JP5428520B2 - Ｌｅｄ素子およびｌｅｄ素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ＬＥＤ素子およびＬＥＤ素子の製造方法に関する。
近年、たとえば、液晶テレビ、パーソナルコンピュータのディスプレイ、携帯電話機、カーナビゲーションおよびＰＤＡ（Personal Digital Assistant）等において、画像を表示するための液晶ディスプレイが広く採用されている。
この液晶ディスプレイには、液晶表示パネルの裏面側から光を照射して表示画面の輝度を高めるためのバックライトが採用されている。
液晶ディスプレイのバックライトとしては、従来から、冷陰極管（ＣＣＦＬ：Cold Cathode Fluorescent Lamp）などの蛍光管を利用したバックライトが用いられてきたが、現在ではその代替品として、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子を利用したバックライトが注目されている。
ＣＣＦＬなどの蛍光管を利用したバックライトにおいては、バックライトを点灯する際に高い電圧を必要とするとともに、蛍光管の点灯および消灯を頻繁に繰り返した場合にはその寿命が短くなるという問題があった。
一方、ＬＥＤ素子を利用したバックライトにおいては、ＣＣＦＬなどの蛍光管を利用したバックライトと比べて、低電圧で駆動させることができ、消費電力が少なく、寿命が長くなるなどの優れた特性が期待できる。
特に、光の３原色（赤色、緑色および青色）のＬＥＤ素子を利用したバックライトにおいては、光の３原色に近い波長から白色光を得るため、ＣＣＦＬなどの蛍光管を利用したバックライトと比べて色の自由度が高まるという特性を得ることができるとされている。
上記のＬＥＤ素子は発光する際に発熱するため、その熱を外部に放熱するためのヒートシンク（放熱基板）を別に準備して、ＬＥＤ素子にヒートシンクを共晶半田で貼り合わせることが行なわれている（たとえば、非特許文献１参照）。
坂東 完治，「わが社のＬＥＤの高効率化・高性能化技術」，月刊ディスプレイ，２００５年２月号，ｐ．５１〜ｐ．５７
しかしながら、非特許文献１に記載された方法においては、ＬＥＤ素子とヒートシンクとを共晶半田で貼り合わせているが、共晶半田の厚みとしては一般的に数百μｍ程度の厚みが必要であるため、共晶半田自体が熱抵抗となってしまい、ＬＥＤ素子において発生した熱が効率的にヒートシンクを通して外部に放出されないという問題があった。
また、非特許文献１に記載された方法においては、共晶半田の濡れ性を確保するために、ＬＥＤ素子の表面やヒートシンクの表面にめっきなどが必要となることから、製造コストが高くなるという問題もあった。
さらに、上記の問題はＬＥＤ素子に限られる問題ではなく、ＬＥＤ素子を含む半導体デバイス全体の問題でもあった。
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、熱を効率的に外部に放出することができるとともに、製造コストを抑えることができるＬＥＤ素子およびＬＥＤ素子の製造方法を提供することにある。
本発明は、ＬＥＤ構造体と、ＬＥＤ構造体上に設置されたヒートシンクとを備え、ヒートシンクは、高熱伝導率層と低熱膨張率層と高熱伝導率層とがこの順序で積層された積層構造体、または低熱膨張率層と高熱伝導率層と低熱膨張率層とがこの順序で積層された積層構造体を含み、高熱伝導率層の熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、低熱膨張率層の線膨張率が８×１０-6（１／Ｋ）以下であって、積層構造体の厚み方向の中央部から上方の部分と積層構造体の厚み方向の中央部から下方の部分とが積層構造体の厚み方向の中央部に関して対称となっており、ＬＥＤ構造体とヒートシンクとの間にＬＥＤ構造体およびヒートシンクのそれぞれに接する導電層を備え、導電層は、金、銀、銅およびニッケルからなる群から選択される１種からなるＬＥＤ素子である。
また、本発明は、上記のＬＥＤ素子を製造する方法であって、ＬＥＤ構造体上に導電層を形成する工程と、導電層上に高熱伝導率層を形成する工程と、高熱伝導率層上に低熱膨張率層を形成する工程と、低熱膨張率層上に高熱伝導率層を形成する工程とを含む半導体デバイスの製造方法である。
また、本発明は、上記のＬＥＤ素子を製造する方法であって、ＬＥＤ構造体上に導電層を形成する工程と、導電層上に低熱膨張率層を形成する工程と、低熱膨張率層上に高熱伝導率層を形成する工程と、高熱伝導率層上に低熱膨張率層を形成する工程とを含むＬＥＤ素子の製造方法である。
また、本発明のＬＥＤ素子の製造方法においては、高熱伝導率層および低熱膨張率層の少なくとも１層を溶融塩浴の電解により形成することが好ましい。
本発明によれば、熱を効率的に外部に放出することができるとともに、製造コストを抑えることができるＬＥＤ素子およびＬＥＤ素子の製造方法を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
＜半導体デバイスの構成＞
図１に、本発明の半導体デバイスの一例であるＬＥＤ素子の一例の模式的な断面図を示す。ここで、図１に示すＬＥＤ素子は、ヒートシンク１と、ヒートシンク１上に設置されたＬＥＤ構造体１０とを備えており、ヒートシンク１とＬＥＤ構造体１０とは導電層２１によって接合された構成を有している。
図１に、本発明の半導体デバイスの一例であるＬＥＤ素子の一例の模式的な断面図を示す。ここで、図１に示すＬＥＤ素子は、ヒートシンク１と、ヒートシンク１上に設置されたＬＥＤ構造体１０とを備えており、ヒートシンク１とＬＥＤ構造体１０とは導電層２１によって接合された構成を有している。
ここで、ヒートシンク１は、高熱伝導率層２と低熱膨張率層３と高熱伝導率層２とがこの順序で積層された積層構造体から構成されている。
