JP4551536B2

JP4551536B2 - AlN substrate and laser diode element using the same

Info

Publication number: JP4551536B2
Application number: JP2000166770A
Authority: JP
Inventors: 和弘篠澤; 隆雄白井
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Priority date: 2000-06-02
Filing date: 2000-06-02
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2020-06-02
Also published as: JP2001348275A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板およびそれを用いたレーザダイオード素子に関するものであり、特に、窒化アルミニウム基板の研磨加工性を向上させたものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化アルミニウムは、高い熱伝導率を有し、電気絶縁性が良く、Ｓｉとほぼ同じ熱膨張率を有するなどの優れた性質を持つ。このため、窒化アルミニウム基板は、産業用パワーエレクトロニクスや車載用パワーエレクトロニクスといった分野の製品として広く適用されている。
【０００３】
近年、窒化アルミニウム基板が情報通信市場へも普及され始めており、交換機やモバイル機器、ＤＶＤ機器等への搭載が着実に行なわれている。特に、ＤＶＤ機器等の素子基板として適用される場合、基板表面にＴｉ、Ｎｉ、Ａｕ等の薄膜形成を行う必要がある。
【０００４】
基板と、この基板表面に形成する薄膜との密着力が弱いと、薄膜が剥離してしまうなどの問題があるため、薄膜形成前に基板表面を研磨加工する必要がある。
しかしながら、研磨加工時に基板の研磨加工性が悪いと、脱粒が生じてしまう等の問題を有し、生産効率が低下していた。従って、基板の脱粒を防止し研磨加工性を向上させるため、結晶粒を小さくし、かつ粒界中の焼結助剤からなる偏析を無くし粒界を強固とすることが要求されている。
【０００５】
一方、ＡｌＮ基板はより一層優れた高い熱伝導性が要求されている。このため、従来、ＡｌＮ基板の熱伝導性を高めるため、焼結助剤を微量として粒界を極力少なくする方法がとられている。また、粒界を含めたＡｌＮ結晶以外の不純物成分を極力無くすことも必要とされる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、焼結助剤の添加量を微量にすると、焼結温度を著しく高くする必要があり、焼結温度を高くすることで過度の粒成長や粒界強度低下が生じ、焼結後に研磨加工を施すと脱粒が生じ易くなり、基板表面に薄膜形成する際、安定した薄膜形成ができなくなる等の問題を有していた。
【０００７】
一方、液相焼結の結果得られるＡｌＮ基板は、その強度向上（研磨加工に対する耐脱粒性含む）に対しては適度の粒界層相成分が必要であり、商業上使用するＡｌＮ基板はこれら相反する二つの事象を満足する窒化アルミニウム基板が必要とされていた。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、高い熱伝導率を保持し、かつ、研磨性を向上させたＡｌＮ基板およびそれを用いたレーザーダイオード素子を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、高熱伝導と良好な薄膜を形成するための前処理である研磨加工性良好な表面性状を有するという相反する二つの問題を同時に解決するため種々研究した結果、焼結粒の単位面積に占める結晶粒子数とそれを取り巻く粒界の長さを制御することが有効であることを見い出し、本発明に至ったものである。
【００１０】
すなわち、請求項１記載のＡｌＮ基板は、比表面積が０．１〜０．３ｍ ^２／ｇのＡｌＮ粉末１００重量部にイットリア８重量部以下を添加して焼結したＡｌＮ基板であって、前記ＡｌＮ基板は表面粗さＲａ０．０５μｍ以下の研磨面を有し、前記研磨面における、任意の一辺が１０μｍの正方形１００μｍ^２の領域内に存在するＡｌＮ結晶粒子数が５〜１０個であり、前記１００μｍ ^２の領域内に入る粒界の総長さが１００μｍ以下であり、前記研磨面における、任意の一辺が１００μｍの正方形１００００μｍ ^２の領域内に存在する脱粒痕の数が１０個以下であり、熱伝導率が１８０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上であることを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明は、前記１００μｍ ^２の領域内に入る粒界の総長さが３０〜１００μｍであることを特徴とする請求項１記載のＡｌＮ基板である。
【００１４】
請求項３記載の発明は、ＡｌＮ基板表面に薄膜が形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のＡｌＮ基板である。
【００１５】
本発明によれば、研磨時に脱粒し難いため、研磨加工性が向上してＡｌＮ基板表面への薄膜形成が容易となる。
【００１６】
請求項４記載の発明は、ＡｌＮ基板は光通信機器に用いる素子搭載用基板として適用されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のＡｌＮ基板である。
【００１７】
請求項５記載のレーザーダイオード素子は、請求項３に記載のＡｌＮ基板上にレーザーダイオードを搭載したことを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、一辺が１０μｍである正方形１００μｍ^２当たりの結晶粒子数を５以上とし、この面積中の粒界の総長さを１００μｍ以下とすることにより、ＡｌＮ基板表面に薄膜形成できるため、レーザダイオードをはじめとする通信機器関係の薄膜基板の優れたパフォーマンスを得ることができる。
【００１９】
請求項６記載の発明は、ＡｌＮ基板上に薄膜を介してレーザーダイオードを搭載したことを特徴とする請求項５記載のレーザーダイオード素子である。
【００２０】
