボに仕込み、一方向凝固装置にセットし、１．３３×１０−３Ｐａ（１０−５Ｔｏｒｒ）の圧力下で原料を融解した。次に同一の雰囲気においてルツボを５ｍｍ／時間の速度で下降させ、ガーネット型結晶であるＹ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅとα型酸化アルミニウム型結晶であるＡｌ2Ｏ3からなる凝固体を得た。得られた凝固体は黄色を呈していた。 Next, this raw material was directly charged into a molybdenum crucible and set in a unidirectional solidification apparatus, and the raw material was melted under a pressure of 1.33 × 10 −3 Pa (10 −5 Torr). Next, the crucible was lowered at a rate of 5 mm / hour in the same atmosphere to obtain a solidified body composed of garnet-type crystals Y 3 Al 5 O 12 : Ce and α-type aluminum oxide crystals Al 2 O 3 . . The obtained solidified body was yellow.
凝固体の凝固方向に平行な断面組織を図５に示す。白い部分がＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ結晶、黒い部分がＡｌ２Ｏ３結晶である。二つの結晶が相互に絡み合った組織を有していることが分かる。 FIG. 5 shows a cross-sectional structure parallel to the solidification direction of the solidified body. White part is Y 3 Al 5 O 12: Ce crystals are black portions are Al 2 O 3 crystal. It can be seen that the two crystals have a structure intertwined with each other.
セラミックス複合材料から、（０００１）面がウェハ面になるように、２インチ、厚み１．０ｍｍを切り出し、研削盤で０．４３ｍｍの厚みに仕上げた、さらに一方の表面を研磨して鏡面にした。この平均表面粗さは、３０ｎｍであった。一方、Ａｌ２Ｏ３単結晶は市販品の（０００１）面のウェハを用いた。大きさは２インチ、厚み０．１００ｍｍ、表面粗さは、１ｎｍであった。 2 inches and a thickness of 1.0 mm were cut out from the ceramic composite material so that the (0001) surface became the wafer surface, and finished to a thickness of 0.43 mm with a grinding machine, and then one surface was polished into a mirror surface . This average surface roughness was 30 nm. On the other hand, as the Al 2 O 3 single crystal, a commercially available (0001) plane wafer was used. The size was 2 inches, the thickness was 0.100 mm, and the surface roughness was 1 nm.
次にセラミックス複合体ウェハの接合表面の洗浄を行った。洗浄工程は市販のアルカリ界面活性化剤、硫酸とリン酸の混合液、有機溶媒、超純水、ＩＰＡの順に洗浄を行い、１１０℃、３０分の条件で乾燥させた。 Next, the bonded surface of the ceramic composite wafer was cleaned. The washing step was carried out in the order of a commercially available alkaline surfactant, a mixed solution of sulfuric acid and phosphoric acid, an organic solvent, ultrapure water, and IPA, and dried at 110 ° C. for 30 minutes.
単結晶ウェハとセラミックス複合体ウェハの表面活性化接合を行い、接合基板を作製した。接合時の雰囲気は真空度５×１０−６Ｐａであり、ＦＡＢ（Fast Atom Bombardment）のＡｒビームにより１分間エッチングを行い、各板の表面を活性化した状態で、活性化した面同士を貼り合わせた後、加熱温度２５０℃、加重０．５ＭＰａの条件下で２時間保持した。接合基板の断面組織を図６に示す。 Surface activated bonding of the single crystal wafer and the ceramic composite wafer was performed to produce a bonded substrate. The atmosphere at the time of bonding is 5 × 10 −6 Pa in vacuum, and etching is performed for 1 minute with an Ar beam of FAB (Fast Atom Bombardment), and the activated surfaces are pasted with the surfaces of the plates activated. After the combination, the mixture was held for 2 hours under the conditions of a heating temperature of 250 ° C. and a load of 0.5 MPa. The cross-sectional structure of the bonded substrate is shown in FIG.