また、ＬＥＤ構造体１０は、半導体基板１４と、半導体基板１４上に設置されたｎ型半導体層１３と、ｎ型半導体層１３上に設置された活性層１２と、活性層１２上に設置されたｐ型半導体層１１と、ｐ型半導体層１１上に設置された半透明電極１７と、半透明電極１７上に設置されたｐ電極１５と、ｎ型半導体層１３上に設置されたｎ電極１６とを備えている。
ヒートシンク１を構成する高熱伝導率層２としては、２５℃における熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の層を用いることが好ましい。高熱伝導率層２として、２５℃における熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の層を用いた場合には、ＬＥＤ構造体１０で発生した熱をヒートシンク１を通して効率的に外部に放出することができる傾向が大きくなるためである。
なかでも、ヒートシンク１の放熱性を高くする観点からは、高熱伝導率層２としては、銅、アルミニウム、銀、金およびダイヤモンドからなる群から選択された少なくとも１種を含む層を用いることが好ましく、なかでも銅またはアルミニウムのいずれかの単層を用いることがより好ましい。
また、ヒートシンク１を構成する低熱膨張率層３としては、線膨張率が８×１０-6（１／Ｋ）以下の層を用いることが好ましい。低熱膨張率層３として、線膨張率が８×１０-6（１／Ｋ）以下の層を用いた場合には、ＬＥＤ構造体１０で発生した熱によるヒートシンク１の変形を抑制することができる傾向が大きくなる。
なかでも、ヒートシンク１の熱による変形を抑える観点からは、低熱膨張率層３としては、モリブデン、タングステン、ニッケルおよび鉄からなる群から選択された少なくとも一方を含む層を用いることが好ましく、なかでもモリブデン若しくはタングステンのいずれか、またはニッケル−タングステン合金若しくはニッケル−鉄合金のいずれかの単層を用いることがより好ましい。
また、ヒートシンク１の反りを抑制するため、ヒートシンク１を構成する積層構造体の厚み方向の中央部（この例では、低熱膨張率層３の厚さｈ2の１／２の部分）から上方の部分と積層構造体の厚み方向の中央部から下方の部分とが積層構造体の厚み方向の中央部に関して対称となっている。なお、対称とは、ヒートシンクを構成する積層構造体の厚み方向の中央部から上端面までを鉛直方向の上方に進む場合に現れる層の材質と厚さとが、ヒートシンクを構成する積層構造体の厚み方向の中央部から下端面までを鉛直方向の下方に進む場合と同等程度（対応する層の厚さの差の絶対値が５μｍ以下）であることを意味する。
また、低熱膨張率層３の厚さｈ2は、高熱伝導率層２の厚さｈ1よりも厚くなっていることが好ましい。低熱膨張率層３の厚さｈ2を高熱伝導率層２の厚さｈ1よりも厚くすることによって、熱の放熱性に優れる特性と熱による変形を抑制できる特性とをともに高いレベルで兼ね備えたヒートシンク１を得ることができる傾向が大きくなる。
また、ヒートシンク１の全体の厚さ（この例では、高熱伝導率層２の厚さｈ1と低熱膨張率層３の厚さｈ2と高熱伝導率層２の厚さｈ1との総和）は０．２ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ以下であることがより好ましい。ヒートシンク１の全体の厚さが０．２ｍｍ以下である場合、特に０．１ｍｍ以下である場合には、材料コストを低減することができるとともに、その薄さによりヒートシンク１の切断などの加工性も向上するために非常に有用な効果が得られる傾向が大きくなる。
また、高熱伝導率層２の厚さｈ1と低熱膨張率層３の厚さｈ2とは、以下の関係式（１）を満たすことが好ましい。
５≦１００×（ｈ1）／（ｈ1＋ｈ2）≦７０ …（１）
高熱伝導率層２の厚さｈ1と低熱膨張率層３の厚さｈ2とが上記の関係式（１）を満たす場合には、熱の放熱性に優れる特性と熱による変形を抑制できる特性とをともに高いレベルで兼ね備えたヒートシンク１を得ることができる傾向が大きくなる。
高熱伝導率層２の厚さｈ1と低熱膨張率層３の厚さｈ2とが上記の関係式（１）を満たす場合には、熱の放熱性に優れる特性と熱による変形を抑制できる特性とをともに高いレベルで兼ね備えたヒートシンク１を得ることができる傾向が大きくなる。
また、導電層２１としては、共晶半田よりも熱伝導率が高い導電性の物質からなる層を用いることができ、たとえば、電気抵抗が低く、熱伝導率が高く、かつ酸化しにくい金属を用いることが好ましく、なかでも、金、銀、銅およびニッケルからなる群から選択された少なくとも１種を含む層を用いることがより好ましい。
ここで、導電層２１の厚さｈ3は、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることが好ましい。導電層２１の厚さｈ3が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である場合には、後工程において、製品を切断する際の加工コストを抑えることができる。
＜半導体デバイスの製造方法＞
以下、図２〜図９を参照して、図１に示す構成のＬＥＤ素子の製造方法の一例について説明する。
以下、図２〜図９を参照して、図１に示す構成のＬＥＤ素子の製造方法の一例について説明する。
まず、図２の模式的断面図に示すように、半導体基板１４の表面上に導電層２１を形成する。ここで、導電層２１は、たとえば、スパッタ法、無電解めっき、蒸着または導電性物質の塗布などにより形成することができる。
次に、図３の模式的断面図に示すように、導電層２１の表面上に高熱伝導率層２を形成する。ここで、高熱伝導率層２は、たとえば以下のようにして形成することができる。
まず、図７の模式的な構成図に示すように、導電層２１の形成後の半導体基板１４および対向電極６をそれぞれ、容器７に収容された電気めっき液９中に浸漬させる。ここで、対向電極６としては、導電性の電極であれば特に限定なく用いることができ、たとえば、金属からなる電極などを用いることができる。
