JP7447694B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

Description

この発明は、半導体発光装置に関する。

電子部品が作動時に発する熱を効率よく外部に拡散させるための放熱性材料として、以前より、ダイヤモンド粒子を含む金属層が利用されてきた。例えば、特許文献１及び特許文献２には、金属めっき層中にダイヤモンド粒子を複合させた複合めっき層が開示されている。斯かる複合めっき層の成膜方法について、特許文献１には、ダイヤモンド粒子を分散させためっき液を攪拌させながら電解めっきを行い、ダイヤモンド粒子を金属めっき層中に固定し、複合めっき層を得る方法が開示されている。この成膜方法を攪拌法という。特許文献２には、ダイヤモンド粒子を分散させためっき液の攪拌を止め、沈降するダイヤモンド粒子を最密構造に堆積させつつ電解めっきを行い、ダイヤモンド粒子を金属めっき層中に固定し、複合めっき層を得る方法が開示されている。この成膜方法を沈降法という。

また、ダイヤモンド粒子を含む金属層には、上述した複合めっき層の他に、ダイヤモンド粒子を含む複合体も知られている。特許文献３には、アルミニウム合金に、粒子径の異なる二つの粒子群からなるダイヤモンド粉末を含有させたアルミニウム－ダイヤモンド系複合体が開示されている。斯かる複合体の製造方法について、特許文献３には、高圧容器内に、ダイヤモンドの粉末を装填し、これにアルミニウム合金等の溶湯を高温、高圧下で含浸させてアルミニウム－ダイヤモンド系複合体を得る、溶湯鍛造法が開示されている。

国際公開第２０１１／０９６４３２号 特開２０１５－１６０９９６号公報 国際公開第２０１８／１２３３８０号

ＬＤやＬＥＤ等の半導体発光装置において、半導体発光素子から当該発光素子を支持する支持体へ熱を拡散させる放熱性薄膜として、ダイヤモンド粒子を含む金属層を使用することを考える。斯かる金属層の形成には、特許文献３に示した溶湯鍛造法よりも、特許文献１及び特許文献２に示した、電解めっきによる複合めっき層の成膜方法が使いやすい。その理由のひとつには、溶湯鍛造法が高温・高圧環境を得るための複雑・大型化した製造設備を要するのに対し、電解めっきによる成膜方法は、比較的単純・小型の製造設備でよいことが挙げられる。そのため、溶湯鍛造法で作ると高価になり、低コストが求められる半導体発光装置のような量産製品には使えないという問題があった。そこで、半導体発光装置の放熱性薄膜の形成に、電解めっきによる複合めっき層の成膜方法を採用する。

しかしながら、特許文献１に示された攪拌法では、複合めっき層におけるダイヤモンド粒子の体積占有率を向上させることが困難であるため、半導体発光装置として所望の特性を得ることができなかった。また、特許文献２に示された沈降法では、特許文献１よりも複合めっき層におけるダイヤモンド粒子の体積占有率を高められるものの、最大で７４ｖｏｌ％までしか高めることができなかった。

本発明者は、上述した問題を解消し、半導体発光装置の放熱性薄膜として所望の特性を有する半導体発光装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体発光装置は、半導体発光素子と、
前記半導体発光素子を支持する支持体と、
前記半導体発光素子と前記支持体との間にあり、ダイヤモンド粒子が分散された金属層を含んで構成された複合めっき層と、を備え、
前記複合めっき層において、前記ダイヤモンド粒子の体積占有率が５９ｖｏｌ％以上であり、
前記ダイヤモンド粒子は、粒子径が６４μｍ以上２００μｍ以下の第一粒子群と、粒子径が１６μｍ以上５０μｍ以下の第二粒子群と、を有する一方で、粒子径が５０μｍを超え６４μｍ未満の粒子を実質的に有しておらず、
前記ダイヤモンド粒子の粒子径を横軸に、前記複合めっき層における前記ダイヤモンド粒子の単位粒子径幅あたりの体積占有率を縦軸にしたグラフにおいて、
前記第一粒子群及び前記第二粒子群は、それぞれ、体積占有率のピーク値を少なくとも一つ有し、
前記第二粒子群における前記ピーク値のうち、前記体積占有率の最大値をとるときの粒子径は、前記第一粒子群における前記ピーク値のうち、前記体積占有率の最大値をとるときの粒子径に対して、１／４倍以下であり、
前記第二粒子群の前記粒子径の範囲で積分した体積占有率は、前記第一粒子群の前記粒子径の範囲で積分した体積占有率よりも小さい。

詳細は後述するが、本発明は、これにより、複合めっき層におけるダイヤモンド粒子の体積占有率を高めることができ、複合めっき層の熱膨張率を半導体発光素子の熱膨張率に近づけて、その結果、半導体発光素子に与える歪みを抑制できる。加えて、複合めっき層の熱伝導率が向上し、その結果、放熱性が向上する。