接合により作成した基板のＡｌ2Ｏ3単結晶層（０００１）面上にＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガス、窒素ガスおよびドーパントガスをキャリアガスと共に流し、ＭＯＣＶＤ法で窒化物系化合物半導体を製膜し、青色発光層を得た。ドーパントガスとしてＳｉＨ４とＣｐ2Ｍｇとを切り替えることによってｎ型窒化物系化合物半導体とｐ型窒化物系化合物半導体を形成し、ｐｎ接合を形成させた。具体的には、光変換用セラミック複合体層上にＧａＮのバッファ層を介して、ｎ電極が形成されるｎ型−ＧａＮ：Ｓｉコンタクト層、ｎ型−Ａｌ０．５Ｇａ０．９Ｎ：Ｓｉ層、ｎ型−Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ：Ｓｉ層、単一量子井戸構造型発光層を形成するＩｎＧａＮ層、ｐ型‐Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ：Ｍｇ障壁層、ｐ電極が形成されるｐ型‐ＧａＮ：Ｍｇ層を形成した。ｐｎ各電極をスパッタ法により形成し、基板にスクライブラインを引き、外力を加えることにより分割し、図３のように発光ダイオードチップを得た。作製した発光ダイオードチップを用いフリップチップ型のパッケージを作製した。得られた発光ダイオードの発光スペクトルを図７に示す。 TMG (trimethylgallium) gas, TMA (trimethylaluminum) gas, nitrogen gas and dopant gas are allowed to flow along with the carrier gas on the Al 2 O 3 single crystal layer (0001) surface of the substrate prepared by bonding, and nitride-based by MOCVD method A compound semiconductor was formed into a blue light emitting layer. By switching between SiH 4 and Cp 2 Mg as dopant gases, an n-type nitride compound semiconductor and a p-type nitride compound semiconductor were formed, and a pn junction was formed. Specifically, an n-type-GaN: Si contact layer in which an n-electrode is formed on a ceramic composite layer for light conversion via a GaN buffer layer, n-type-Al 0.5 Ga 0.9 N: Si layer, n-type -In 0.05 Ga 0.95 N: Si layer, InGaN layer forming a single quantum well structure type light emitting layer, p-type-Al 0.1 Ga 0.9 N: Mg barrier layer, A p-type GaN: Mg layer on which a p-electrode was formed was formed. Each electrode of pn was formed by sputtering, and a scribe line was drawn on the substrate and divided by applying external force to obtain a light emitting diode chip as shown in FIG. A flip chip type package was produced using the produced light emitting diode chip. The emission spectrum of the obtained light emitting diode is shown in FIG.
実施例２
実施例１と同様の方法で作製したセラミックス複合材料から、（０００１）面がウェハ面になるように、２インチ、厚み１．０ｍｍを切り出し、研削盤で０．４３ｍｍの厚みに仕上げた、さらに一方の表面を研磨して鏡面にした。この平均表面粗さは、３０ｎｍであった。一方、Ａｌ２Ｏ３単結晶は市販品の（０００１）面のウェハを用いた。大きさは２インチ、厚み０．０６０ｍｍ、表面粗さは、１ｎｍであった。セラミックス複合体ウェハと単結晶ウェハの接合を行い、作製した接合基板の単結晶面に半導体成膜を施し、白色発光ダイオードを作製した。
Example 2
2 inches and a thickness of 1.0 mm were cut out from the ceramic composite material produced by the same method as in Example 1 so that the (0001) surface was the wafer surface, and finished to a thickness of 0.43 mm with a grinding machine. One surface was polished into a mirror surface. This average surface roughness was 30 nm. On the other hand, as the Al 2 O 3 single crystal, a commercially available (0001) plane wafer was used. The size was 2 inches, the thickness was 0.060 mm, and the surface roughness was 1 nm. A ceramic composite wafer and a single crystal wafer were bonded together, and a semiconductor film was formed on the single crystal surface of the manufactured bonded substrate, thereby manufacturing a white light emitting diode.