そして、導電層２１を陰極にするとともに、対向電極６を陽極として、導電層２１と対向電極６との間に電圧を印加することによって電気めっき液９を電解して、電気めっき液９中の高熱伝導率層２を構成する金属を導電層２１の表面上に堆積させる。これにより、導電層２１の表面上に高熱伝導率層２を形成することができる。
ここで、電気めっき液９としては、高熱伝導率層２を構成する金属原子を含んでおり、高熱伝導率層２を構成する金属を電気めっき液９の電解により析出させることができるものであれば特に限定はされないが、たとえば高熱伝導率層２が銅から構成される場合には、電気めっき液９としてたとえば市販の硫酸銅めっき液などを用いることができる。
また、高熱伝導率層２の形成後の半導体基板１４は電気めっき液９から取り出され、たとえばイオン交換水などによって高熱伝導率層２に付着している電気めっき液９が洗って除去されるとともに、その後、たとえば所定の酸で洗うことによって、高熱伝導率層２の表面に形成された酸化膜を除去することができる。
次に、図４の模式的断面図に示すように、高熱伝導率層２の表面上に低熱膨張率層３を形成する。ここで、低熱膨張率層３は、たとえば以下のようにして形成することができる。
まず、図８の模式的構成図に示すように、低熱膨張率層３を構成する金属原子を含む溶融塩浴８を容器７に収容する。
なお、溶融塩浴８としては、低熱膨張率層３を構成する金属原子を含んでおり、低熱膨張率層３を構成する金属を溶融塩浴８の電解により析出することができるものであれば特に限定はされないが、低熱膨張率層３がたとえばタングステンから構成される場合の溶融塩浴８の好ましい構成については後述する。
次に、容器７に収容された溶融塩浴８中に、上記の高熱伝導率層２の形成後の半導体基板１４および対向電極６をそれぞれ浸漬させる。
次に、導電層２１を陰極にするとともに、対向電極６を陽極として、導電層２１と対向電極６との間に電圧を印加して溶融塩浴８を電解することによって、溶融塩浴８中の低熱膨張率層３を構成する金属が高熱伝導率層２の表面上に堆積して低熱膨張率層３を形成する。
そして、低熱膨張率層３の形成後の半導体基板１４が溶融塩浴８から取り出され、たとえばイオン交換水などによって低熱膨張率層３に付着している溶融塩浴８が洗われて除去されるとともに、その後、たとえば所定の酸で洗うことによって、低熱膨張率層３の表面に形成された酸化膜を除去する。
次に、図５の模式的断面図に示すように、低熱膨張率層３の表面上に高熱伝導率層２を形成する。ここで、高熱伝導率層２は、たとえば以下のようにして形成することができる。
まず、図９の模式的な構成図に示すように、低熱膨張率層３の形成後の半導体基板１４および対向電極６をそれぞれ、容器７に収容された電気めっき液９中に浸漬させる。
次に、導電層２１を陰極にするとともに、対向電極６を陽極として、導電層２１と対向電極６との間に電圧を印加することによって電気めっき液９を電解して、電気めっき液９中の高熱伝導率層２を構成する金属を低熱膨張率層３の表面上に堆積させる。以上により、低熱膨張率層３の表面上に高熱伝導率層２を形成することができる。
そして、高熱伝導率層２の形成後の半導体基板１４は電気めっき液９から取り出され、たとえばイオン交換水などによって高熱伝導率層２に付着している電気めっき液９が洗って除去されるとともに、その後、たとえば所定の酸で洗うことによって、高熱伝導率層２の表面に形成された酸化膜を除去することができる。
次に、上記のようにしてヒートシンク１を形成した後の半導体基板１４をたとえばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置内にセットした後に、たとえば図６の模式的断面図に示すように、ヒートシンク１の形成側とは反対側の半導体基板１４の表面上に、ｎ型半導体層１３、活性層１２およびｐ型半導体層１１をこの順序でたとえばＭＯＣＶＤ法などによりエピタキシャル成長させる。
その後、ｎ型半導体層１３、活性層１２およびｐ型半導体層１１の一部をたとえばフォトエッチングなどにより除去した後に、たとえばリフトオフ法などを利用して、ｐ型半導体層１１上に半透明電極１７およびｐ電極１５を形成するとともに、ｎ型半導体層１３上にｎ電極１６を形成する。
そして、たとえば円形回転刃などによって、上記のｐ電極１５およびｎ電極１６の形成後の半導体基板１４を切断することによって、図１に示す模式的な断面を有する個々のＬＥＤ素子に分割する。以上により、図１に示す構成のＬＥＤ素子を得ることができる。
＜作用＞
以上のように、本発明においては、従来のように数百μｍ程度の厚さの共晶半田を用いてヒートシンク１とＬＥＤ構造体１０とを接合する必要がないことから、ＬＥＤ素子の表面やヒートシンクの表面にめっきなどの処理を行なう必要がなく、製造コストを抑えることができるとともに、共晶半田による熱抵抗が存在しないことから熱を効率的に外部に放出することができる。
以上のように、本発明においては、従来のように数百μｍ程度の厚さの共晶半田を用いてヒートシンク１とＬＥＤ構造体１０とを接合する必要がないことから、ＬＥＤ素子の表面やヒートシンクの表面にめっきなどの処理を行なう必要がなく、製造コストを抑えることができるとともに、共晶半田による熱抵抗が存在しないことから熱を効率的に外部に放出することができる。
また、本発明においては、ヒートシンク１を構成する積層構造体の厚み方向の中央部から上方の部分と積層構造体の厚み方向の中央部から下方の部分とが積層構造体の厚み方向の中央部に関して対称となっていることから、ヒートシンク１に反りが発生するのを抑制することができる。これにより、ヒートシンク１に反りが発生することによって、ヒートシンク１が半導体基板１４から剥離する等の問題の発生を回避することができ、製造歩留まりが向上し、半導体デバイスの製造コストを低減することができる。