請求項７記載の発明は、レーザー発振の減衰率が１０％以下であることを特徴とする請求項５または６に記載のレーザーダイオード素子である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
まず、本発明では、ＡｌＮ基板において、任意の、一辺が１０μｍの正方形１００μｍ^２の領域内に存在するＡｌＮ結晶粒子数を５以上としている。この数字が５未満、つまりは４以下であるとＡｌＮ結晶粒子に過度の粒成長（異常粒成長）を伴ったものが存在することになる。異常粒成長を伴ったＡｌＮ基板は熱伝導率が高くなるものの、ＡｌＮ粒子が必要以上に大きいため表面研磨の際に脱粒が起き易くなる。一方、該領域内のＡｌＮ粒子数があまり大きすぎるとＡｌＮ粒子のサイズが小さくなるため熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・ｋ未満になり易い。従って、好ましいＡｌＮ結晶粒子数は５以上１０以下となる。
【００２２】
次に、本発明では該領域内に入る粒界の総長さを１００μｍ以下にしている。
粒界の総長さが１００μｍを超えると粒界量が多すぎるため熱伝導率が低下し易い。一方、粒界の総長さが少ないと確かに熱伝導率は向上するが、ＡｌＮ結晶粒子の結合力が落ちるため脱粒が起き易くなってしまう。従って、該領域内における粒界の総長さの好ましい範囲は３０μｍ以上１００μｍ以下である。
【００２３】
このような構成を具備するＡｌＮ基板であれば表面研磨の際の脱粒を防ぎ、かつ熱伝導率を１８０Ｗ／ｍ・ｋ以上と高熱伝導率を為し得ることが可能である。
【００２４】
なお、本発明におけるＡｌＮ結晶粒子数および粒界の総長さの測定については、任意の一辺が１０μｍの正方形１００μｍ^２の領域を使用している。この領域については任意であることからＡｌＮ基板の表面または断面であっても特に問題はない。
【００２５】
また、本発明では、ＡｌＮ基板の表面粗さＲａが０．０５μｍのとき、任意の一辺が１００μｍの正方形１００００μｍ^２の領域内に存在する脱粒痕の数が１０個以下であることを特徴としている。ＡｌＮ基板にレーザダイオードなどのレーザ発振素子を搭載する際は、表面粗さＲａが０．０５μｍ以下程度まで鏡面加工された後、後述するように金属薄膜を設けた後ろう付けによりレーザダイオードを取付けることになる。このとき、レーザダイオード取付面に脱粒痕が１０個を超えて存在すると薄膜を均一な膜厚に形成し難く、剥離の原因となりやすい。
なお、本発明の脱粒痕とは、ＡｌＮ結晶粒子の脱粒並びに焼結助剤成分を主とする偏析粒子の脱粒した痕を含むものである。
【００２６】
本発明のＡｌＮ基板はレーザダイオードを搭載する際に、薄膜を介してＡｌＮ基板上に搭載する形態に好適である。この薄膜は、特に限定されるものではないが、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｕなどの金属成分もしくはこれら金属成分を含む合金からなる金属薄膜であることが望ましい。また、薄膜はスパッタ法、ＣＶＤ法、メッキ法など様々な方法で形成可能であり、膜厚についても１００μｍ以下で適宜選定可能である。
【００２７】
次に材料組成について説明する。ＡｌＮ基板の組成としては、ＡｌＮを主成分としていれば特に限定されるものではないが、焼結助剤としてイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）などの希土類化合物を８重量部以下、さらには５重量部以下含有させるものが好ましい。
【００２８】
その他の成分としては、遷移金属などの各種成分が適用可能であるが、例えば、Ｓｉ化合物を０．２重量部以下、さらには０．０５重量部以下含有させることが好ましい。Ｓｉ化合物としては酸化けい素（ＳｉＯ_２）、窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）など各種Ｓｉ化合物を使用可能であり、Ｓｉ単体で添加してもよい。また、Ｓｉ化合物はＡｌＮ原料粉末または焼結助剤の不純物をそのまま利用しても問題はない。このようなＳｉ化合物は粒界を強化する効果があるため脱粒をより防ぐことが可能となる。しかしながら、必要以上に含有させると熱伝導率の低下につながることから含有量は０．２重量部以下とする。
【００２９】
次に、製造方法について説明する。製造方法については特に限定されるものではないが、例えば次のような方法がある。
【００３０】
まず、比表面積が０．１〜０．３ｍ^２／ｇの粒径の揃ったＡｌＮ粉末を使用する。このとき、比表面積の大きさが前記範囲外であると、焼結後のＡｌＮ結晶粒子数を本発明の好ましい範囲である５〜１０にし難くなる。
【００３１】
このようなＡｌＮ粉末に、焼結助剤などを添加した後、混合、調合を行い、ドクターブレード法、プレス成形法、押出成形などの各種成形方法により所定の基板形状に成形する。
【００３２】
その後、窒素またはアルゴンなどの非酸化性雰囲気中で１８５０℃以下の温度で焼結する。必要に応じ、焼結後に１００℃／時間以下の徐冷を行うことが好ましい。この徐冷を行うことにより、粒界の強化を行うことができるため脱粒性の向上、いわゆる脱粒の起き難いＡｌＮ基板を製造し易くなる。
【００３３】
また、金属薄膜を設ける際には、ＡｌＮ基板の表面を表面粗さＲａが１μｍ以下に研磨した後、さらにＲａが０．１μｍ以下、好ましくは０．０５μｍ以下になるように鏡面加工を施すことが好ましい。
【００３４】
実施例（図１〜図８、表１）
以下、本発明のＡｌＮ基板について、図１〜図８および表１を用いて説明する。
【００３５】
本実施例においては、表１に示すように、焼結助剤として添加するイットリアの添加量および焼結条件を変化させて、試料Ｎｏ．１ないし試料Ｎｏ．６の窒化アルミニウム基板を作製した。
【００３６】
比表面積０．２７ｍ^２／ｇの窒化アルミニウム粉末に焼結助剤としてイットリア５重量部、と必要に応じＳｉＯ_２粉末を添加し、ボールミルで２４時間と共に、有機バインダ、可塑剤および有機溶媒を適量添加調合してスラリーを得た。その後、得られたスラリーを真空脱泡した後、ドクターブレード法を用いて厚さ０．８ｍｍのグリーンシートを得た。
【００３７】
このグリーンシートを高純度のＡｌＮからなるセッター上に配置し、５気圧の窒素ガス雰囲気中、１８３０℃の温度で１０時間焼結を行った。その後、１００℃／時間以下の徐冷を施して窒化アルミニウム基板を得た。これを試料Ｎｏ．１とした。
【００３８】
【表１】