前記ダイヤモンド粒子は、さらに、粒子径が０．５μｍ以上１６μｍ未満の第三粒子群を有し、
前記ダイヤモンド粒子の粒子径を横軸に、前記ダイヤモンド粒子の前記複合めっき層における単位粒子径幅あたりの体積占有率を縦軸にしたグラフにおいて、
前記第三粒子群は、体積占有率のピーク値を少なくとも一つ有し、
前記第三粒子群におけるピーク値のうち最大値をとるときの粒子径は、前記第二粒子群におけるピーク値のうち最大値をとるときの粒子径に対して、１／４倍以下であり、
前記第三粒子群の前記粒子径の範囲で積分した体積占有率は、前記第二粒子群の前記粒子径の範囲で積分した体積占有率よりも小さいとよい。

前記第一粒子群の前記粒子径の範囲で積分した体積占有率は４０ｖｏｌ％以下でも構わない。

前記複合めっき層の前記半導体発光素子が載置される側の表面には、前記ダイヤモンド粒子が存在しないとよい。

前記複合めっき層を厚み方向に2分割し、前記半導体発光素子に近い第一層と前記支持体に近い第二層とに区分したとき、前記第一層におけるダイヤモンド粒子の体積占有率は、前記第二層におけるダイヤモンド粒子の体積占有率より大きくても構わない。

前記金属層は、銅を主成分とする層であるとよい。

前記半導体発光素子は、ＧａＡｓ系であるとよい。なお、本明細書において、ＧａＡｓ系とは、ＧａＡｓから構成される二元化合物半導体の他、ＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｓ等の三元以上の化合物半導体を含む。

これにより、高い熱伝導率を示し量産性の高い複合めっき層を有する半導体発光装置を提供できる。

半導体発光装置の第一実施形態の部分断面図である。 図１のＡ１領域の要部拡大断面図である。 第一実施形態の複合めっき層の断面を模式的に示した図である。 第一実施形態の複合めっき層に含まれるダイヤモンド粒子について、各ダイヤモンド粒子の粒子径を横軸に、各粒子径のダイヤモンド粒子の単位粒子径幅あたりの体積占有率を縦軸に表したグラフである。 第一実施形態の複合めっき層について、ダイヤモンド粒子の体積占有率ごとに、ダイヤモンド粒子径を横軸に、熱伝導率を縦軸に表したグラフである。 第一実施形態の複合めっき層について、複合めっき層におけるダイヤモンド粒子の体積占有率を横軸に、熱膨張率を縦軸に表したグラフである。 半導体装置の第二実施形態における複合めっき層周辺の要部拡大断面図である。 第二実施形態の複合めっき層に含まれるダイヤモンド粒子について、各ダイヤモンド粒子の粒子径を横軸に、各粒子径のダイヤモンド粒子の単位粒子径幅あたりの体積占有率を縦軸に表したグラフである。 半導体発光装置の第三実施形態の要部拡大断面図である。 半導体発光装置の参考形態の要部拡大断面図である。 半導体発光装置の第四実施形態の上面図である。 図１１の半導体発光装置のＡ２－Ａ２線に沿う平面での断面図である。

半導体発光装置の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書に開示された各図面は、あくまで模式的に図示されたものである。すなわち、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致しておらず、また、各図面間においても寸法比は必ずしも一致していない。

以下において、ＸＹＺ座標系を適宜参照して説明される。また、本明細書において、方向を表現する際に、正負の向きを区別する場合には、「＋Ｘ方向」、「－Ｘ方向」のように、正負の符号を付して記載される。また、正負の向きを区別せずに方向を表現する場合には、単に「Ｘ方向」と記載される。すなわち、本明細書において、単に「Ｘ方向」と記載されている場合には、「＋Ｘ方向」と「－Ｘ方向」の双方が含まれる。Ｙ方向及びＺ方向についても同様である。

＜第一実施形態＞
［半導体発光装置］
半導体発光装置の第一実施形態について説明する。図１は、半導体発光装置１００の部分断面図である。半導体発光装置１００は、半導体発光素子１と、半導体発光素子１を支持する支持体２とを有する。半導体発光素子１と支持体２との間には、半導体発光素子１側から順に、複合めっき層３と、シード層４とを有する。

半導体発光素子１は、ＧａＡｓ系の半導体材料を使用した端面発光型のＬＤチップから構成される。半導体発光素子１は光出射端面１ｅからレーザ光Ｌ１を出射する。なお、半導体発光素子１は本実施形態に限定されず、例えば、半導体発光素子１は、ＧａＡｓ系以外の半導体材料（例えばＧａＮ系やＩｎＰ系など）から構成されてもよい。また、半導体発光素子１はＬＥＤチップでも構わない。

