JP2011082362A - 発光ダイオード用金属基板、発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】収率が向上し、特性が安定した接合用金属基板、発光ダイオード及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の発光ダイオード用金属基板は、金属基板と、接合層を介して前記金属基板上に接合された、発光部を含む化合物半導体層とを備えた発光ダイオードを製造するのに用いられる発光ダイオード用金属基板であって、金属板と該金属板の少なくとも上面及び下面を覆う金属保護膜とからなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード用金属基板、発光ダイオード及びその製造方法に関するものである。

従来から、赤色、赤外の光を発する高出力発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）として、砒化アルミニウム・ガリウム（組成式Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ；０≦Ｘ≦１）から成る発光層を備えた化合物半導体ＬＥＤが知られている。一方、赤色、橙色、黄色或いは黄緑色の可視光を発する高輝度発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）として、燐化アルミニウム・ガリウム・インジウム（組成式（Ａｌ_ＸＧａ_１−Ｘ）_ＹＩｎ_１−ＹＰ；０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を備えた化合物半導体ＬＥＤが知られている。これらの様なＬＥＤにあって、一般に発光層から出射される発光に対し光学的に不透明であり、また機械的にもそれ程強度のない砒化ガリウム（ＧａＡｓ）等の基板材料上に形成されている。

このため、最近では、より高輝度のＬＥＤを得るために、また、更なる素子の機械的強度、放熱性の向上を目的として、発光光に対して不透明な基板材料を除去して、然る後、発光光を透過または反射し、尚且つ機械強度、放熱性に優れる材料からなる支持体層（基板）を改めて接合させて、接合型ＬＥＤを構成する技術が開示されている（例えば、特許文献１〜７参照）。

特開２００１−３３９１００号公報 特開平６−３０２８５７号公報 特開２００２−２４６６４０号公報 特許第２５８８８４９号公報 特開２００１−５７４４１号公報 特開２００７−８１０１０号公報 特開２００６−３２９５２号公報

上述したように、基板接合技術の開発により、支持体層として適用できる基板の自由度が増え、コスト面、機械強度、放熱性など大きなメリットを有する金属基板の適用が提案されている。

しかしながら、金属基板は、半導体基板、セラミックス基板等と比較して製造プロセスで使用する化学薬品に反応、腐食等により品質劣化する問題があった。具体的には、アルカリ、酸の処理に対して、溶解、変色、腐食が発生し、特性不良や収率の低下してしまうという問題があった。特に、半導体層を成長させる砒化ガリウム基板を除去する為、アルカリや酸に長時間浸漬し、砒化ガリウム基板を全て溶解する工程が一般的であるが、金属基板がこの長時間の薬品処理に耐えられないという問題があった。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、基板除去工程の薬品処理に耐えうる耐薬品に優れた新しい構造の金属基板を用いることで、収率が向上し、特性が安定した発光ダイオード及びその製造方法並びに発光ダイオード用金属基板を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。すなわち、
（１）金属基板と、接合層を介して前記金属基板上に接合された、発光部を含む化合物半導体層とを備えた発光ダイオードを製造するのに用いられる発光ダイオード用金属基板であって、金属板と該金属板の少なくとも上面及び下面を覆う金属保護膜とからなることを特徴とする発光ダイオード用金属基板。
（２）前記金属保護膜はさらに前記金属板の側面を覆っていることを特徴とする前項（１）に記載の発光ダイオード用金属基板。
（３）前記金属板は、熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、かつ、熱膨張係数が前記発光部の熱膨張係数の±１．５ｐｐｍ／Ｋ以内であることを特徴とする前項（１）又は（２）のいずれかに記載の発光ダイオード用金属基板。
（４）前記金属板は、銅、モリブデン、又はタングステンの少なくともいずれか一つを含む金属からなることを特徴とする前項（１）から（３）のいずれか一項に記載の発光ダイオード用金属基板。
（５）前記金属板は、銅とモリブデンの重ね合わせ構造からなることを特徴とする前項（４）に記載の発光ダイオード用金属基板。
（６）前記金属保護膜は、ニッケル、クロム、白金、又は金の少なくともいずれか一つを含む金属からなることを特徴とする前項（１）から（５）のいずれか一項に記載の発光ダイオード用金属基板。
（７）前項（１）から（６）のいずれか一項に記載の発光ダイオード用金属基板と、接合層を介して前記金属基板上に接合された、発光部を含む化合物半導体層とを備えた発光ダイオードであって、前記発光部は、ＡｌＧａＩｎＰ層又はＡｌＧａＡｓ層を含むことを特徴とする発光ダイオード。
（８）金属板の全面に金属保護膜を形成して発光ダイオード用金属基板を作製する第１の工程と、半導体基板上に、発光部を含む化合物半導体層を形成する第２の工程と、前記化合物半導体層上に接合層を形成する第３の工程と、前記接合層を介して、前記化合物半導体層が形成された前記半導体基板と前記金属基板とを接合する第４の工程と、前記半導体基板をエッチング液を用いて除去する第５の工程と、を有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
（９）前記第１の工程は、複数の金属薄板を熱圧着して金属板を作製する工程と、前記金属板の全面にめっきにより金属保護膜を形成する工程と、を有する特徴とする前項（８）に記載の発光ダイオードの製造方法。