【００３９】
また、試料Ｎｏ．２ないし試料Ｎｏ．４は、表１に示すように、イットリアおよびＳｉＯ_２の添加量、焼結条件および冷却条件を変化させて、上述した試料Ｎｏ．１と同様の手順を用いて窒化アルミニウム基板を作製したものである。なお、試料Ｎｏ．５および試料Ｎｏ．６は、イットリアの添加量および焼結条件を変えることにより、本発明の範囲外のＡｌＮ粒子数をもつ比較例の窒化アルミニウム基板、および本発明の好ましい範囲外のＡｌＮ粒子数をもつ参考例となる窒化アルミニウム基板としたものである。そして、各試料に対し、表面粗さＲａが０．０５μｍ以下となるよう表面研磨（鏡面加工）することにより実施例（試料Ｎｏ．１〜４）および比較例（試料Ｎｏ．５〜６）にかかるＡｌＮ基板（縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×板厚０．６３５ｍｍ）を作製した。
【００４０】
このようにして製造した試料Ｎｏ．１〜６にかかるＡｌＮ基板に対し、一辺が１０μｍの正方形１００μｍ^２の領域内のＡｌＮ結晶粒子数および粒界の総長さ、熱伝導率、脱粒性を測定した。
【００４１】
なお、ＡｌＮ結晶粒子数および粒界の総長さについては後述するＳＥＭを用いて測定し、熱伝導率についてはレーザーフラッシュ法により測定した。また、脱粒性については研磨面（薄膜形成面）について脱粒の有無を確認した。具体的には、任意の一辺が１００μｍの正方形１００００μｍ^２の領域を拡大写真にとり、その領域内に存在する脱粒痕の数（脱粒痕はＡｌＮ結晶粒子とは色が異なり、モノクロ写真の場合白色に写ることから見分けるのは容易である）をカウントし、脱粒痕が１０個以下のものを脱粒性「良好」、脱粒痕が２０個を超えたものを脱粒性「不良」、脱粒痕の数が１０を超えて２０未満の場合を「やや不良」と表示した。
【００４２】
窒化アルミニウム基板の熱伝導率は、表１に示すように、試料Ｎｏ．１は１８７Ｗ／（ｍ・ｋ）、試料Ｎｏ．２は１９２Ｗ／（ｍ・ｋ）、試料Ｎｏ．３は１９０Ｗ／（ｍ・ｋ）、試料Ｎｏ．４は１８５Ｗ／（ｍ・ｋ）であり、いずれも１８０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上と高熱伝導率であった。
【００４３】
そして、窒化アルミニウム基板の研磨面をＳＥＭによって観察した。その結果を図１〜図８に示す。なお、本実施形態では、研磨面の表面観察を行ったが、窒化アルミニウムの任意の断面について表面観察を行っても良い。
【００４４】
図１および図２は、試料Ｎｏ．１の窒化アルミニウム基板の研磨面の表面観察を行い、研磨面を拡大して示す図である。図１に示す研磨面の任意の２箇所を選び、一辺が１０μｍの面積１００μｍ^２の正方形領域内を測定領域とした。そして、この測定領域内に面積が５０％以上含まれる結晶粒子についてそれぞれ番号を付して結晶粒子数を測定した。その結果、結晶粒子数はいずれも９となっており、一辺が１０μｍの面積１００μｍ^２あたりの結晶粒子数が、本発明の範囲内の５以上であることが分かった。
【００４５】
図１に示す測定領域内は、面積が１００μｍ^２の正方形領域を拡大して示したものであり、実寸すると、１辺が３０ｍｍの面積９００ｍｍ^２の正方形となっている。この面積９００ｍｍ^２の範囲の粒界長さを実寸したところ、粒界の総長さは１７５ｍｍであった。そして、粒界の総長さを面積１００μｍ^２あたりに換算した結果、粒界の総長さは５８μｍであり、本発明の範囲内の１００μｍ以下であった。
【００４６】
図２は、図１よりも広い測定領域内で結晶粒子を観察したものであり、１辺が２０μｍの正方形を測定領域としたものである。この測定領域内に存在する結晶粒子数を測定した結果、結晶粒子数が２５、２７または２２となっており、いずれの場合も面積１００μｍ^２あたりに換算すると、結晶粒子数が５以上であった。
【００４７】
図３および図４は、試料Ｎｏ．２の窒化アルミニウム基板の研磨面の表面観察を行い、研磨面を拡大して示す図である。図１および図２と同様に、結晶粒子数および結晶粒界の総長さを測定した結果、１辺が１０μｍの正方形領域内の結晶粒子数は９または７、粒界総長さは５７μｍであり、本発明の範囲内であった。
図４は、１辺が２０μｍの正方形を測定領域としたものであり、結晶粒子数が３２であり、面積１００μｍ^２あたりに換算すると結晶粒子数が５以上であった。
【００４８】
また、図５および図６は、試料Ｎｏ．３の窒化アルミニウム基板の研磨面の表面観察を行い、この研磨面を拡大して示す図である。これらの図についても図１および図２と同様に結晶粒子数および粒界総長さを測定した結果、１辺が１０μｍ^２の正方形内の結晶粒子数は７となっており、本発明の範囲内であった。また、図６は、１辺が２０μｍの正方形を測定領域としたものであり、この測定領域内の結晶粒子数は２２であり、正方形の面積１００μｍ^２あたりに換算したところ、結晶粒子数は５以上であった。
【００４９】
さらに、図７および図８は、試料Ｎｏ．４の窒化アルミニウム基板の研磨面の表面観察を行い、研磨面を拡大して示す図である。これらの図についても同様に結晶粒子数および粒界総長さを測定した結果、面積１００μｍ^２あたりの結晶粒子数は９であり、本発明の範囲内であった。また、図８は、１辺が２０μｍの正方形を測定領域としたものであり、結晶粒子数は２２であり、正方形の面積１００μｍ^２あたりに換算したところ、結晶粒子数は５以上であった。
【００５０】
このような本実施例にかかるＡｌＮ基板は研磨面における単位面積（１００００μｍ^２）当りの脱粒痕が１０個以下と極めて脱粒性が良好であった。
【００５１】
それに対し、試料Ｎｏ．５は異常粒成長が確認され、所定領域におけるＡｌＮ結晶粒子数は３と本願の範囲外であったため脱粒性は「不良」であった。また、試料Ｎｏ．６は所定領域におけるＡｌＮ結晶粒子数が１５であり、脱粒性は「やや不良」であり、熱伝導率は１６５Ｗ／ｍ・ｋと熱伝導率の高いものは得られなかった。これは焼結助剤の量が多いため粒界の総量が増えたこと、さらには粒界に存在する焼結助剤を主成分とする偏析粒子の数が増えてしまったためであると考えられる。
【００５２】
次に、試料Ｎｏ．１ないし試料Ｎｏ．６の窒化アルミニウム基板表面にＮｉからなる薄膜をスパッタ法により形成した。そして、薄膜形成されたＡｌＮ基板をレーザダイオードの搭載用基板として適用し、レーザ発振の減衰率を測定した。
この結果を表１に示す。なお、レーザ発振の減衰率を測定する際、測定条件は、レーザダイオードの初期（稼動から３０分後）の発振波長（光周波数）を基準としたときのレーザダイオードを５時間連続稼動させたときの波長の変化率を測定したものである。
【００５３】
表１に示すように、実施例の試料Ｎｏ．１ないし試料Ｎｏ．４の窒化アルミニウム基板を適用した場合には、レーザ発振の減衰率が３〜８％であるのに対し、比較例の試料Ｎｏ．５および試料Ｎｏ．６はレーザ発振の減衰率が１２〜２０％となっており、本発明のＡｌＮ基板はレーザダイオード搭載用基板として適していることが判明した。言い換えると本発明のＡｌＮ基板を用いることによりレーザ発振減衰率が１０％以下と減衰率の小さなレーザーダイオード素子を提供することが可能となる。これは、本発明のＡｌＮ基板が熱伝導率が高く、かつ脱粒痕が少ないことから薄膜が均一に形成されダイオードに悪影響を与えないためであると言える。
【００５４】
本実施形態によれば、任意の一辺が１０μｍの正方形１００μｍ^２の領域内に存在する結晶粒子数を５以上、この面積中の粒界の総長さを１００μｍ以下と規定することにより、窒化アルミニウム基板の表面性状を改善して、レーザダイオードをはじめとする光通信機器関係、例えば半導体レーザー搭載用基板、マイクロ波集積回路用基板などに適したＡｌＮ基板を得ることができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＡｌＮ基板およびそれを用いたレーザーダイオード素子によれば、熱伝導率が高いだけでなく、研磨加工時の脱粒を防止して研磨性を向上できるため、基板および薄膜の密着強度を高め、その結果、レーザダイオード等の光通信機器用素子の歩留まりを向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における、試料Ｎｏ．１の窒化アルミニウム基板についての結晶粒の拡大写真を示す図。
【図２】本発明の実施形態における、試料Ｎｏ．１の窒化アルミニウム基板についての結晶粒の拡大写真を示す図。
【図３】本発明の実施形態における、試料Ｎｏ．２の窒化アルミニウム基板についての結晶粒の拡大写真を示す図。
【図４】本発明の実施形態における、試料Ｎｏ．２の窒化アルミニウム基板についての結晶粒の拡大写真を示す図。
【図５】本発明の実施形態における、試料Ｎｏ．３の窒化アルミニウム基板についての結晶粒の拡大写真を示す図。
【図６】本発明の実施形態における、試料Ｎｏ．３の窒化アルミニウム基板についての結晶粒の拡大写真を示す図。
【図７】本発明の実施形態における、試料Ｎｏ．４の窒化アルミニウム基板についての結晶粒の拡大写真を示す図。
【図８】本発明の実施形態における、試料Ｎｏ．４の窒化アルミニウム基板についての結晶粒の拡大写真を示す図。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an aluminum nitride (AlN) substrate and a laser diode element using the same, and in particular, improves the polishing processability of an aluminum nitride substrate.
[0002]
[Prior art]
Aluminum nitride has excellent properties such as high thermal conductivity, good electrical insulation, and almost the same thermal expansion coefficient as Si. For this reason, aluminum nitride substrates are widely applied as products in fields such as industrial power electronics and in-vehicle power electronics.
[0003]
In recent years, aluminum nitride substrates have begun to be widely used in the information and communication market and have been steadily mounted on exchanges, mobile devices, DVD devices and the like. In particular, when it is applied as an element substrate for DVD equipment or the like, it is necessary to form a thin film of Ti, Ni, Au or the like on the substrate surface.
[0004]