実施例３
実施例１と同様に作製したセラミックス複合材料から、（０００１）面がウェハ面になるように、２インチ、厚み１．０ｍｍを切り出し、研削盤で０．４３ｍｍの厚みに仕上げ、さらに一方の表面を研磨して鏡面にした。この平均表面粗さは、３０ｎｍであった。一方、Ａｌ２Ｏ３単結晶は市販品の（０００１）面のウェハを用いた。大きさは２インチ、厚み０．１００ｍｍ、表面粗さは、１ｎｍであった。このＡｌ２Ｏ３単結晶ウェハの主面に対して、水素分子イオンを照射することで、その表面から０．００１２ｍｍの深さ位置にイオン注入領域を形成した。イオン注入条件は、加速エネルギーを３００ｋｅＶ、照射量を１×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２とした。
Example 3
From the ceramic composite material produced in the same manner as in Example 1, 2 inches and a thickness of 1.0 mm were cut out so that the (0001) surface became the wafer surface, finished to a thickness of 0.43 mm with a grinding machine, and one surface Was polished into a mirror surface. This average surface roughness was 30 nm. On the other hand, as the Al 2 O 3 single crystal, a commercially available (0001) plane wafer was used. The size was 2 inches, the thickness was 0.100 mm, and the surface roughness was 1 nm. By irradiating the main surface of the Al 2 O 3 single crystal wafer with hydrogen molecular ions, an ion implantation region was formed at a depth of 0.0012 mm from the surface. The ion implantation conditions were an acceleration energy of 300 keV and an irradiation amount of 1 × 10 17 ions / cm 2 .
次にセラミックス複合体ウェハの接合表面の洗浄を行った。洗浄工程は市販のアルカリ界面活性化剤、硫酸とリン酸の混合液、有機溶媒、超純水、ＩＰＡの順に洗浄を行い、１１０℃、３０分の条件で乾燥させた。 Next, the bonded surface of the ceramic composite wafer was cleaned. The washing step was carried out in the order of a commercially available alkaline surfactant, a mixed solution of sulfuric acid and phosphoric acid, an organic solvent, ultrapure water, and IPA, and dried at 110 ° C. for 30 minutes.
単結晶ウェハとセラミックス複合体ウェハの表面活性化接合を行い、接合基板を作製した。接合時の雰囲気は真空度５×１０−６Ｐａであり、ＦＡＢ（Fast Atom Bombardment）のＡｒビームにより１分間エッチングを行い、各板の表面を活性化した状態で、活性化した面同士を貼り合わせた後、加熱温度１０００℃、加重０．５ＭＰａの条件下で２時間保持した。また接合時の加熱により、Ａｌ２Ｏ３単結晶層のイオン注入領域に水素ガスからなるキャビティが形成された。 Surface activated bonding of the single crystal wafer and the ceramic composite wafer was performed to produce a bonded substrate. The atmosphere at the time of bonding is 5 × 10 −6 Pa in vacuum, and etching is performed for 1 minute with an Ar beam of FAB (Fast Atom Bombardment), and the activated surfaces are pasted with the surfaces of the plates activated. After the combination, the mixture was held for 2 hours under the conditions of a heating temperature of 1000 ° C. and a load of 0.5 MPa. Further, a cavity made of hydrogen gas was formed in the ion implantation region of the Al 2 O 3 single crystal layer by heating at the time of bonding.
イオン注入領域が形成された接合基板のＡｌ２Ｏ３単結晶層側とセラミックス複合体層側の両方に真空吸着によるパッドを取り付け、それぞれのパッドを逆方向に回転させることで、Ａｌ２Ｏ３単結晶層のキャビティが形成された領域に剪断応力を加えて、セラミックス複合体層側に０．０００８ｍｍ程度の厚さを残して、Ａｌ２Ｏ３単結晶層を剥離させ、Ａｌ２Ｏ３単結晶層は０．０００８まで薄膜化できた。その後、半導体成膜面の鏡面研磨を行うことでＡｌ２Ｏ３単結晶層は厚み０．０００６ｍｍに仕上げた。薄膜化した接合基板の単結晶面に半導体成膜を施し、白色発光ダイオードを作製した。 A pad by vacuum adsorption is attached to both the Al 2 O 3 single crystal layer side and the ceramic composite layer side of the bonding substrate in which the ion implantation region is formed, and the respective pads are rotated in the opposite directions, whereby Al 2 O 3 A shear stress is applied to the region where the cavity of the single crystal layer is formed, leaving a thickness of about 0.0008 mm on the ceramic composite layer side, the Al 2 O 3 single crystal layer is peeled off, and the Al 2 O 3 single layer is peeled off. The crystal layer could be thinned to 0.0008. Thereafter, the Al 2 O 3 single crystal layer was finished to a thickness of 0.0006 mm by mirror polishing of the semiconductor film formation surface. A semiconductor film was formed on the single crystal surface of the thinned bonding substrate to produce a white light emitting diode.