上記の構成によれば、発光ダイオードの製造工程において、放熱性に優れた金属基板を腐食させることなく、安定した特性および収率を有する発光ダイオード及び発光ダイオードの製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態である発光ダイオード接合用金属基板及びそれに接合された発光ダイオードを示すものであって、（ａ）平面図および（ｂ）断面模式図である。 本発明の一実施形態である発光ダイオードを示す断面模式図である。 本発明の一実施形態である発光ダイオード製造の一工程を示す断面模式図である。 従来の発光ダイオード用金属基板及びそれに接合された発光ダイオードを示すものであって、（ａ）平面図および（ｂ）断面模式図である。

以下、本発明を適用した一実施形態である発光ダイオード用金属基板、発光ダイオード及びその製造方法について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。同様の構成要素については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

図１は、本発明の発光ダイオード用金属基板６と、成長基板（半導体基板）２０上に形成した発光部を含む化合物半導体層２とを接合層３を介して接合した状態を示すものであり、本発明の発光ダイオードの製造方法の第４の工程後の状態を示すものである。

＜発光ダイオード用金属基板＞
発光ダイオード用金属基板を構成する金属板は、熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、かつ、熱膨張係数が発光部の熱膨張係数の±１．５ｐｐｍ／Ｋ以内であるのが好ましい。熱伝導率の良好な金属、例えば、銅、銀、金などや、熱膨張係数が発光部と略等しい金属、例えば、モリブデン、タングステンなどから構成することができる。また、複数の金属薄板からなってもよい。
図１に示す本実施形態の発光ダイオード用金属基板６を構成する金属板４は好適な例であり、熱膨張係数を発光部とほぼ等しくするために銅４Ｂ／モリブデン４Ａ／銅４Ｂの３枚の薄板を積層して熱圧着したものである。かかる金属板は熱伝導率が高く、熱膨張係数が半導体に近い好適な材料である。
次に、金属板の少なくとも上面及び下面を覆う金属保護膜はニッケル、クロム、白金、金など公知の材料が適用できる。
金属保護膜は密着性がよいニッケルと耐薬品に優れる金を組み合わせた層からなるのが最適である。
金属保護膜の厚さは、特に制限はないが、耐久性とコストのバランスから、０．２〜５μｍ、好ましくは、０．５〜３μｍが適正な範囲である。高価な金の厚さは、１μｍ以下が望ましい。
金属基板の厚さは、薄いと強度不足による変形という不都合があり、厚いとチップに切断する工程での技術的難易度が高くなるという不都合があるため、材料により異なるが、好ましくは５０〜２００μｍ、より好ましくは、８０〜１５０μｍが好ましい範囲である。

＜発光ダイオード＞
次に、本発明の一実施形態である発光ダイオードの構成について説明する。
図２に示すように、本実施形態の発光ダイオード（ＬＥＤ）１は、本発明の金属基板６と、接合層３を介して金属基板６上に接合された、発光部７を含む化合物半導体層２とを備えたものである。金属基板６は、金属板４と金属板の全面を覆う金属保護膜５とからなる。
本実施形態は金属保護膜が金属板の全面すなわち上面、下面及び側面を覆っている金属基板を備えた発光ダイオードの場合だが、金属保護膜が金属板の上面と下面だけを覆い側面は覆わない場合もある。

化合物半導体層２は、ｐｎ接合型の発光部７を含むものであれば特に限定されるものではない。

発光部７は半導体基板、例えば、ＧａＡｓ基板に成長できる材料であり、一般的には、下部クラッド層９、発光層１０、上部クラッド層１１、が順次積層された化合物半導体の積層体である。この発光部７としては、例えば、赤色、黄色、黄緑色などの光源である（Ａｌ_ＸＧａ_１−Ｘ）_ＹＩｎ_１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層１０を含む化合物半導体層を用いることができる。
赤および赤外の光を発光するＡｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ（０≦Ｘ≦１）からなる発光層１０を含む化合物半導体層を用いることができるし、他の公知の構造を適用できる。