また、本発明においては、従来よりも大幅に厚さを低減したヒートシンクを形成することができることから、ヒートシンク１の材料コストを低減できるとともに、ＬＥＤ素子への分割の際におけるヒートシンク１の切断が容易であるため、加工性が向上する。さらには、ヒートシンク１を非常に薄く形成することによって、ＬＥＤ素子の厚みも低減することができる。
＜その他の形態＞
なお、ヒートシンク１は、上記の構成に限定されないことは言うまでもなく、高熱伝導率層２と低熱膨張率層３と高熱伝導率層２とがこの順序で積層された積層構造体を含むもの、または低熱膨張率層３と高熱伝導率層２と低熱膨張率層３とがこの順序で積層された積層構造体を含むものであれば特には限定されない。
なお、ヒートシンク１は、上記の構成に限定されないことは言うまでもなく、高熱伝導率層２と低熱膨張率層３と高熱伝導率層２とがこの順序で積層された積層構造体を含むもの、または低熱膨張率層３と高熱伝導率層２と低熱膨張率層３とがこの順序で積層された積層構造体を含むものであれば特には限定されない。
また、ヒートシンク１は、上記の３層の構造に限定されるものではなく、たとえば５層などの３層以外の構造であってもよい。
また、ヒートシンク１の好ましい構成としては、たとえば図１に示すように、高熱伝導率層２と低熱膨張率層３と高熱伝導率層２とがこの順序で積層された３層構造の積層構造体であって、高熱伝導率層２が銅からなる層であるとともに、低熱膨張率層３がタングステンからなる層である構成が挙げられる。このような構成とすることによって、熱の放熱性に優れる特性と熱による変形を抑制できる特性とをともに高いレベルで兼ね備えたヒートシンク１を得ることができる傾向がさらに大きくなる。
また、上記において、ＬＥＤ構造体１０は、ｐ型半導体層１１とｎ型半導体層１３と活性層１２とを含み、ｐ型半導体層１１とｎ型半導体層１３との間に活性層１２が設置されており、電流の注入により活性層１２から発光する構造であれば特に限定なく用いることができ、たとえば、従来から公知のＬＥＤ構造体を用いることができる。
たとえば、図１に示す構成のＬＥＤ素子のｎ電極１６を陰極とし、ｐ電極１５を陽極として、ｐ電極１５とｎ電極１６との間に電圧を印加して、ＬＥＤ構造体１０の内部にｐ電極１５からｎ電極１６に向かって電流を流す。すると、ＬＥＤ構造体１０のｐ型半導体層１１とｎ型半導体層１３との間の活性層１２で発光する。
なお、ｐ型半導体層１１はｐ型不純物がドープされているｐ型の導電型を有する半導体層のことであり、ｎ型半導体層１３はｎ型不純物がドープされているｎ型の導電型を有する半導体層のことであることは言うまでもない。また、活性層１２は、ｐ型またはｎ型のいずれか一方の導電型を有していてもよく、ｐ型不純物およびｎ型不純物のいずれの不純物もドープされていないアンドープの半導体層であってもよい。
なかでも、ＬＥＤ構造体１０としては、ｐ型半導体層１１、活性層１２およびｎ型半導体層１３にそれぞれＩＩＩ族元素（Ａｌ、ＩｎおよびＧａからなる群から選択された少なくとも１種）とＶ族元素（窒素）との化合物であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を用いることが好ましい。この場合には、活性層１２から青色の光を発光させることが可能となる。
活性層１２から青色の光を発光させることが可能なＬＥＤ構造体１０の構成の一例としては、たとえば、図１に示す半導体基板１４としてＧａＮ基板またはサファイア基板を用い、ｐ型半導体層１１としてｐ型ＧａＮ層を用い、活性層１２としてアンドープＩｎＧａＮ層を用い、ｎ型半導体層１３としてｎ型ＧａＮ層を用いた構成などを挙げることができる。
また、本発明の半導体デバイスは、ＬＥＤ素子に限られず、たとえば半導体レーザ素子または電界効果トランジスタなどのＬＥＤ素子以外の半導体デバイスにも適用することができる。ここで、活性層１２から青色の光を発光させることが可能なＬＥＤ構造体１０以外の半導体デバイスに用いられる半導体基板１４としては、たとえば、シリコン基板、炭化ケイ素基板またはガリウム砒素基板などを用いることができる。
また、上記においては、電気めっき液９を用いて高熱伝導率層２を形成し、溶融塩浴８を用いて低熱膨張率層３を形成することによってヒートシンク１を形成したが、高熱伝導率層２および低熱膨張率層３の形成方法はこれらに限定されないことは言うまでもない。たとえばスパッタ法などの従来から公知の気相法により高熱伝導率層２および低熱膨張率層３をそれぞれ形成することによってもヒートシンク１を形成することができる。また、高熱伝導率層２は、たとえば、上記の電気めっき液の電解による形成とスパッタ法などの気相法による形成とを組み合わせて形成されてもよく、低熱膨張率層３は、たとえば、上記の溶融塩浴の電解による形成とスパッタ法などの気相法による形成とを組み合わせて形成されてもよい。
たとえば、高熱伝導率層２および／または低熱膨張率層３が非金属から構成されている場合には、たとえばスパッタ法などの気相法により形成することができる。
また、上記においては、導電層２１、高熱伝導率層２、低熱膨張率層３および高熱伝導率層２の順序で形成したが、上記とは逆方向に、高熱伝導率層２、低熱膨張率層３、高熱伝導率層２および導電層２１の順序で形成してもよい。
＜溶融塩浴の好ましい構成＞
本発明に用いられる溶融塩浴８の好ましい構成の一例について以下に述べるが、本発明に用いられる溶融塩浴８は、以下の構成に限定されるものではない。
本発明に用いられる溶融塩浴８の好ましい構成の一例について以下に述べるが、本発明に用いられる溶融塩浴８は、以下の構成に限定されるものではない。
たとえば、タングステンからなる低熱膨張率層３を溶融塩浴８を用いて形成する場合には、リチウム原子と、ナトリウム原子と、カリウム原子と、タングステン原子と、酸素原子と、塩素原子とを含む溶融塩浴８が好適に用いられる。