実施例４
実施例３と同様にＡｌ２Ｏ３単結晶層のイオン注入領域に水素ガスからなるキャビティが形成された接合基板を作製した。キャビティが形成された領域の端面に楔状の突起が接触するように、得られた基板の端面を白金製の冶具で固定し、Ａｌ２Ｏ３単結晶基板側を下にして、基板を冶具ごと皿状白金製容器に装填した。白金製容器の底に赤外線を集光することで、基板を急速に加熱し、また同時にキャビティが形成された領域の端面から機械的負荷を加えて、セラミックス複合体層側に０．０００８ｍｍ程度の厚さを残して、Ａｌ2Ｏ3単結晶層を剥離させ、Ａｌ２Ｏ３単結晶層は０．０００６まで薄膜化できた。その後、半導体成膜面の鏡面研磨を行うことでＡｌ2Ｏ3単結晶層は厚み０．０００６ｍｍに仕上げた。薄膜化した接合基板の単結晶面に半導体成膜を施し、白色発光ダイオードを作製した。
Example 4
Similar to Example 3, a bonded substrate in which a cavity made of hydrogen gas was formed in the ion implantation region of the Al 2 O 3 single crystal layer was produced. The end surface of the obtained substrate is fixed with a platinum jig so that the wedge-shaped protrusions are in contact with the end surface of the region where the cavity is formed, and the substrate is placed together with the jig with the Al 2 O 3 single crystal substrate side down. It loaded in the dish-shaped platinum container. By concentrating infrared rays on the bottom of the platinum container, the substrate is rapidly heated, and at the same time, a mechanical load is applied from the end face of the region where the cavity is formed, and about 0.0008 mm is applied to the ceramic composite layer side. The Al 2 O 3 single crystal layer was peeled off while leaving the thickness, and the Al 2 O 3 single crystal layer could be thinned to 0.0006. Thereafter, the Al 2 O 3 single crystal layer was finished to a thickness of 0.0006 mm by mirror polishing of the semiconductor film formation surface. A semiconductor film was formed on the single crystal surface of the thinned bonding substrate to produce a white light emitting diode.
実施例５
実施例３と同様にＡｌ2Ｏ3単結晶層のイオン注入領域に水素ガスからなるキャビティが形成された接合基板を作製した。得られた基板のＡｌ２Ｏ３単結晶基板側の主面に対して、その主面の一端からライン状に５ｋＨｚでＡｒＦエキシマレーザー光を照射し、そのレーザー光の照射を開始した主面の一端の反対側に向かって移動させて、セラミックス複合体層側に０．０００８ｍｍ程度の厚さを残して、Ａｌ２Ｏ３単結晶層を剥離させ、Ａｌ２Ｏ３単結晶層は０．０００８まで薄膜化できた。その後、半導体成膜面の鏡面研磨を行うことでＡｌ２Ｏ３単結晶層は厚み０．０００６ｍｍに仕上げた。薄膜化した接合基板の単結晶面に半導体成膜を施し、白色発光ダイオードを作製した。
Example 5
Similar to Example 3, a bonded substrate in which a cavity made of hydrogen gas was formed in the ion implantation region of the Al 2 O 3 single crystal layer was produced. The main surface of the obtained substrate on the side of the Al 2 O 3 single crystal substrate was irradiated with ArF excimer laser light at 5 kHz in a line form from one end of the main surface, and the main surface on which the laser light irradiation was started The Al 2 O 3 single crystal layer is moved to the opposite side of the one end, and the Al 2 O 3 single crystal layer is separated by 0.0008, leaving a thickness of about 0.0008 mm on the ceramic composite layer side. It was possible to reduce the film thickness. Thereafter, the Al 2 O 3 single crystal layer was finished to a thickness of 0.0006 mm by mirror polishing of the semiconductor film formation surface. A semiconductor film was formed on the single crystal surface of the thinned bonding substrate to produce a white light emitting diode.