シード層４は、複合めっき層３と支持体２との密着性を高めるために使用される。例えば、支持体２の表面が導電性でない場合（例えば支持体２の表面がＳｉＯ_２膜）には、電気めっきによる成膜で十分な密着性を得られにくいため、支持体２上に薄い導電性層を成膜する。シード層４は、特に限定されないが、例えば、チタン／白金／金、チタン／金、クロム/白金／金、又はクロム／金をスパッタリングにより成膜した層から構成される。なお、シード層４は、なくても構わない。

支持体２は、半導体発光素子１を支持するとともに、半導体発光素子１に生じた熱を吸収し拡散させる。支持体２は、例えば、ＡｌＮ基板等で構成されたサブマウントでもよい。

本実施形態では、半導体発光素子１が複合めっき層３に接触しているが、半導体発光素子１と複合めっき層３との間に別の層が介在し、半導体発光素子１が複合めっき層３に接触していない形態でも構わない。別の層としては、例えば、半導体発光素子１と複合めっき層３とを接合するための半田層や、半田の他の層への流出を防止する半田ブロック層や、光反射層などが挙げられる。

［複合めっき層の概要］
複合めっき層３について説明する。図２は、図１のＡ１領域（半導体発光素子１と複合めっき層３とが接する領域）の要部拡大断面図である。複合めっき層３は、金属層３０中にダイヤモンド粒子（３１，３２）が分散された層を含む。金属層３０は熱伝導性を有する材料であり、本実施形態では、金属層３０は銅から構成されている。しかしながら、金属層３０は、銅合金から構成されても構わないし、例えば、比較的熱伝導率の高いアルミニウム等の銅ではない材料から構成されても構わない。また、詳細は後述するが、ダイヤモンド粒子（３１，３２）は、粒子径の大きい順に、第一粒子群を構成するダイヤモンド粒子３１と、第二粒子群を構成するダイヤモンド粒子３２と、を含む。

はじめに、金属層３０にダイヤモンド粒子（３１，３２）を含ませることの意義について説明する。まず、ダイヤモンドは、金属層３０を構成する銅よりも熱伝導性に優れる材料である。そのため、複合めっき層３におけるダイヤモンド粒子（３１，３２）の体積占有率が向上すると、基本的には、複合めっき層３の熱伝導特性が向上し、それに伴い半導体発光装置１００の放熱性が向上する。ただし、詳細は後述するが、ダイヤモンド粒子（３１，３２）の粒子径によっては、複合めっき層３の熱伝導特性が上昇しない場合がある。

次に、ダイヤモンド粒子の粒子径について説明する。本明細書において、ダイヤモンドの粒子径は、当該ダイヤモンド粒子と同じ体積からなる真球の直径により定義される。例えば、図２における、ダイヤモンド粒子３１の粒子径は、ダイヤモンド粒子３１と同等の体積を有する真球（図２において、一点鎖線で示される円）の直径φ１で表される。ダイヤモンド粒子３２の粒子径は、直径φ２で表される。この粒子径の測定方法の一例は、後述するダイヤモンド粒子の体積占有率計測方法にて示す。

図３は、半導体発光素子１に接する領域（例えばＡ１領域）における複合めっき層３の断面を模式的に示した図である。この図では、ダイヤモンド粒子（３１，３２）と同じ体積からなる真球をもってダイヤモンド粒子を描いている。なお、ダイヤモンド粒子（３１，３２）の実際の形状は複雑であり、ダイヤモンド粒子（３１，３２）の配置される向きは統一されていないが、図３に描かれた真球は、実際のダイヤモンド粒子（３１，３２）の体積を平均化させて表示したものといえる。

［複合めっき層におけるダイヤモンド粒子の体積占有率］
複合めっき層３におけるダイヤモンド粒子（３１，３２）の体積占有率について説明する。比較的大きい粒子径を有するダイヤモンド粒子３１は、体積占有率を高めるために、互いに接近した状態で密に配置されている。そして、隣り合うダイヤモンド粒子３１の隙間に、比較的小さい粒子径のダイヤモンド粒子３２を配置することで、複合めっき層３におけるダイヤモンド粒子（３１，３２）の体積占有率を高めている。つまり、異なる粒子径のダイヤモンド粒子（３１，３２）を混在させることにより複合めっき層３における体積占有率を高め、複合めっき層３の熱伝導特性を向上させる。本明細書において、体積占有率とは、複合めっき層３全体の体積に対する、ダイヤモンド粒子の占める体積の割合を百分率で示したものである。