ここで、ナトリウム原子は、溶融塩浴８中に、リチウム原子１００原子に対して２５原子以上４００原子以下の割合で含まれている。また、カリウム原子は、溶融塩浴８中に、リチウム原子１００原子に対して２５原子以上１８５原子以下の割合で含まれている。また、タングステン原子は、溶融塩浴８中に、リチウム原子とナトリウム原子とカリウム原子との総原子数１００原子に対して１０原子以上４０原子以下の割合で含まれている。また、酸素原子は、溶融塩浴８中に、リチウム原子とナトリウム原子とカリウム原子との総原子数１００原子に対して４０原子以上１６０原子以下の割合で含まれている。さらに、塩素原子は、溶融塩浴８中に、リチウム原子とナトリウム原子とカリウム原子との総原子数１００原子に対して２０原子以上８０原子以下の割合で含まれている。
なお、上記の溶融塩浴８に、ナトリウム原子がリチウム原子１００原子に対して２５原子以上４００原子以下の割合で含まれておらず、かつカリウム原子がリチウム原子１００原子に対して２５原子以上１８５原子以下の割合で含まれていない場合には、溶融塩浴８の融点が上昇して、タングステンが析出する基材（たとえば高熱伝導率層２など）への熱による悪影響が大きくなるため、タングステン析出用の溶融塩浴に適さない傾向にある。
また、上記の溶融塩浴８中において、タングステン原子の含有量が、リチウム原子とナトリウム原子とカリウム原子との総原子数１００原子に対して４０原子を超える場合には、溶融塩浴８の融点が上昇して、溶融塩浴８の粘度が増大するため、タングステンが析出する基材（たとえば高熱伝導率層２など）へのタングステンイオンの供給が抑制されて、表面が平滑なタングステン析出物が得られない傾向にある。また、この場合には、未溶解塩が溶融塩浴８中を浮遊して、タングステン析出物に取り込まれるなどの不具合の原因となるため、タングステン析出用の溶融塩浴に適さなくなる傾向にある。
また、上記の溶融塩浴８中において、タングステン原子の含有量が、リチウム原子とナトリウム原子とカリウム原子との総原子数１００原子に対して１０原子未満である場合には、溶融塩浴８中におけるタングステンの濃度が少ないためにタングステンが析出する基材（たとえば高熱伝導率層２など）へのタングステンイオンの供給が十分に行なわれず、タングステン析出物がデンドライト状になりやすいため、タングステン析出用の溶融塩浴に適さなくなる傾向にある。
また、上記の溶融塩浴８中において、酸素原子の含有量がリチウム原子とナトリウム原子とカリウム原子との総原子数１００原子に対して１６０原子を超える場合には、溶融塩浴８の粘度が高くなりすぎるため、基材（たとえば高熱伝導率層２など）の表面へのタングステンイオンの供給が遅くなる。これにより、デンドライト状のタングステン析出物が得られやすくなり、タングステン析出物中に酸素原子が取り込まれやすくなって、タングステン析出物中における酸素の含有量が増大して不純物が増加するため、タングステン析出用の溶融塩浴に適さなくなる傾向にある。
また、上記の溶融塩浴８中において、酸素原子の含有量がリチウム原子とナトリウム原子とカリウム原子との総原子数１００原子に対して４０原子未満である場合には、タングステンの配位状態が変わり、タングステン析出物からなる低熱膨張率層３の表面の平滑性が悪化するため、タングステン析出用の溶融塩浴に適さなくなる傾向にある。
また、上記の溶融塩浴８中において、塩素原子の含有量がリチウム原子とナトリウム原子とカリウム原子との総原子数１００原子に対して８０原子を超える場合には、タングステンの配位状態が変わり、タングステン析出物からなる低熱膨張率層３の表面の平滑性が悪化するため、タングステン析出用の溶融塩浴に適さなくなる傾向にある。
また、上記の溶融塩浴８中において、塩素原子の含有量がリチウム原子とナトリウム原子とカリウム原子との総原子数１００原子に対して２０原子未満である場合には、溶融塩浴８の粘度が増大して、基材（たとえば高熱伝導率層２など）へのタングステンイオンの供給が抑制され、表面の平滑なタングステン析出物からなる低熱膨張率層３が得られなくなるため、タングステン析出用の溶融塩浴に適さなくなる傾向にある。
上記の溶融塩浴８中において、ナトリウム原子は、リチウム原子１００原子に対して７０原子以上８５原子以下の割合で含まれていることが好ましい。上記の溶融塩浴８中におけるナトリウム原子の含有量がリチウム原子１００原子に対して７０原子以上８５原子以下の範囲内にある場合には表面の平滑性の高いタングステン析出物からなる低熱膨張率層３が得られる傾向にある。
また、上記の溶融塩浴８中において、カリウム原子は、リチウム原子１００原子に対して４０原子以上５０原子以下の割合で含まれていることが好ましい。上記の溶融塩浴８中におけるカリウム原子の含有量がリチウム原子１００原子に対して４０原子以上５０原子以下の範囲内にある場合には溶融塩浴８の融点の上昇を抑えることができるため、表面の平滑性の高いタングステン析出物からなる低熱膨張率層３が得られる傾向にある。
また、上記の溶融塩浴８中において、タングステン原子は、リチウム原子とナトリウム原子とカリウム原子との総原子数１００原子に対して２０原子以上３０原子以下の割合で含まれていることが好ましい。上記の溶融塩浴８中におけるタングステン原子の含有量がリチウム原子とナトリウム原子とカリウム原子との総原子数１００原子に対して２０原子以上３０原子以下である場合に比較的低い温度域で電解することができる傾向にある。また、電解時の温度が同一である場合でも、他の溶融塩浴と比べて溶融塩浴８の粘度が低くなるため、基材（たとえば高熱伝導率層２など）へのタングステンイオンの供給が早くなり、タングステンを析出するための電流密度の範囲が広がる傾向にある。
また、上記の溶融塩浴８中において、酸素原子は、リチウム原子とナトリウム原子とカリウム原子との総原子数１００原子に対して８０原子以上１２０原子以下の割合で含まれていることが好ましい。上記の溶融塩浴８中における酸素原子の含有量がリチウム原子とナトリウム原子とカリウム原子との総原子数１００原子に対して８０原子以上１２０原子以下の範囲内にある場合には溶融塩浴８の粘度が低く、タングステンの配位状態が電解に好適であり、タングステンを析出するための電流密度の範囲が広がる傾向にある。