If the adhesion between the substrate and the thin film formed on the substrate surface is weak, there is a problem that the thin film is peeled off. Therefore, it is necessary to polish the substrate surface before forming the thin film.
However, when the polishing process of the substrate is poor during the polishing process, there are problems such as the occurrence of degranulation, and the production efficiency is lowered. Therefore, in order to prevent the substrate from degranulating and improve the polishing processability, it is required to make the crystal grain small and to eliminate the segregation of the sintering aid in the grain boundary and to strengthen the grain boundary.
[0005]
On the other hand, the AlN substrate is required to have a further excellent high thermal conductivity. For this reason, conventionally, in order to increase the thermal conductivity of the AlN substrate, a method of reducing the grain boundary as much as possible by using a small amount of sintering aid has been employed. Moreover, it is also necessary to eliminate impurity components other than the AlN crystal including the grain boundary as much as possible.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, if the amount of sintering aid added is very small, it is necessary to increase the sintering temperature remarkably. By increasing the sintering temperature, excessive grain growth and a decrease in grain boundary strength occur, and polishing is performed after sintering. When the film is formed, degranulation tends to occur, and when forming a thin film on the substrate surface, there is a problem that a stable thin film cannot be formed.
[0007]
On the other hand, the AlN substrate obtained as a result of liquid phase sintering requires an appropriate grain boundary layer phase component to improve its strength (including anti-granulation resistance to polishing). There has been a need for an aluminum nitride substrate that satisfies two conflicting events.
[0008]
The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to obtain an AlN substrate having high thermal conductivity and improved polishability and a laser diode element using the same. And
[0009]
[Means for Solving the Problems]
As a result of various studies to simultaneously solve the two conflicting problems of having high heat conductivity and pre-treatment for forming a good thin film and having good surface properties, the inventors have found that The inventors have found that it is effective to control the number of crystal grains occupying a unit area and the length of grain boundaries surrounding the crystal grains, and have achieved the present invention.
[0010]
That is, the AlN substrate according to claim 1 is an AlN substrate that is sintered by adding 8 parts by weight or less of yttria to 100 parts by weight of AlN powder having a specific surface area of 0.1 to 0.3 m ² / g, The AlN substrate has a polished surface with a surface roughness Ra of 0.05 μm or less , and the number of AlN crystal particles existing in an area of a square of 100 μm ² with an arbitrary side of 10 μm on the polished surface is 5 to 10 , 100μm is Ri der less 100μm total length of the grain boundaries that fall within the ^second region, in the polishing surface, the number of shedding marks any side is present in a square area 10000 ² 100μm is 10 or less, The thermal conductivity is 180 W / (m · k) or more .
[0011]
A second aspect of the present invention is the AlN substrate according to the first aspect, wherein the total length of grain boundaries entering the region of 100 μm ² is 30 to 100 μm .
[0014]
A third aspect of the present invention is the AlN substrate according to the first or second aspect, wherein a thin film is formed on the surface of the AlN substrate.
[0015]
According to the present invention, since it is difficult for grains to fall during polishing, the polishing processability is improved and the formation of a thin film on the surface of the AlN substrate is facilitated.
[0016]
The invention according to claim 4 is the AlN substrate according to any one of claims 1 to 3 , wherein the AlN substrate is applied as an element mounting substrate used in an optical communication device.
[0017]
A laser diode element according to a fifth aspect is characterized in that a laser diode is mounted on the AlN substrate according to the third aspect.
[0018]
According to the present invention, since the number of crystal grains per 100 μm ² square having a side of 10 μm is 5 or more and the total length of grain boundaries in this area is 100 μm or less, a thin film can be formed on the surface of the AlN substrate. Excellent performance of thin film substrates related to communication equipment including laser diodes can be obtained.
[0019]
A sixth aspect of the present invention is the laser diode element according to the fifth aspect, wherein the laser diode is mounted on the AlN substrate via a thin film.
[0020]
The invention of claim 7 wherein is a laser diode device according to