実施例６
実施例１と同様の方法で作製した接合基板のＡｌ２Ｏ３単結晶層薄膜化方法にレーザー加工を用いた。レーザー加工に用いるレーザーは波長７８０ｎｍ、周波数１０Ｈｚ、パルス幅１５０ｆｓｅｃ、レーザー強度２００μＪである短パルスレーザーを用いた。レーザー光を市販の対物レンズ（１０倍）を用いて接合基板の単結晶層内に集光させ、Ａｌ2Ｏ3単結晶ウェハの主面に対して、その表面から０．００１０ｍｍの深さ位置に欠陥を作製した。ウェハを面方向に平行移動させることにより、ウェハ面内に欠陥ドットを作製した。
欠陥ドットを作製した接合基板のＡｌ２Ｏ３単結晶層側とセラミックス複合体層側の両方に真空吸着によるパッドを取り付け、それぞれのパッドを逆方向に回転させることで、Ａｌ2Ｏ3単結晶層の欠陥ドットが形成された領域に剪断応力を加えて、セラミックス複合体層側に０．００１０ｍｍ程度の厚さを残して、Ａｌ２Ｏ３単結晶層を剥離させ、Ａｌ２Ｏ３単結晶層は０．００１０まで薄膜化できた。その後、半導体成膜面の鏡面研磨を行うことでＡｌ2Ｏ3単結晶層は厚み０．０００５ｍｍに仕上げた。薄膜化した接合基板の単結晶面に半導体成膜を施し、白色発光ダイオードを作製した。
Example 6
Laser processing was used for the Al 2 O 3 single crystal layer thinning method of the bonded substrate manufactured by the same method as in Example 1. The laser used for laser processing was a short pulse laser having a wavelength of 780 nm, a frequency of 10 Hz, a pulse width of 150 fsec, and a laser intensity of 200 μJ. The laser beam is condensed in the single crystal layer of the bonded substrate using a commercially available objective lens (10 times), and the depth position of 0.0010 mm from the surface of the main surface of the Al 2 O 3 single crystal wafer. A defect was produced. By moving the wafer in the plane direction, defective dots were produced in the wafer surface.
By attaching vacuum-adsorbed pads to both the Al 2 O 3 single crystal layer side and the ceramic composite layer side of the bonded substrate on which the defect dots were produced, and rotating each pad in the opposite direction, Al 2 O 3 single crystal A shear stress is applied to the region where the defective dots of the layer are formed, leaving a thickness of about 0.0010 mm on the ceramic composite layer side, the Al 2 O 3 single crystal layer is peeled off, and the Al 2 O 3 single crystal The layer could be thinned down to 0.0010. Thereafter, the Al 2 O 3 single crystal layer was finished to a thickness of 0.0005 mm by mirror polishing of the semiconductor film formation surface. A semiconductor film was formed on the single crystal surface of the thinned bonding substrate to produce a white light emitting diode.
比較例１
実施例１と同様の方法で作製した接合基板のＡｌ２Ｏ３単結晶層薄膜化方法にレーザー加工を用いた。レーザー加工によりＡｌ２Ｏ３単結晶層は０．００１０ｍｍまで薄膜化でき、半導体成膜面の鏡面研磨を行うことでＡｌ２Ｏ３単結晶層は厚み０．０００３ｍｍまで研磨したが、接合界面が剥がれた。
Comparative Example 1
Laser processing was used for the Al 2 O 3 single crystal layer thinning method of the bonded substrate manufactured by the same method as in Example 1. Al 2 O 3 single crystal layer by laser processing can be thinned to 0.0010mm, Al 2 O 3 single crystal layer by performing mirror polishing of the semiconductor film-forming surface has been polished to a thickness 0.0003 mm, bonding interface Peeled off.
比較例２
実施例１と同様の方法で作製したセラミックス複合材料から、（０００１）面がウェハ面になるように、２インチ、厚み１．０ｍｍを切り出し、研削盤で０．４３ｍｍの厚みに仕上げた、さらに一方の表面を研磨して鏡面にした。この平均表面粗さは、３０ｎｍであった。一方、Ａｌ２Ｏ３単結晶は市販品の（０００１）面のウェハを用いた。大きさは２インチ、厚み０．１５０ｍｍ、表面粗さは、１ｎｍであった。セラミックス複合体ウェハと単結晶ウェハの接合を行い、作製した接合基板の単結晶面に半導体成膜を施し、白色発光ダイオードを作製した。
Comparative Example 2
2 inches and a thickness of 1.0 mm were cut out from the ceramic composite material produced by the same method as in Example 1 so that the (0001) surface was the wafer surface, and finished to a thickness of 0.43 mm with a grinding machine. One surface was polished into a mirror surface. This average surface roughness was 30 nm. On the other hand, as the Al 2 O 3 single crystal, a commercially available (0001) plane wafer was used. The size was 2 inches, the thickness was 0.150 mm, and the surface roughness was 1 nm. A ceramic composite wafer and a single crystal wafer were bonded together, and a semiconductor film was formed on the single crystal surface of the manufactured bonded substrate, thereby manufacturing a white light emitting diode.