上記の溶融塩浴８中において、塩素原子は、リチウム原子とナトリウム原子とカリウム原子との総原子数１００原子に対して４０原子以上６０原子以下の割合で含まれていることが好ましい。上記の溶融塩浴８中における塩素原子の含有量がリチウム原子１００原子に対して４０原子以上６０原子以下の範囲内にある場合には溶融塩浴８の粘度が低く、タングステンの配位状態が電解に好適であり、タングステンを析出するための電流密度の範囲が広がる傾向にある。
また、上記の溶融塩浴８は、上記の原子に加えて、さらにフッ素原子を含んでいることが好ましい。ここで、上記の溶融塩浴８中において、フッ素原子は、タングステン原子１００原子に対して５原子以上１６５原子以下の割合で含まれていることがより好ましく、タングステン原子１００原子に対して１０原子以上２０原子以下の割合で含まれていることがさらに好ましい。
上記の溶融塩浴８がフッ素原子を含む場合には、上記の溶融塩浴８を電解して析出したタングステン析出物からなる低熱膨張率層３の表面の平滑性が向上する傾向にある。なかでも、上記の溶融塩浴８中におけるフッ素原子の含有量がリチウム原子１００原子に対して５原子以上１６５原子以下である場合、特にタングステン原子１００原子に対して１０原子以上２０原子以下である場合には、上記の溶融塩浴８を電解して析出したタングステン析出物からなる低熱膨張率層３の表面の平滑性がさらに向上する傾向にある。
なお、上記のリチウム原子、ナトリウム原子、カリウム原子、タングステン原子、酸素原子、塩素原子およびフッ素原子の溶融塩浴８中における形態は特に限定されず、たとえばイオンとして存在したり、錯体を構成した状態で存在していてもよい。また、上記の溶融塩浴８を構成する酸素原子以外の原子は、本発明の溶融塩浴を水に溶解させた試料についてＩＣＰ分光分析（inductively coupled plasma spectrometry）を行なうことによって検出することができる。
また、上記の溶融塩浴８中の酸素原子は、上記の溶融塩浴８について不活性ガス融解赤外吸収法を用いることによって確認することができる。ここで、不活性ガス融解赤外吸収法は、たとえば以下のようにして行なうことができる。
まず、ヘリウムガス雰囲気中においてカーボン坩堝に上記の溶融塩浴８を収容した後に、カーボン坩堝を加熱することによって上記の溶融塩浴８中から酸素を生じさせる。すると、この酸素がカーボン坩堝の炭素と反応して一酸化炭素や二酸化炭素を生成する。次に、生成した一酸化炭素や二酸化炭素を含む雰囲気中に赤外線を照射する。最後に、雰囲気中の一酸化炭素や二酸化炭素が吸収することによって生じた赤外線の減衰量を調査することによって上記の溶融塩浴８中の酸素の存在および含有量を確認することができる。
上記の溶融塩浴８は、たとえば、少なくとも、タングステン酸リチウムと、タングステン酸ナトリウムと、タングステン酸カリウムと、アルカリ金属の塩化物とを混合することにより作製することができる。
ここで、アルカリ金属の塩化物は、塩化リチウム、塩化ナトリウムおよび塩化カリウムからなる群から選択された少なくとも１種であることが好ましい。
そして、タングステン酸リチウムと、タングステン酸ナトリウムと、タングステン酸カリウムと、アルカリ金属の塩化物とを混合して混合物を作製し、その混合物を加熱して溶融させることにより、上記の溶融塩浴８を製造することができる。
なお、タングステン酸リチウム、タングステン酸ナトリウム、タングステン酸カリウムおよびアルカリ金属の塩化物がそれぞれ固体ではなく融液の状態にある場合には、タングステン酸リチウムの融液、タングステン酸ナトリウムの融液、タングステン酸カリウムの融液およびアルカリ金属の塩化物の融液を混合するだけで上記の溶融塩浴８を製造することができる。
また、上記の溶融塩浴８は、たとえば、タングステン酸リチウム１００物質量に対してタングステン酸ナトリウムを２４物質量以上４００物質量以下混合し、タングステン酸カリウムを５物質量以上１８４物質量以下混合することにより作製することができる。また、アルカリ金属の塩化物は、たとえば、タングステン酸リチウム１００物質量に対して１１５物質量以上１７７０物質量以下の割合で混合することができる。
また、上記の溶融塩浴８中にフッ素原子を含有させる場合には、上記の成分に、たとえば、フッ化リチウム、フッ化ナトリウムおよびフッ化カリウムからなる群から選択された少なくとも１種のアルカリ金属のフッ化物を混合することにより作製することができる。
上記の溶融塩浴８を電解することによって析出したタングステン析出物からなる低熱膨張率層３は、表面の平滑性が向上することに特徴がある。
また、本発明において、溶融塩浴８としては、上記以外にも、たとえば、フッ化カリウム（ＫＦ）と酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）と酸化タングステン（ＷＯ3）とをたとえば６７：２６：７のモル比で混合した混合物を溶融して作製した溶融塩浴などを用いることもできる。
＜実施例１のヒートシンクの作製＞
まず、直径が１００ｍｍの円形状の表面を有し、厚さが５００μｍのサファイア基板を１枚用意した。
まず、直径が１００ｍｍの円形状の表面を有し、厚さが５００μｍのサファイア基板を１枚用意した。
次に、サファイア基板の一方の表面上にスパッタ法によりニッケル層を５０ｎｍ程度の厚さに形成して導電層を形成した。
次に、上記のグローブボックスの外で、上記の導電層の形成後のサファイア基板を、パイレックス（登録商標）ビーカーに収容された硫酸銅めっき液（上村工業（株）製のレブコＥＸ）中のそれぞれに１枚ずつ含リン銅からなる対向電極とともに、サファイア基板と対向電極とが対向するようにして浸漬させた。