図４は、複合めっき層３に含まれるダイヤモンド粒子（３１，３２）について、各ダイヤモンド粒子の粒子径（μｍ）を横軸に、各粒子径のダイヤモンド粒子の単位粒子径幅あたりの体積占有率（ｖｏｌ％／μｍ）を縦軸にプロットしたグラフである。このグラフを任意の粒子径の範囲で積分することにより、複合めっき層３における当該粒子径の範囲のダイヤモンド粒子の体積占有率が求められる。このグラフは、後述する3次元Ｘ線顕微鏡を使用して、ダイヤモンド粒子の体積を測定し、測定結果からダイヤモンド粒子と同じ体積を有する真球の粒子径を導き、粒子径別の粒子群ごとに分類整理することにより得られる。

ダイヤモンド粒子３１は、６４μｍ以上２００μｍ以下の粒子径を有する第一粒子群７１で構成される。ダイヤモンド粒子３２は、１６μｍ以上５０μｍ以下の粒子径を有する第二粒子群７２で構成される。図４に示されるように、各粒子群（７１，７２）は、粒子径が一定の範囲にあるダイヤモンド粒子の集合を表している。各粒子群（７１，７２）において、ダイヤモンド粒子の粒子径が全て同じである必要はない。各粒子群（７１，７２）は、体積占有率のピーク値を少なくとも一つ有する。本実施形態では、第一粒子群７１が三つのピーク値（Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３）を有し、第二粒子群７２が二つのピーク値（Ｐ２１，Ｐ２２）を有する。

第二粒子群７２における二つのピーク値（Ｐ２１，Ｐ２２）のうち、体積占有率の最大値をとるときの粒子径（図４では、３０μｍ）は、第一粒子群７１におけるピーク値（Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３）のうち最大値をとるときの粒子径（図４では、１８０μｍ）に対して、１／４倍以下である。そのため、隣り合う第一粒子群７１のダイヤモンド粒子３１の隙間に、第二粒子群７２のダイヤモンド粒子３２が入り込むことができる。加えて、ダイヤモンド粒子３２が入り込んでも、ダイヤモンド粒子３２が複合めっき層３から突出することなく、複合めっき層３の上面３ａの平坦性を維持できる（図２、図３参照）。

複合めっき層３には、粒子径が５０μｍを超え６４μｍ未満のダイヤモンド粒子を実質的に有していない。ここで、「粒子径が５０μｍを超え６４μｍ未満のダイヤモンド粒子を実質的に有していない」とは、ダイヤモンド粒子の粒子径範囲５０～６４μｍで積分した体積占有率が、１ｖｏｌ％未満であることを表す。これにより、第二粒子群７２を構成するダイヤモンド粒子３２が、第一粒子群７１を構成するダイヤモンド粒子３１の隙間に配置されやすい大きさと数になり、複合めっき層３におけるダイヤモンド粒子（３１，３２）の体積占有率を高めることができる。加えて、ダイヤモンド粒子３２が複合めっき層３から突出することなく、複合めっき層３の上面３ａの平坦性を維持できる（図２、図３参照）。

第一粒子群７１の上限が２００μｍである理由を説明する。複合めっき層３は、支持体２の一部分の面上に成膜されることが多い。このような部分的な成膜には、通常、複合めっき層３の厚み以上に厚いレジストパターンの上に複合めっき層３を設け、不要な部分の複合めっき層３をレジストパターンと共に除去するリフトオフ法が使用される。ゆえに、複合めっき層３の厚みの上限は、リフトオフ法に使用されるレジスト膜の厚みの上限に依存する。成膜しやすいレジスト膜の厚みの上限は２００μｍであることを踏まえると、リフトオフ法を行うためには、めっき層の厚みの上限も２００μｍ以内であると好ましい。そして、ダイヤモンド粒子３１の粒子径φ１は、複合めっき層３の厚みを上限とする。ゆえに、ダイヤモンド粒子３１の粒子径は、２００μｍ以内であると好ましい。

ところで、ダイヤモンド粒子（３１，３２）と金属層３０との界面領域における熱伝導率は、ダイヤモンド粒子（３１，３２）の熱伝導率及び金属層３０の熱伝導率のいずれとも異なる。本発明者は、金属層３０が銅の場合、ダイヤモンド粒子（３１，３２）と銅との界面領域における熱伝導率は、銅の熱伝導率よりも低下することに着目した。この理由は、ダイヤモンド粒子（３１，３２）と銅との界面にある微小な隙間が、熱伝導を妨げるものと推察される。このことは、ダイヤモンド粒子の粒子径の大きい方が、銅とダイヤモンド粒子との界面の面積が同一体積中にダイヤモンドが占有する体積を同じにした場合、小さくなることで、熱伝導特性が高まることを意味する。本実施形態の半導体発光装置１００において、第二粒子群７２の１６μmから５０μmの粒子径の範囲で積分した体積占有率Ｓ２（図４における、横線からなるハッチング領域の合計面積）は、第一粒子群７１の６４μmから２００μmの粒子径の範囲で積分した体積占有率Ｓ１（図４における、縦線からなるハッチング領域の合計面積）よりも小さい。すなわち、第一粒子群７１を構成するダイヤモンド粒子３１全体の体積占有率は、第二粒子群７２を構成するダイヤモンド粒子３２全体の体積占有率よりも大きくなり、複合めっき層３の熱伝導率を高めやすい。