claim

5 or 6, wherein the attenuation factor of the laser oscillation is not more than 10%.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, in the present invention, in the AlN substrate, the number of AlN crystal particles existing in an arbitrary region of a square of 100 μm ² having a side of 10 μm is 5 or more. If this number is less than 5, that is, 4 or less, some of the AlN crystal grains are accompanied by excessive grain growth (abnormal grain growth). Although the AlN substrate accompanied by abnormal grain growth has high thermal conductivity, the AlN particles are larger than necessary, so that degranulation is likely to occur during surface polishing. On the other hand, if the number of AlN particles in the region is too large, the size of the AlN particles becomes small, so that the thermal conductivity tends to be less than 180 W / m · k. Therefore, the preferable number of AlN crystal particles is 5 or more and 10 or less.
[0022]
Next, in the present invention, the total length of the grain boundaries entering the region is set to 100 μm or less.
If the total length of the grain boundaries exceeds 100 μm, the amount of grain boundaries is too large and the thermal conductivity tends to decrease. On the other hand, when the total length of the grain boundary is small, the thermal conductivity is certainly improved, but since the binding force of the AlN crystal particles is reduced, degranulation is likely to occur. Therefore, a preferable range of the total length of the grain boundaries in the region is 30 μm or more and 100 μm or less.
[0023]
With an AlN substrate having such a structure, it is possible to prevent degranulation during surface polishing and to achieve a high thermal conductivity of 180 W / m · k or higher.
[0024]
In addition, about the measurement of the number of AlN crystal grains and the total length of a grain boundary in the present invention, a square 100 μm ² region having an arbitrary side of 10 μm is used. Since this region is arbitrary, there is no particular problem even if it is the surface or cross section of the AlN substrate.
[0025]
In the present invention, when the surface roughness Ra of the AlN substrate is 0.05 μm, the number of shed grains present in a region of a square of 10,000 μm ² having an arbitrary side of 100 μm is 10 or less. . When a laser oscillation element such as a laser diode is mounted on an AlN substrate, the surface roughness Ra is mirror-finished to about 0.05 μm or less, and then a laser diode is attached by brazing after providing a metal thin film as will be described later. It will be. At this time, if there are more than 10 degranulation traces on the laser diode mounting surface, it is difficult to form a thin film with a uniform film thickness, which tends to cause peeling.
In addition, the degranulation trace of this invention includes the degranulation of the segregation particle | grains which mainly degranulated the AlN crystal particle and the sintering auxiliary agent component.
[0026]
The AlN substrate of the present invention is suitable for mounting on a AlN substrate via a thin film when mounting a laser diode. Although this thin film is not specifically limited, It is desirable that it is a metal thin film which consists of metal components, such as Ti, Ni, Au, Cu, or the alloy containing these metal components. Further, the thin film can be formed by various methods such as sputtering, CVD, plating, etc., and the film thickness can be appropriately selected at 100 μm or less.
[0027]
Next, the material composition will be described. The composition of the AlN substrate is not particularly limited as long as it is mainly composed of AlN, but a rare earth compound such as yttria (Y ₂ O ₃ ) as a sintering aid is 8 parts by weight or less, and further 5 parts by weight. What is contained below is preferable.
[0028]
As other components, various components such as transition metals can be applied. For example, the Si compound is preferably contained in an amount of 0.2 parts by weight or less, and more preferably 0.05 parts by weight or less. As the Si compound, various Si compounds such as silicon oxide (SiO ₂ ) and silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) can be used, and Si may be added alone. Moreover, there is no problem even if the Si compound uses the impurities of the AlN raw material powder or the sintering aid as they are. Such a Si compound has an effect of strengthening the grain boundary, so that it is possible to further prevent degranulation. However, if it is contained more than necessary, the thermal conductivity is lowered, so the content is 0.2 parts by weight or less.
[0029]
Next, a manufacturing method will be described. The manufacturing method is not particularly limited, but for example, there is the following method.
[0030]
First, an AlN powder having a uniform particle size with a specific surface area of 0.1 to 0.3 m ² / g is used. At this time, when the size of the specific surface area is out of the above range, the number of AlN crystal particles after sintering becomes difficult to be 5 to 10 which is a preferable range of the present invention.
[0031]
After adding a sintering aid or the like to such AlN powder, mixing and blending are performed, and a predetermined substrate shape is formed by various forming methods such as a doctor blade method, a press forming method, and an extrusion forming method.
[0032]
Thereafter, sintering is performed at a temperature of 1850 ° C. or less in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen or argon. If necessary, it is preferable to perform slow cooling at 100 ° C./hour or less after sintering. By performing this slow cooling, the grain boundary can be strengthened, so that it becomes easy to produce an AlN substrate that is improved in grain removal, that is, so-called grain breakage hardly occurs.
[0033]
In addition, when the metal thin film is provided, the surface of the AlN substrate is polished to a surface roughness Ra of 1 μm or less, and then mirror-finished so that Ra is 0.1 μm or less, preferably 0.05 μm or less. Is preferred.
[0034]
Example (FIGS. 1-8, Table 1)
Hereinafter, the AlN substrate of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 8 and Table 1. FIG.
[0035]
In this example, as shown in Table 1, the amount of yttria added as a sintering aid and the sintering conditions were changed, and the sample No. 1 to sample no. 6 aluminum nitride substrates were produced.
[0036]
Add 5 parts by weight of yttria as a sintering aid to the aluminum nitride powder with a specific surface area of 0.27 m ² / g, and if necessary, add SiO ₂ powder, and use an appropriate amount of organic binder, plasticizer and organic solvent over 24 hours in a ball mill. Addition and blending were performed to obtain a slurry. Thereafter, the obtained slurry was vacuum degassed, and then a green sheet having a thickness of 0.8 mm was obtained using a doctor blade method.
[0037]
This green sheet was placed on a setter made of high-purity AlN, and sintered in a nitrogen gas atmosphere at 5 atm at a temperature of 1830 ° C. for 10 hours. Thereafter, annealing was performed at 100 ° C./hour or less to obtain an aluminum nitride substrate. This is designated as Sample No. It was set to 1.
[0038]
[Table 1]