そして、硫酸銅めっき液の温度を３０℃に保持した状態で、陽極としての対向電極および陰極としてのサファイア基板上の導電層の表面１ｃｍ2当たり２０ｍＡ（ミリアンペア）の電流（電流密度２０ｍＡ／ｃｍ2）が流れるように上記の陽極と陰極との間に電流を４５分間流した。
このような条件で硫酸銅めっき液の電解を行なうことにより、陰極であるサファイア基板上の導電層の表面上にそれぞれ銅を析出させて銅析出物からなる高熱伝導率層（１層目）を２０μｍの厚さに形成した。
次に、上記のグローブボックスの外で、高熱伝導率層の形成後のサファイア基板を硫酸銅めっき液から取り出し、イオン交換水によって高熱伝導率層に付着している硫酸銅めっき液を洗って除去するとともに、その後、酸で洗うことによって高熱伝導率層の表面に形成された酸化膜を除去した。
次に、フッ化カリウム（ＫＦ）粉末と酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）粉末と酸化タングステン（ＷＯ3）粉末とを６７：２６：７のモル比で混合した混合物を作製し、その混合物をＳｉＣ製の坩堝（アズワン（株）製）に投入した。
ここで、フッ化カリウム（ＫＦ）粉末、酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）粉末および酸化タングステン（ＷＯ3）粉末はそれぞれＡｒ（アルゴン）雰囲気のグローブボックス内で秤量され、同じグローブボックス内にあるアルミナ製の坩堝に投入された。
次に、上記の混合物が投入されたアルミナ製の坩堝をマントルヒーターを用いて８５０℃に加熱することによって上記の混合物を溶融し、実施例１の溶融塩浴を作製した。
次に、上記のグローブボックス内で、実施例１の溶融塩浴に、タングステン板からなる対向電極（陽極）とともに上記の高熱伝導率層の形成後のサファイア基板上の導電層（陰極）を対向電極と対向するように浸漬させた。
ここで、上記の陽極および陰極にはそれぞれニッケル線を溶接し、ニッケル線から陽極と陰極との間に電流を供給できる構造とした。
そして、実施例１の溶融塩浴の温度を８５０℃に保持した状態で、陽極および陰極を揺動させながら陽極の表面１ｃｍ2当たり３０ｍＡ（ミリアンペア）の電流（電流密度３０ｍＡ／ｃｍ2）が流れるように上記の陽極と陰極との間に電流を２０４分間流した。
このような条件で実施例１の溶融塩浴の電解を行なうことにより、陰極である導電層上の高熱伝導率層の表面上にタングステンを析出させてタングステン析出物からなる低熱膨張率層（２層目）を６０μｍの厚さに形成した。
次に、上記のグローブボックスの外で、上記の低熱膨張率層の形成後のサファイア基板を実施例１の溶融塩浴から取り出し、イオン交換水によって低熱膨張率層に付着している溶融塩浴を洗って除去した後に、酸で洗うことによって低熱膨張率層の表面に形成された酸化膜を除去した。
次に、上記のグローブボックスの外で、上記の低熱膨張率層の形成後のサファイア基板を、パイレックス（登録商標）ビーカーに収容された硫酸銅めっき液（上村工業（株）製のレブコＥＸ）中に１枚の含リン銅からなる対向電極とともに、サファイア基板と対向電極とが対向するようにして浸漬させた。
そして、硫酸銅めっき液の温度を３０℃に保持した状態で、陽極としての対向電極および陰極としてのサファイア基板上の導電層の表面１ｃｍ2当たり２０ｍＡ（ミリアンペア）の電流（電流密度２０ｍＡ／ｃｍ2）が流れるように上記の陽極と陰極との間に電流を４５分間流した。
このような条件で硫酸銅めっき液の電解を行なうことにより、陰極であるサファイア基板に形成された低熱膨張率層の表面上に銅を析出させて銅析出物からなる高熱伝導率層（３層目）を２０μｍの厚さに形成した。
次に、上記のグローブボックスの外で、高熱伝導率層の形成後のサファイア基板を硫酸銅めっき液から取り出し、イオン交換水によって高熱伝導率層に付着している硫酸銅めっき液を洗って除去するとともに、その後、酸で洗うことによって高熱伝導率層の表面に形成された酸化膜を除去した。
以上により、厚さ２０μｍの銅からなる高熱伝導率層（１層目）、厚さ６０μｍのタングステンからなる低熱膨張率層（２層目）および厚さ２０μｍの銅からなる低熱膨張率層（３層目）がこの順序で積層された積層構造体からなる実施例１のヒートシンク（全体の厚さ：１００μｍ）を得た。
＜実施例２のヒートシンクの作製＞
以下の（１）〜（３）以外は実施例１と同様にして、実施例２のヒートシンクを作製した。
以下の（１）〜（３）以外は実施例１と同様にして、実施例２のヒートシンクを作製した。
（１）陽極としての対向電極および陰極としてのサファイア基板上の導電層との間に電流密度２０ｍＡ／ｃｍ2の電流を２３分間流して硫酸銅めっき液の電解を行なうことにより、陰極であるサファイア基板上の導電層の表面上に銅析出物からなる高熱伝導率層（１層目）を１０μｍの厚さに形成したこと。
（２）陽極としての対向電極および陰極としてのサファイア基板上の導電層との間に電流密度３０ｍＡ／ｃｍ2の電流を１０２分間流して実施例１の溶融塩浴の電解を行なうことにより、陰極である導電層上の高熱伝導率層の表面上にタングステン析出物からなる低熱膨張率層（２層目）を３０μｍの厚さに形成したこと。
（３）陽極としての対向電極および陰極としてのサファイア基板上の導電層との間に電流密度２０ｍＡ／ｃｍ2の電流を２３分間流して硫酸銅めっき液の電解を行なうことにより、陰極であるサファイア基板に形成された低熱膨張率層の表面上に銅析出物からなる高熱伝導率層（３層目）を１０μｍの厚さに形成したこと。
＜実施例３のヒートシンクの作製＞
以下の（４）〜（６）以外は実施例１と同様にして、実施例３のヒートシンクを作製した。
以下の（４）〜（６）以外は実施例１と同様にして、実施例３のヒートシンクを作製した。
（４）陽極としての対向電極および陰極としてのサファイア基板上の導電層との間に電流密度２０ｍＡ／ｃｍ2の電流を２７分間流して硫酸銅めっき液の電解を行なうことにより、陰極であるサファイア基板上の導電層の表面上に銅析出物からなる高熱伝導率層（１層目）を１２μｍの厚さに形成したこと。