［複合めっき層の熱伝導特性］
複合めっき層の熱伝導特性について説明する。ダイヤモンド粒子を含む複合めっき層の熱伝導率の計算には、以下に示す理論式が知られている。

（１）式中、ｋ：複合めっき層の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、ｋ_ｍ：金属層の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、ｋ_ｄ：ダイヤモンド粒子の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、Ｖ_ｄ：ダイヤモンド粒子の体積占有率、α：ダイヤモンド粒子の半径（ｍ）、ｈ_ｃ：ダイヤモンドと金属層との界面における熱伝達率（Ｗ／ｍ^２Ｋ）である。

（１）式を用いて、ダイヤモンド粒子を含む複合めっき層の熱伝導率の理論値を算出できる。図５は、（１）式を用いて、ダイヤモンド粒子の体積占有率Ｖ_ｄごとに、ダイヤモンド粒子の粒子径（μｍ）を横軸に、複合めっき層の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）を縦軸に表したグラフである。このグラフから、粒子径（直径）が小さくなるほど、複合めっき層の熱伝導率ｋが低下することがわかる。これは、粒子径が小さくなるほど、ダイヤモンド粒子と金属層との界面の面積が大きくなり、熱伝導率が低下することに起因する。

図５から、ダイヤモンド粒子の粒子径が１６μｍ以上では、銅の熱伝導率である４００Ｗ／ｍＫを超えるが、粒子径が１６μｍ未満ではダイヤモンド粒子の熱伝導率が銅の熱伝導率を下回ることがわかる。よって、粒子径が１６μｍ未満のダイヤモンド粒子の数を減らす、又は粒子径が１６μｍ以上のダイヤモンド粒子の数を増やすことで、複合めっき層の熱伝導率を、銅からなる金属層の熱伝導率よりも高くすることができる。

［複合めっき層の熱膨張特性］
複合めっき層３は、半導体発光素子１に接して、または、半導体発光素子１の近傍に他の薄膜を介して配置されるため、半導体発光素子１と複合めっき層３との熱膨張率差が大きいと、半導体発光装置１００の温度が変化したとき、半導体発光素子１が複合めっき層３に引っ張られて、歪みを受けやすくなる。複合めっき層３内のダイヤモンド粒子の量を調整することで、熱膨張に伴う半導体発光素子１の歪みを小さくする効果が得られる。これについて説明する。

金属層３０である銅の熱膨張率（Coefficient of Thermal Expansion、以下、「ＣＴＥ」という。）は、１６．５×１０^－６（／Ｋ）であるのに対し、ダイヤモンド粒子のＣＴＥは、１．１×１０^－６（／Ｋ）である。つまり、銅－ダイヤモンド粒子から構成される複合めっき層３において、ダイヤモンド粒子の体積を増やすことで、複合めっき層３のＣＴＥを引き下げることができる。

図６は、横軸に複合めっき層３におけるダイヤモンド粒子の体積占有率を、縦軸にＣＴＥをとるグラフである。グラフ中、破線G１は、複合めっき層３に含まれるダイヤモンド粒子の体積占有率を変化させたときの複合めっき層３のＣＴＥを示す。破線Ｇ１は、計算により求めた点Ｐ１（体積占有率が５０ｖｏｌ％、ＣＴＥが６．６×１０^－６／Ｋ）と点Ｐ２（体積占有率が６７ｖｏｌ％、ＣＴＥが６．０５×１０^－６／Ｋ）を通る直線として表される。線Ｄ１は、ＧａＡｓのＣＴＥである５．５×１０^－６（／Ｋ）を表す。一点鎖線Ｄｕは、線Ｄ１のＣＴＥに対して＋１５％（ＣＴＥ：６．３３×１０^－６）を表す。一点鎖線Ｄｄは、線Ｄ１のＣＴＥに対して－１５％（ＣＴＥ：４．６８×１０^－６）を表す。

本発明者による研究の結果、複合めっき層３のＣＴＥがＤｄ以上Ｄｕ以下の範囲にあると、複合めっき層３のＣＴＥが半導体発光素子１のＣＴＥに近づくため、半導体発光素子１に与える歪みを抑制できることが判明した。そして、この結果と図６より、半導体発光素子１に与える歪みを抑制するためには、複合めっき層３におけるダイヤモンド粒子の（各粒子径で積分した）体積占有率を、５９ｖｏｌ％以上にするとよいことがわかった。