[0039]
Sample No. 2 to Sample No. 4, as shown in Table 1, the addition amount of yttria and SiO _2, by changing the sintering conditions and cooling conditions, the samples described above No. 1 is an aluminum nitride substrate produced using the same procedure as in No. 1. Sample No. 5 and sample no. 6 is a comparative example of an aluminum nitride substrate having an AlN particle number outside the range of the present invention, and a reference example having an AlN particle number outside the preferred range of the present invention by changing the amount of yttria added and the sintering conditions. This is an aluminum nitride substrate. Then, for each sample, surface polishing (mirror finishing) is performed so that the surface roughness Ra is 0.05 μm or less, whereby Examples (Sample Nos. 1 to 4) and Comparative Examples (Sample Nos. 5 to 6) are obtained. Such an AlN substrate (length 10 mm × width 10 mm × plate thickness 0.635 mm) was produced.
[0040]
Sample No. manufactured in this way The number of AlN crystal grains, the total length of grain boundaries, the thermal conductivity, and the degranulation properties in the area of 100 μm ² square having a side of 10 μm were measured for the AlN substrates of 1-6.
[0041]
The number of AlN crystal grains and the total length of the grain boundaries were measured using an SEM described later, and the thermal conductivity was measured by a laser flash method. Moreover, about the grain-removing property, the presence or absence of grain-breaking was confirmed about the grinding | polishing surface (thin film formation surface). Specifically, an area of a square of 10000 μm ² having an arbitrary side of 100 μm is taken in an enlarged photograph, and the number of shed grains existing in the area (the shed grains are different in color from the AlN crystal particles, and in the case of a monochrome photograph, it is white. It is easy to tell from the image)), and the number of degranulation marks is less than 10 and the number of degranulation marks is “good”. The case where it exceeded 10 and less than 20 was indicated as “somewhat bad”.
[0042]
As shown in Table 1, the thermal conductivity of the aluminum nitride substrate is shown in Sample No. 1 is 187 W / (m · k), sample no. 2 is 192 W / (m · k), sample no. 3 is 190 W / (m · k). No. 4 was 185 W / (m · k), and all had high thermal conductivity of 180 W / (m · k) or more.
[0043]
Then, the polished surface of the aluminum nitride substrate was observed by SEM. The results are shown in FIGS. In this embodiment, the surface of the polished surface is observed. However, the surface of any cross section of aluminum nitride may be observed.
[0044]
1 and FIG. It is a figure which observes the surface of the grinding | polishing surface of 1 aluminum nitride board | substrate, and expands and shows a grinding | polishing surface. Two arbitrary locations on the polished surface shown in FIG. 1 were selected, and a measurement area was defined as a square area having an area of 100 μm ^{2 with} a side of 10 μm. And the number was attached | subjected about the crystal particle which an area is contained in this measurement area | region 50% or more, and the number of crystal particles was measured. As a result, it was found that the number of crystal particles was 9 and the number of crystal particles per 100 μm ² area having a side of 10 μm was 5 or more within the scope of the present invention.
[0045]
The measurement region shown in FIG. 1 is an enlarged view of a square region having an area of 100 μm ² , and when actually measured, is a square having an area of 900 mm ² with one side being 30 mm. When the grain boundary length in the area of 900 mm ² was actually measured, the total grain boundary length was 175 mm. Then, as a result of converting the total length of the grain boundary per area of 100 μm ² , the total length of the grain boundary was 58 μm, which was 100 μm or less within the range of the present invention.
[0046]
FIG. 2 shows a crystal particle observed in a measurement area wider than that in FIG. 1, and a square having a side of 20 μm is used as the measurement area. As a result of measuring the number of crystal grains existing in this measurement region, the number of crystal grains was 25, 27, or 22, and in any case, the number of crystal grains was 5 or more when converted per area of 100 μm ² . .
[0047]
3 and FIG. It is a figure which observes the surface of the grinding | polishing surface of the aluminum nitride board | substrate of 2, and expands and shows a grinding | polishing surface. As in FIG. 1 and FIG. 2, the number of crystal grains and the total length of the crystal grain boundaries were measured. As a result, the number of crystal grains in a square region with one side of 10 μm was 9 or 7, and the total grain boundary length was 57 μm. It was within the scope of the present invention.
In FIG. 4, a square having a side of 20 μm is used as a measurement region, the number of crystal particles is 32, and the number of crystal particles is 5 or more when converted per area of 100 μm ² .
[0048]
5 and 6 show sample Nos. FIG. 3 is a view showing an enlarged surface of a polished surface of an aluminum nitride substrate of FIG. 1 and 2, the number of crystal grains and the total length of the grain boundary were measured. As a result, the number of crystal grains in a square having a side of 10 μm ² was 7, which was within the scope of the present invention. Met. In addition, FIG. 6 shows a square having a side of 20 μm as a measurement region. The number of crystal particles in the measurement region is 22, and the number of crystal particles is 5 when converted per square area of 100 μm ^2. That was all.