（５）陽極としての対向電極および陰極としてのサファイア基板上の導電層との間に電流密度３０ｍＡ／ｃｍ2の電流を１０２分間流して実施例１の溶融塩浴の電解を行なうことにより、陰極である導電層上の高熱伝導率層の表面上にタングステン析出物からなる低熱膨張率層（２層目）を３０μｍの厚さに形成したこと。
（６）陽極としての対向電極および陰極としてのサファイア基板上の導電層との間に電流密度２０ｍＡ／ｃｍ2の電流を２３分間流して硫酸銅めっき液の電解を行なうことにより、陰極であるサファイア基板に形成された低熱膨張率層の表面上に銅析出物からなる高熱伝導率層（３層目）を１０μｍの厚さに形成したこと。
＜実施例１〜３のＬＥＤ素子の作製＞
上記のようにして得られた実施例１〜３のヒートシンクが接合されたサファイア基板のヒートシンクの接合側とは反対側の表面にＬＥＤ構造体を形成した。
上記のようにして得られた実施例１〜３のヒートシンクが接合されたサファイア基板のヒートシンクの接合側とは反対側の表面にＬＥＤ構造体を形成した。
なお、ＬＥＤ構造体は、上記のサファイア基板の表面上に、ｎ型ＧａＮ層、アンドープＩｎＧａＮ層およびｐ型ＧａＮ層をこの順序でＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた後に、フォトエッチングによりｎ型ＧａＮ層の表面の一部が露出するまでｎ型ＧａＮ層、アンドープＩｎＧａＮ層およびｐ型ＧａＮ層のそれぞれの一部を除去し、リフトオフによりｎ型ＧａＮ層上のｎ電極、ｐ型ＧａＮ層上の半透明電極および半透明電極上のｐ電極を形成した。
次に、ｎ電極およびｐ電極の形成後の実施例１〜３のヒートシンクおよびＬＥＤ構造体を円形回転刃で１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形状の表面を有する大きさのＬＥＤ素子に分割することによって、実施例１〜３のＬＥＤ素子をそれぞれ得た。
＜実施例１〜３のＬＥＤ素子の評価＞
銅板およびタングステン板を圧接により接合して銅（２０μｍ）／タングステン（６０μｍ）／銅（２０μｍ）の積層構造体からなる全体の厚さが１００μｍのヒートシンクとＬＥＤ構造体とを数百μｍ程度の厚さの共晶半田により接合してＬＥＤ素子を形成したこと以外は上記と同様にして参考例のＬＥＤ素子を作製した。
銅板およびタングステン板を圧接により接合して銅（２０μｍ）／タングステン（６０μｍ）／銅（２０μｍ）の積層構造体からなる全体の厚さが１００μｍのヒートシンクとＬＥＤ構造体とを数百μｍ程度の厚さの共晶半田により接合してＬＥＤ素子を形成したこと以外は上記と同様にして参考例のＬＥＤ素子を作製した。
そして、上記で作製した実施例１〜３のＬＥＤ素子と、上記の参考例のＬＥＤ素子との発光特性を比較したところ発光特性は同等であった。
しかしながら、実施例１〜３のＬＥＤ素子は数百μｍ程度の厚さの共晶半田を用いることなく、ヒートシンクとＬＥＤ構造体とが接合されていることから、ＬＥＤ構造体に発生した熱をヒートシンクから効率的に放出させることができるとともに、ＬＥＤ素子の表面やヒートシンクの表面にめっきなどの処理を行なう必要がないことから製造コストを抑えることもできた。
また、実施例１〜３のＬＥＤ素子のヒートシンクの厚さはそれぞれ、１００μｍ、５０μｍおよび５２μｍであることから、円形回転刃によるヒートシンクおよびＬＥＤ構造体の切断が容易であり、加工性が向上することも確認された。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明によれば、熱を効率的に外部に放出することができるとともに、製造コストを抑えることができるＬＥＤ素子およびＬＥＤ素子の製造方法を提供することができる。
１ ヒートシンク、２ 高熱伝導率層、３ 低熱膨張率層、６ 対向電極、７ 容器、８ 溶融塩浴、９ 電気めっき液、１０ ＬＥＤ構造体、１１ ｐ型半導体層、１２ 活性層、１３ ｎ型半導体層、１４ 半導体基板、１５ ｐ電極、１６ ｎ電極、１７ 半透明電極。
Claims (4)
- ＬＥＤ構造体と、
前記ＬＥＤ構造体上に設置されたヒートシンクとを備え、
前記ヒートシンクは、高熱伝導率層と低熱膨張率層と高熱伝導率層とがこの順序で積層された積層構造体、または低熱膨張率層と高熱伝導率層と低熱膨張率層とがこの順序で積層された積層構造体を含み、
前記高熱伝導率層の熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、
前記低熱膨張率層の線膨張率が８×１０-6（１／Ｋ）以下であって、
前記積層構造体の厚み方向の中央部から上方の部分と前記積層構造体の厚み方向の中央部から下方の部分とが前記積層構造体の厚み方向の中央部に関して対称となっており、
前記ＬＥＤ構造体と前記ヒートシンクとの間に前記ＬＥＤ構造体および前記ヒートシンクのそれぞれに接する導電層を備え、
前記導電層は、金、銀、銅およびニッケルからなる群から選択される１種からなる、ＬＥＤ素子。 - 請求項１に記載のＬＥＤ素子を製造する方法であって、
前記導電層上に前記高熱伝導率層を形成する工程と、
前記高熱伝導率層上に前記低熱膨張率層を形成する工程と、
前記低熱膨張率層上に前記高熱伝導率層を形成する工程とを含む、ＬＥＤ素子の製造方法。 - 請求項１に記載のＬＥＤ素子を製造する方法であって、
前記導電層上に前記低熱膨張率層を形成する工程と、
前記低熱膨張率層上に前記高熱伝導率層を形成する工程と、
前記高熱伝導率層上に前記低熱膨張率層を形成する工程とを含む、ＬＥＤ素子の製造方法。 - 前記高熱伝導率層および前記低熱膨張率層の少なくとも１層を溶融塩浴の電解により形成することを特徴とする、請求項２または請求項３に記載のＬＥＤ素子の製造方法。
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