さらに、支持体２には、通常、ＣＴＥの小さい材料が採用される。支持体２と複合めっき層３からなる複合体のＣＴＥが半導体発光素子１と釣り合うように設計することを考慮すれば、複合めっき層３のＣＴＥは、Ｄ１のＣＴＥに対して＋６％以下の値に設定すると、より好ましい。これより、複合めっき層３の体積占有率は７６ｖｏｌ％以下であると、より好ましい。

以上より、複合めっき層３に含まれるダイヤモンド粒子の粒子径と体積占有率は、熱伝導率とＣＴＥの観点から決定される。熱伝導率のみを考慮すれば、粒子径が１６μｍ以上のダイヤモンド粒子のみで複合めっき層３を構成しても構わない。しかしながら、複合めっき層３のＣＴＥをも考慮すれば、粒子径が１６μｍ未満のダイヤモンド粒子も併用して体積占有率を高めても構わない。もちろん、粒子径が１６μｍ以上のダイヤモンド粒子のみで、複合めっき層３の体積占有率を５９ｖｏｌ％にして、複合めっき層３のＣＴＥを所望の値にしてもよい。

［複合めっき層の形成方法］
複合めっき層３は、電解めっき法により成膜される。攪拌法の場合、金属層３０の材料となるめっき液中に上述した粒子群から構成されるダイヤモンド粒子（３１，３２）を投入するとともに、めっき液中に支持体２を配置する。そして、当該めっき液を攪拌させながら電解めっきを行い、支持体２（または支持体２の表面に設けられたシード層４）の表面に、ダイヤモンド粒子（３１，３２）を含む金属層３０（すなわち、複合めっき層３）を成膜する。

攪拌法を使用する場合、単一粒子群から構成されるダイヤモンド粒子のみを使用すると、複合めっき層３の体積占有率は４０ｖｏｌ％が限界である。その理由は、めっき液中のダイヤモンド粒子はそれぞれ密着せずに、互いに流動可能な空間を介して存在しているためで、密接した状態の体積占有率よりも小さくなるためであると考えられる。例えば、立方体に対する真球の体積占有率は５２％であるが、前述の流動空間を考慮すると、メッキ後の体積占有率はこれよりも小さくなってしまう。

しかしながら、本発明者らは、第一粒子群７１のダイヤモンド粒子３１に、第二粒子群７２から構成されるダイヤモンド粒子３２（小さな粒子径の粒子群のダイヤモンド粒子）を加えることで、攪拌法を使用しても、複合めっき層３全体としての体積占有率を高められることを見出した。

沈降法の場合、所望の粒子群から構成されるダイヤモンド粒子を分散させためっき液の成分を沈降させて、攪拌法よりも時間をかけながら電解めっきを行い、複合めっき層３を得る。沈降法では最密充填構造をとるため、攪拌法を使用した場合よりもダイヤモンド粒子の体積占有率を高めることができる。めっき液中に投入するダイヤモンド粒子は、粒子径によって規定された市販のダイヤモンド粒子を適宜組み合わせるなどして、各粒子群を所望の配合に構成するとよい。また、はじめは攪拌法で成膜し、途中から沈降法に切り替えて成膜してもよい。以降、この方法を、攪拌沈降法という。攪拌沈降法は、沈降法のみで行う場合に比べて、短時間で成膜できる。

［複合めっき層におけるダイヤモンド粒子の体積占有率計測方法］
ダイヤモンド粒子の体積占有率は、複合めっき層３の成膜時に、投入したダイヤモンド粒子の１個当たりの体積及び個数を粒子径ごとに数えるとともに、複合めっき層３の成膜厚みを求めることにより、導くことができる。成膜後の複合めっき層３からダイヤモンド粒子の体積占有率を求める方法には、3次元Ｘ線顕微鏡（Ｘ線ＣＴ、例えば、カールツァイス社製 ZEISS Xradia 510 Versa）を使用する方法がある。Ｘ線ＣＴを使用すると、任意の領域及び厚みの複合めっき層３に含まれるダイヤモンド粒子の体積を測定し、測定された各粒子の体積と球の体積の公式（Ｖ＝πＤ^３／６、ここで、Ｖは球の体積を表し、Ｄは球の直径を表す。）から同じ体積を有する真球の直径（粒子径）を求めて、粒子径別の粒子群ごとに分類整理して複合めっき層３における体積占有率を求めることで算出できる。

＜第二実施形態＞
図７及び図８を参照しながら、半導体発光装置の第二実施形態について説明する。以下に説明する以外の事項は、第一実施形態と同様に実施できる。第三実施形態以降も同様である。