[0049]
Further, FIG. 7 and FIG. FIG. 4 is a view showing an enlarged polished surface by observing the polished surface of an aluminum nitride substrate of No. 4; As for these figures, the number of crystal grains and the total length of grain boundaries were measured in the same manner. As a result, the number of crystal grains per 100 μm ² area was 9, which was within the scope of the present invention. Further, FIG. 8 shows a square having a side of 20 μm as a measurement region, the number of crystal particles is 22, and the number of crystal particles is 5 or more when converted per square area of 100 μm ² .
[0050]
Such an AlN substrate according to this example had extremely good degranulating properties with 10 or less degranulation traces per unit area (10000 μm ² ) on the polished surface.
[0051]
In contrast, sample no. In No. 5, abnormal grain growth was confirmed, and the number of AlN crystal grains in the predetermined region was 3, which was outside the scope of the present application. Sample No. No. 6 had 15 AlN crystal grains in a predetermined region, the grain removal property was “slightly poor”, and a thermal conductivity of 165 W / m · k and a high thermal conductivity could not be obtained. This is thought to be because the total amount of grain boundaries has increased due to the large amount of sintering aid, and the number of segregated particles whose main component is sintering aid present at the grain boundaries has increased. .
[0052]
Next, sample No. 1 to sample no. A thin film made of Ni was formed on the surface of the aluminum nitride substrate 6 by sputtering. The thin film formed AlN substrate was applied as a laser diode mounting substrate, and the laser oscillation attenuation rate was measured.
The results are shown in Table 1. When measuring the attenuation rate of laser oscillation, the measurement condition is that when the laser diode is operated continuously for 5 hours with reference to the oscillation wavelength (optical frequency) at the initial stage (30 minutes after operation) of the laser diode. The rate of change of the wavelength of is measured.
[0053]
As shown in Table 1, sample No. 1 to sample no. When the aluminum nitride substrate of No. 4 is applied, the laser oscillation attenuation rate is 3 to 8%, whereas the sample No. of the comparative example. 5 and sample no. No. 6 has a laser oscillation attenuation rate of 12 to 20%, and it has been found that the AlN substrate of the present invention is suitable as a laser diode mounting substrate. In other words, by using the AlN substrate of the present invention, it is possible to provide a laser diode element having a low laser oscillation attenuation rate of 10% or less. This can be said to be because the AlN substrate of the present invention has a high thermal conductivity and few degranulation traces, so that a thin film is uniformly formed and does not adversely affect the diode.
[0054]
According to the present embodiment, by defining the number of crystal grains existing in an area of a square of 100 μm ² having an arbitrary side of 10 μm as 5 or more and the total length of grain boundaries in this area as 100 μm or less, the aluminum nitride substrate Thus, an AlN substrate suitable for optical communication equipment such as a laser diode, for example, a substrate for mounting a semiconductor laser, a substrate for a microwave integrated circuit, or the like can be obtained.
[0055]
【The invention's effect】
As described above, according to the AlN substrate of the present invention and the laser diode element using the same, not only the thermal conductivity is high, but also the substrate and The adhesion strength of the thin film can be increased, and as a result, the yield of optical communication equipment elements such as laser diodes can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a sample No. in an embodiment of the present invention. The figure which shows the enlarged photograph of the crystal grain about 1 aluminum nitride board | substrate.
FIG. 2 shows a sample No. in the embodiment of the present invention. The figure which shows the enlarged photograph of the crystal grain about 1 aluminum nitride board | substrate.
FIG. 3 shows a sample No. in the embodiment of the present invention. The figure which shows the enlarged photograph of the crystal grain about 2 aluminum nitride board | substrates.
4 shows a sample No. in the embodiment of the present invention. The figure which shows the enlarged photograph of the crystal grain about 2 aluminum nitride board | substrates.
FIG. 5 shows a sample No. in the embodiment of the present invention. The figure which shows the enlarged photograph of the crystal grain about 3 aluminum nitride board | substrates.
6 shows a sample No. in the embodiment of the present invention. The figure which shows the enlarged photograph of the crystal grain about 3 aluminum nitride board | substrates.
7 shows a sample No. in an embodiment of the present invention. The figure which shows the enlarged photograph of the crystal grain about 4 aluminum nitride board | substrates.
8 shows a sample No. in the embodiment of the present invention. The figure which shows the enlarged photograph of the crystal grain about 4 aluminum nitride board | substrates.