比較例３
実施例１と同様の方法で作製したセラミックス複合材料から、（０００１）面がウェハ面になるように、２インチ、厚み１．０ｍｍを切り出し、研削盤で０．４３ｍｍの厚みに仕上げた、さらに一方の表面を研磨して鏡面にした。この平均表面粗さは、３０ｎｍであった。一方、Ａｌ２Ｏ３単結晶は市販品の（０００１）面のウェハを用いた。大きさは２インチ、厚み０．３３０ｍｍ、表面粗さは、１ｎｍであった。セラミックス複合体ウェハと単結晶ウェハの接合を行い、作製した接合基板の単結晶面に半導体成膜を施し、白色発光ダイオードを作製した。
Comparative Example 3
2 inches and a thickness of 1.0 mm were cut out from the ceramic composite material produced by the same method as in Example 1 so that the (0001) surface was the wafer surface, and finished to a thickness of 0.43 mm with a grinding machine. One surface was polished into a mirror surface. This average surface roughness was 30 nm. On the other hand, as the Al 2 O 3 single crystal, a commercially available (0001) plane wafer was used. The size was 2 inches, the thickness was 0.330 mm, and the surface roughness was 1 nm. A ceramic composite wafer and a single crystal wafer were bonded together, and a semiconductor film was formed on the single crystal surface of the manufactured bonded substrate, thereby manufacturing a white light emitting diode.
実施例と比較例において作製した白色発光ダイオードの蛍光強度を評価した結果を図８に示したところ、単結晶層の厚みを薄くすることによって、蛍光強度が強くなっていることが明確化され、蛍光強度と単結晶層の厚みは比例関係ではなく、単結晶層の厚みが０．１００ｍｍまでは急激に蛍光強度が向上する。但し、単結晶層の厚みを０．０００３ｍｍまで薄くしたところ、接合基板の界面の剥がれが生じる。このことから単結晶層の厚みは０．１００ｍｍ〜０．０００５ｍｍが好ましい。 The results of evaluating the fluorescence intensity of the white light emitting diodes produced in the examples and comparative examples are shown in FIG. 8, and it is clarified that the fluorescence intensity is increased by reducing the thickness of the single crystal layer. The fluorescence intensity and the thickness of the single crystal layer are not proportional to each other, and the fluorescence intensity is rapidly improved until the thickness of the single crystal layer is 0.100 mm. However, when the thickness of the single crystal layer is reduced to 0.0003 mm, the interface of the bonded substrate is peeled off. For this reason, the thickness of the single crystal layer is preferably 0.100 mm to 0.0005 mm.
Claims (20)
前記単結晶層の厚みが０．１００ｍｍ〜０．０００５ｍｍであることを特徴とする発光ダイオード用基板。 A single crystal layer capable of forming a light emitting diode element, and at least two oxide phases selected from a single metal oxide and a composite metal oxide are continuously and three-dimensionally entangled with each other. It is made of a solidified body, and at least one of the oxide phases is directly bonded to the ceramic composite layer for light conversion containing a metal element oxide that emits fluorescence,
The substrate for a light emitting diode, wherein the single crystal layer has a thickness of 0.100 mm to 0.0005 mm.