接合層３は、化合物半導体層２と金属基板６との間に配置され、化合物半導体層２と金属基板６とを強固に接合（貼り合わせ）する機能を有する層であり、単層でも複数の層からなるものでもよいが、金属保護膜の材質や組み合わせを考慮して金属基板６（金属保護膜５）との接続表面は金属保護膜５と同じ材料系になるようにするのが好ましく、例えば、金属基板表面が金である場合は、金属保護膜との接続面は金であるのが最も望ましい。
本実施形態では、接合層３は、化合物半導体層２側に設けられた第１の金属膜３Ａと金属基板６側に設けられた第２の金属膜３Ｂとからなり、第２の金属膜３Ｂは金属保護膜５と同じ材料からなる。
また、本実施形態では、接合層３は、高輝度化のために反射率の高い反射構造を有しており、化合物半導体層２側及び金属基板６側から入射された光を反射させる機能を有している。

本実施形態では、金属基板６は、熱膨張係数を発光部とほぼ等しくするためにモリブデンの薄板４Ａを銅の薄板４Ｂで挟んだ構造からなる金属板４の上面、下面及び側面の全面に、めっきによりニッケル／金の金属保護膜５で覆われた構成である。
金属板は、銅、モリブデン、又はタングステンの少なくともいずれか一つを含む金属からなるものであるのが好ましい。金属保護膜は、密着性に優れるクロム、ニッケル、化学的に安定な白金、又は金の少なくともいずれか一つを含む金属からなるものであるのが好ましい。
下地はニッケルで、表面は薬品に安定な金または白金が望ましい組み合わせである。

［発光ダイオードの製造方法］
＜金属基板の作製工程（第１の工程）＞
本実施形態の発光ダイオード用金属基板６の作製方法について説明する。
まず、発光ダイオード用金属基板を構成する金属板を準備する。
図２に示す本実施形態の金属板４は、熱膨張係数を発光部とほぼ等しい銅４Ｂ、モリブデン４Ａ、及び銅４Ｂの３枚の薄板を積層し、熱圧着して作製する。
次に、金属板の全面を覆う金属保護膜を形成する。
尚、後のエッチング液による半導体基板除去工程を行う際に、金属保護膜が金属板の全面を覆っていればよく、その半導体基板除去工程後の工程において金属板の金属保護膜の一部が除去され、最終的に製造された発光ダイオードの金属基板が金属板の全面を金属保護膜で覆われていなくても構わない。
金属保護膜は公知の膜形成方法を用いることができるが、側面を含めた全面に膜形成ができるめっき法が最も好ましい。
例えば、無電解めっき法では、ニッケルその後、金をめっきし、金属板の上面、側面、下面をニッケル膜及び金膜（金属保護膜）で覆われた金属基板６を作製できる。
めっき材質は、特に制限はなく、銅、銀、ニッケル、クロム、白金、金など公知の材質が適用できるが、密着性がよいニッケルと耐薬品に優れる金を組み合わせた層が最適である。
めっき厚さは、特に制限はないが、耐久性とコストのバランスから、０．２〜５μｍ、好ましくは、０．５〜３μｍが適正な範囲である。高価な金の厚さは、１μｍ以下が望ましい。
めっき法は、公知の技術、薬品が使用できる。電極が不要な無電解めっき法が、簡便で望ましい。

＜化合物半導体層形成工程（第２の工程）＞
図３に示すように、半導体基板２０の一面２０ａ上に、複数のエピタキシャル層を成長させて化合物半導体層２を形成する。
半導体基板２０は化合物半導体層２の形成用基板であり、例えば、Ｓｉドープしたｎ型のＧａＡｓ単結晶基板である。
半導体基板２０の一面２０ａ上に、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓからなる緩衝層１２ａを成膜する。次に、緩衝層１２ａ上に、Ｓｉドープしたｎ型のＡｌＧａＩｎＰからなるコンタクト層１２ｂを成膜する。次に、コンタクト層１２ｂ上に、Ｓｉをドープしたｎ型のＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層１１を成膜する。次に、クラッド層１１上に、アンドープのＡｌＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰの１０対の積層構造からなる発光層１０を成膜する。次に、発光層１０上に、Ｍｇをドープしたｐ型のＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層９を成膜する。次に、クラッド層９上に、Ｍｇドープしたｐ型のＧａＰ層１３を成膜する。
次に、ｐ型のＧａＰ層１３の半導体基板２０と反対側の面１３ａ上に第２の電極（オーミック電極）８ｂを形成する。