図７は、図２と同様に、複合めっき層５周辺の要部拡大断面図である。図８は、図４と同様に、複合めっき層５に含まれるダイヤモンド粒子について、各ダイヤモンド粒子の粒子径（μｍ）を横軸に、各粒子径のダイヤモンド粒子の単位粒子径幅あたりの体積占有率（ｖｏｌ％／μｍ）を縦軸に表したグラフである。本実施形態の複合めっき層５は、粒子径の大きい順に、６４μｍ以上２００μｍ以下の粒子径を有する第一粒子群７１を構成するダイヤモンド粒子３１と、１６μｍ以上５０μｍ以下の粒子径を有する第二粒子群７２を構成するダイヤモンド粒子３２と、０．５μｍ以上１６μｍ未満の粒子径を有する第三粒子群７３を構成するダイヤモンド粒子３３と、０．５μｍ未満の粒子径を有する第四粒子群７４を構成するダイヤモンド粒子３４と、を含む。また、複合めっき層５には、粒子径が５０μｍを超え６４μｍ未満のダイヤモンド粒子を実質的に有していない。

第三粒子群７３は、体積占有率のピーク値を少なくとも一つ（図８では、ピーク値Ｐ３１の一つ）有する。第三粒子群７３におけるピーク値Ｐ３１のうち最大値をとるときの粒子径（図８では１μｍ）は、第二粒子群７２におけるピーク値（Ｐ２１，Ｐ２２）のうち最大値をとるときの粒子径（図８では３０μｍ）に対して、１／４倍以下である。第四粒子群７４は、体積占有率のピーク値（粒子径が０．１μｍ）を、少なくとも一つ（図８では、ピーク値Ｐ４１の一つ）有する。第三粒子群７３の体積占有率の積分値Ｓ３（左上がりの斜め線からなるハッチング領域の面積）は、第二粒子群７２の体積占有率の積分値Ｓ２（横線からなるハッチング領域の面積）よりも小さい。

複合めっき層５では、ダイヤモンド粒子（３１，３２）の隙間の金属層３０を、ダイヤモンド粒子３３で埋めることができる。加えて、ダイヤモンド粒子３３では大きすぎて埋められないダイヤモンド粒子（３１，３２，３３）の隙間の金属層３０を、ダイヤモンド粒子３４で埋めることができる。これにより、複合めっき層５における体積占有率をさらに高めて、ＣＴＥを低下させることができる。

なお、本実施形態の変形例として、第四粒子群７４を含まない、第一粒子群７１、第二粒子群７２及び第三粒子群７３で構成された複合めっき層でも構わない。

＜第三実施形態＞
図９を参照しながら、第三実施形態について説明する。図９は、図２と同様に、要部拡大断面図である。本実施形態の複合めっき層６は、下層であるシード層４との境界に電着層３５を有し、上層である半導体発光素子１との境界にキャップ層３６を有する。

電着層３５について説明する。電着層３５は、第一粒子群７１を構成するダイヤモンド粒子３１と金属層３０のみで構成される層（又は、ダイヤモンド粒子３１と比較的少量の第二粒子群７２で構成されるダイヤモンド粒子３２と金属層３０のみで構成される層）である。複合めっき層６を成膜するはじめの段階において、ダイヤモンド粒子３２を全く含まないか、比較的少量のダイヤモンド粒子３２を含むめっき液により電解めっきを行うことにより、電着層３５を得ることができる。電着層３５の厚みは、第一粒子群７１を構成するダイヤモンド粒子３１の粒子径φ１よりも薄くても構わない。

電着層３５を設けることの利点を説明する。第一粒子群７１を構成するダイヤモンド粒子３１と通常量の第二粒子群７２を構成するダイヤモンド粒子３２とを含むめっき液の場合、複合めっき層６を成膜するはじめの段階で、小さいダイヤモンド粒子３２が大きいダイヤモンド粒子３１と支持体２との間に数多く入り込むと、ダイヤモンド粒子３１の支持体２への固着を阻害することがある。そこで、第二粒子群７２を構成するダイヤモンド粒子３２を含まないか、比較的少量に制限しためっき液で電着層３５を成膜することで、ダイヤモンド粒子３１を支持体２へ固着しやすくする。

次に、キャップ層３６について説明する。キャップ層３６は、ダイヤモンド粒子（３１，３２）を含まない金属層３０のみで構成される層である。キャップ層３６は、ダイヤモンド粒子（３１，３２）を含まないめっき液で電解めっきを行うことにより、得られる。