発光ダイオード素子が形成可能な単結晶基板の表面から所定深さ位置に、水素イオンまたは希ガスイオンあるいはこれらの両方を注入してイオン注入領域を形成する工程Ａと、
前記単結晶基板のイオン注入した面が該光変換用セラミックス複合体基板側になるように、前記単結晶基板と前記光変換用セラミックス複合体基板とを直接接合する工程Ｂと、
前記イオン注入領域を境界として、前記単結晶基板の一部を剥離することにより前記単結晶基板をその厚みが０．１００ｍｍ〜０．０００５ｍｍになるまで薄層化する工程Ｃとを備えたことを特徴とする発光ダイオード用基板の製造方法。 A single crystal layer capable of forming a light emitting diode element, and at least two oxide phases selected from a single metal oxide and a composite metal oxide are continuously and three-dimensionally entangled with each other. In the method for producing a substrate for a light emitting diode, comprising a solidified body, wherein at least one of the oxide phases is bonded to a ceramic composite layer for light conversion containing a metal element oxide that emits fluorescence.
A step A for forming an ion implantation region by implanting hydrogen ions or rare gas ions or both at a predetermined depth from the surface of a single crystal substrate on which a light emitting diode element can be formed;
Direct bonding of the single crystal substrate and the ceramic composite substrate for light conversion such that the ion-implanted surface of the single crystal substrate is on the ceramic composite substrate for light conversion;
And a step C of thinning the single crystal substrate to a thickness of 0.100 mm to 0.0005 mm by peeling a part of the single crystal substrate with the ion implantation region as a boundary. A method for manufacturing a substrate for a light emitting diode.
前記単結晶基板と前記光変換用セラミックス複合体基板を積層して得られた、前記単結晶層およびセラミックス複合体層からなる前記発光ダイオード用基板に、熱的負荷または機械的負荷あるいはそれらの両方を加えることによって、
前記単結晶層の表面から所定深さ位置で該単結晶層の一部を剥離する工程であること、
を特徴とする請求項７乃至１１いずれか記載の発光ダイオード用基板の製造方法。 Step C is
The light-emitting diode substrate comprising the single crystal layer and the ceramic composite layer obtained by laminating the single crystal substrate and the ceramic composite substrate for light conversion has a thermal load and / or a mechanical load. By adding
A step of peeling a part of the single crystal layer at a predetermined depth from the surface of the single crystal layer;
The method for manufacturing a substrate for a light emitting diode according to any one of claims 7 to 11.
前記単結晶基板と前記光変換用セラミックス複合体基板を積層して得られた、前記単結晶層およびセラミックス複合体層からなる前記発光ダイオード用基板に熱的負荷を加えて、
前記単結晶層の前記イオン注入領域に水素ガスまたは希ガスあるいはこれらの両方のガスのキャビティを形成した後、
前記イオン注入領域に熱的負荷または機械的負荷あるいはそれらの両方を加えることによって、
前記単結晶層の表面から所定深さ位置で前記単結晶層の一部を剥離する工程であること、
を特徴とする請求項７乃至１１いずれか記載の発光ダイオード用基板の製造方法。 Step C is
Applying a thermal load to the light emitting diode substrate comprising the single crystal layer and the ceramic composite layer obtained by laminating the single crystal substrate and the ceramic composite substrate for light conversion,
After forming a cavity of hydrogen gas and / or rare gas in the ion implantation region of the single crystal layer,
By applying a thermal load or a mechanical load or both to the ion implantation region,
A step of peeling a part of the single crystal layer at a predetermined depth from the surface of the single crystal layer;
The method for manufacturing a substrate for a light emitting diode according to any one of claims 7 to 11.
前記単結晶基板と前記光変換用セラミックス複合体基板を積層して得られた、前記単結晶層およびセラミックス複合体層からなる前記発光ダイオード用基板の前記単結晶層に２５０ｎｍ以下の光を照射して、
前記単結晶層の表面から所定深さ位置で該単結晶層の一部を剥離する工程であることを、特徴とする請求項７乃至１１いずれか記載の発光ダイオード用基板の製造方法。 Step C is
Irradiating the single crystal layer of the light emitting diode substrate comprising the single crystal layer and the ceramic composite layer obtained by laminating the single crystal substrate and the ceramic composite substrate for light conversion with light of 250 nm or less. And
The method for manufacturing a substrate for a light emitting diode according to claim 7, wherein a part of the single crystal layer is peeled off at a predetermined depth from the surface of the single crystal layer.
20. The method for manufacturing a light emitting diode substrate according to claim 19, wherein the heat treatment is performed at 250 to 1200 [deg.] C., and the pressure treatment is performed at 0.5 to 10 MPa.
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