＜接合層形成工程（第３の工程）＞
次に、ｐ型のＧａＰ層１３の半導体基板２０と反対側の面１３ａおよび第２の電極８ｂを覆うように、接合層３（３Ａ）を形成する。
接合層の形成は公知の技術を利用できる。例えば、共晶金属、半田、などの金属材料、有機系の接着剤、直接接合技術などを利用できる。

＜金属基板の接合工程（第４の工程）＞
次に、接合層３及び化合物半導体層２を形成した半導体基板２０と、金属基板の製造工程で形成した金属基板６とを減圧装置内に搬入して、接合層３の接合面と金属基板６の接合面とが対向して重ねあわされるように配置する。
次に、減圧装置内を排気した後、接合層３及び化合物半導体層２を形成した半導体基板２０と金属基板６とを加熱した状態で加圧して、接合構造体１５を形成する。

＜半導体基板除去工程（第５の工程）＞
次に、アンモニアと過酸化水素のエッチング液により、接合構造体１５から、半導体基板２０及び緩衝層１２ａを選択的に溶解除去する。このエッチング液に対して銅は溶解するため、金属板の上面、側面、下面の全面がニッケル・金膜で覆われているため、金属板の銅の溶解は起こらない。
この工程により、発光部７を有する化合物半導体層２が形成される。

＜第１の電極形成工程＞
次に、化合物半導体層２の金属基板６と反対側の面２ａに第１の電極８ａを形成する。

＜分離工程＞
切断する領域の半導体層を除去した後に、以上の工程で形成された金属基板を含む構造体をレーザで例えば、３５０μm間隔で切断し、発光ダイオード１を作製する。
この発光ダイオード１では、金属基板は上面及び下面にだけ金属保護膜を備え、側面には備えていない。

＜発光ダイオード側面保護膜形成工程＞
更に、要求品質により金属基板の保護膜と同様な条件で、切断された金属基板側面と下面に、ニッケル・Ａｕめっき処理を行い、樹脂保護膜を除去し、薬品に強い発光ダイオードを作製するのも好適である。

以下、本発明の効果を、実施例を用いて具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

＜金属基板の作製＞
厚さ２５μｍのＭｏ箔を２枚の厚さ３０μｍの銅箔で挟み、加熱圧着して、厚さ８５μｍの金属板を作製した。金属板の形状は、直径７６ｍｍの円形である。
金属板の上面と下面を研磨し、上面を光沢面とした後に、有機溶剤で洗浄し、汚れを除去した。
金属板の熱膨張係数は６．１ｐｐｍ／Ｋであり、熱伝導率は２５０Ｗ／ｍ・Ｋであった。

無電解めっき法で、金属板に最初にＮｉを約２μｍ、次に、金を０．５μｍ形成した。こうして、金属板の上面、側面、下面に均一な２層のめっき膜を形成した。

＜発光部の形成＞
直径７６ｍｍ、厚さ４５０μｍで、主面が（１００）１５°オフのＧａＡｓ単結晶基板２０を準備した。表面を洗浄後、ＭＯＣＶＤ装置にセットした。
ＧａＡｓ緩衝層１２ａを０．２μｍ成長後、コンタクト層１２ｂは、Ｓｉドープしたｎ型の（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなり、キャリア濃度を２×１０^１８ｃｍ^−３とし、層厚を１．５μｍとした。クラッド層１１は、Ｓｉをドープしたｎ型の（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなり、キャリア濃度を８×１０^１７ｃｍ^−３とし、層厚を１μｍとした。発光層１０は、アンドープの（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ／（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの１０対の積層構造からなり、層厚を０．８μｍとした。クラッド層９は、Ｍｇをドープしたｐ型の（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなり、キャリア濃度を２×１０^１７ｃｍ^−３とし、層厚を１μｍとした。また、ＧａＰ層１３は、Ｍｇをドープしたｐ型ＧａＰ層であり、キャリア濃度を３×１０^１８ｃｍ^−３とし、層厚を３μｍとした。
さらに、ｐ型ＧａＰ表面にオーミック電極８ｂを形成し、さらに、接合層３としてＡｕＧｅの共晶金属を蒸着法で１．５μｍ形成し、その接合層３に金属基板６を重ね合わせ、貼り付け装置内で、３８０℃に加熱、加圧して接合して接合構造体１８を作製した。