Claims

An AlN substrate sintered by adding 8 parts by weight or less of yttria to 100 parts by weight of AlN powder having a specific surface area of 0.1 to 0.3 m ² / g,
The AlN substrate has a polished surface with a surface roughness Ra of 0.05 μm or less,
In the polished surface, the number of AlN crystal particles present in a region of a square 100 μm ² having an arbitrary side of 10 μm is 5 to 10 ,
Ri Der is 100 [mu] m or less total length of the grain boundaries entering the 100 [mu] m ² of area,
In the polished surface, the number of shed grains present in an area of a square of 10000 μm ² having an arbitrary side of 100 μm is 10 or less,
An AlN substrate having a thermal conductivity of 180 W / (m · k) or more .

100 μm ^２2 2. The AlN substrate according to claim 1, wherein the total length of grain boundaries entering the region is 30 to 100 μm.

AlN substrate according to claim 1 or 2, characterized in that the thin film is formed on the AlN substrate surface.

The AlN substrate according to any one of claims 1 to 3 , wherein the AlN substrate is applied as an element mounting substrate used in an optical communication device.

A laser diode element comprising a laser diode mounted on the AlN substrate according to claim 3 .

6. The laser diode element according to claim 5 , wherein a laser diode is mounted on the AlN substrate via a thin film.

The laser diode element according to claim 5 or 6 , wherein an attenuation rate of laser oscillation is 10% or less.