＜半導体基板の除去＞
接合した接合構造体をアンモニア・過酸化水素の混合液に、ＧａＡｓ基板２０及びＧａＡｓ緩衝層１２ａが全て溶解するまで、浸漬した。

＜収率＞
ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ緩衝層１２ａを溶解除去後、接合収率を測定した結果、理論面積に対して、９７％が正常であった。
ここで、理論面積（Ｓ）とは、接合前の実効的な面積として円形からオリフラ部分と周辺のべべリング領域を差し引いた面積で、７６ｍｍφウエハの場合Ｓ＝４３ｃｍ^２となる。
また、接合収率は、接合後に測定した接合部分の面積Ｘの理論面積Ｓに対するもので、接合収率＝Ｘ／Ｓ×100（％）で算出する。接合部の面積は、たとえば接合部分を除去した後に面積計で測定するなどして求めることができる。

（比較例）
図４に示すように、実施例との相違点は、金属基板にめっき法を用いないで、金属板の接合層３と反対側の面をフォトレジスト２１により保護し、ＧａＡｓ基板を除去した点である。フォトレジストは、２０００ｒｐｍでスピンコートし、２μｍ厚さに塗布後、１４０℃で熱処理し硬化させ保護膜を形成した。

＜収率＞
ＧａＡｓ基板を溶解後、接合収率を測定した結果、理論面積に対して、７９％が正常であった。この収率低下は、周辺の金属基板が一部溶けたことにより、接合できない部分があったためである。

本発明の発光ダイオードは、放熱性に優れ、高輝度で発光できるので、各種の表示ランプ、照明器具等に利用でき、これらを製造・利用する産業において利用可能性がある。また、本発明の発光ダイオードの製造方法は、放熱性に優れ、高輝度で発光できる発光ダイオードを製造できるので、各種の表示ランプ、照明器具等に利用でき、これらを製造・利用する産業において利用可能性がある。

１ 発光ダイオード
２ 化合物半導体層
３ 接合層
３Ａ 第１の金属膜
３Ｂ 第２の金属膜
４ 金属板
５ 金属保護膜
６ 発光ダイオード用金属基板
７ 発光部
８ａ 第１の電極
８ｂ 第２の電極
９ クラッド層
１０ 発光層
１１ クラッド層
１２ａ 緩衝層
１２ｂ コンタクト層
１３ ＧａＰ層
１５ 接合構造体
２０ 半導体基板

Claims (9)

1. 金属基板と、接合層を介して前記金属基板上に接合された、発光部を含む化合物半導体層とを備えた発光ダイオードを製造するのに用いられる発光ダイオード用金属基板であって、金属板と該金属板の少なくとも上面及び下面を覆う金属保護膜とからなることを特徴とする発光ダイオード用金属基板。
2. 前記金属保護膜はさらに前記金属板の側面を覆っていることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード用金属基板。
3. 前記金属板は、熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、かつ、熱膨張係数が前記発光部の熱膨張係数の±１．５ｐｐｍ／Ｋ以内であることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の発光ダイオード用金属基板。
4. 前記金属板は、銅、モリブデン、又はタングステンの少なくともいずれか一つを含む金属からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の発光ダイオード用金属基板。
5. 前記金属板は、銅とモリブデンの重ね合わせ構造からなることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード用金属基板。
6. 前記金属保護膜は、ニッケル、クロム、白金、又は金の少なくともいずれか一つを含む金属からなることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の発光ダイオード用金属基板。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の発光ダイオード用金属基板と、接合層を介して前記金属基板上に接合された、発光部を含む化合物半導体層とを備えた発光ダイオードであって、前記発光部は、ＡｌＧａＩｎＰ層又はＡｌＧａＡｓ層を含むことを特徴とする発光ダイオード。
8. 金属板の全面に金属保護膜を形成して発光ダイオード用金属基板を作製する第１の工程と、
   半導体基板上に、発光部を含む化合物半導体層を形成する第２の工程と、
   前記化合物半導体層上に接合層を形成する第３の工程と、
   前記接合層を介して、前記化合物半導体層が形成された前記半導体基板と前記金属基板とを接合する第４の工程と、
   前記半導体基板をエッチング液を用いて除去する第５の工程と、を有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
9. 前記第１の工程は、複数の金属薄板を熱圧着して金属板を作製する工程と、
   前記金属板の全面にめっきにより金属保護膜を形成する工程と、を有する特徴とする請求項８に記載の発光ダイオードの製造方法。

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