キャップ層３６を設けることの利点を、図１０に示した半導体発光装置の参考形態を参照しながら説明する。図１０は、キャップ層を有さない複合めっき層７の要部拡大断面図である。図１０のＢ１領域及びＢ２領域のように、複合めっき層７の上面７ａから一部のダイヤモンド粒子（３１，３２）が突出することがある。ダイヤモンド粒子（３１，３２）が突出すると、複合めっき層７の上面７ａの平坦性が低下し、複合めっき層７と半導体発光素子１との密着性を悪化させる。

そこで、複合めっき層を成膜する最後の段階で、ダイヤモンド粒子を含まない金属層のみを成膜して、キャップ層３６を形成する（図９参照）。これにより、複合めっき層の半導体発光素子１と接触する表面においてダイヤモンド粒子が存在しなくなるため、ダイヤモンド粒子の突出を防ぎ、複合めっき層６の上面６ａの平坦性が向上する。よって、複合めっき層６と半導体発光素子１と密着性が維持される。なお、複合めっき層６の上面６ａの平坦性を高めるために、複合めっき層６の上面６ａを研磨しても構わない。

本実施形態では、電着層３５及びキャップ層３６の両方を設けたが、電着層３５とキャップ層３６のいずれか一方を設けても構わない。電着層３５とキャップ層３６の少なくとも一方の層を設けると、複合めっき層６を厚み方向に2分割し、半導体発光素子１に近い第一層と支持体２に近い第二層とに区分したとき、第一層におけるダイヤモンド粒子の体積占有率は、第二層におけるダイヤモンド粒子の体積占有率より大きくなる。

＜第四実施形態＞
図１１及び図１２を参照しながら、第四実施形態について説明する。図１１は、半導体発光装置２００の上面図（＋Ｚ側から半導体発光装置２００を見た図）である。なお、図１１では、後述する光透過部材９の図示を省略している。図１２は、図１のＡ２－Ａ２線に沿うＹＺ平面での断面図である。なお、図１２に示す断面図において、断面より奥側に位置する物体の図示は省略している。

図１２を参照して、半導体発光装置２００は、＋Ｚ側の主面６０ａに凹部６１を有し、主にシリコンから構成される半導体基板６０と、凹部６１の底面６２の一部に載置された、レーザ光を端面から発光する半導体発光素子１と、を有する。光出射端面１ｅはＸＺ平面に平行である。

半導体基板６０は、図１２においてハッチングして示されている。凹部６１は、板状部材から四角錘台形状を除去された跡からなる形状であり、底面６２に対して傾斜した側壁６５を有する。そして、凹部６１の開口側の面積は、凹部６１の底面６２側の面積よりも大きい。半導体基板６０の＋Ｚ方向からみて、側壁６５は底面６２を囲む四方に存在する。

半導体発光素子１から出射したレーザ光Ｌ１は、エミッタ（光出射端面１ｅ）と、エミッタに対向する側壁６５との間の底面６２の上に設けられた反射層８０と、エミッタに対向する、傾斜した側壁６５の上に設けられた反射層８５で、反射する。反射したレーザ光Ｌ１は、半導体発光装置２００から離れるように＋Ｚ方向へ出射される。

半導体発光素子１は、サブマウント等を介することなく、半導体基板６０に直接実装されており、半導体発光素子１と半導体基板６０との間には、放熱部材及び給電部材として機能する複合めっき層８がある。複合めっき層８は、上述した、ダイヤモンド粒子を含む金属層から構成される。複合めっき層８は半導体基板６０の貫通孔に埋められた給電路７８を通じて、半導体基板６０の裏面に設けられた電極７５に電気的に接続されている。なお、給電路７８及び電極７５は、ダイヤモンド粒子を分散させた金属層でなくても構わない。

以上で、第一～第四実施形態を説明した。しかしながら、本発明は、上述した各実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上述の各実施形態を組み合わせたり、各実施形態に種々の変更又は改良を加えたりできる。

第三粒子群７３及び第四粒子群７４の有無、並びに各粒子群の体積占有率を異ならせた銅－ダイヤモンド粒子の複合めっき層を、実施例及び比較例として記載する。以下に述べる以外の条件は、各実施例及び各比較例で共通している。

［実施例１～４］
実施例１～４について説明する。表１に記載の成膜法を使用して、複合めっき層を成膜した。複合めっき層に含まれるダイヤモンド粒子は、第一粒子群７１及び第二粒子群７２から構成され、第三粒子群７３から構成されるダイヤモンド粒子３３及び第四粒子群７４から構成されるダイヤモンド粒子３４は実質的に有していない。

成膜した複合めっき層を、Ｘ線ＣＴを使用して計測したところ、各粒子群の体積占有率について表１の値を得た。実施例１～４では、ダイヤモンド粒子の体積占有率の合計が、いずれも５９ｖｏｌ％以上だったので、実施例１～４では、複合めっき層のＣＴＥが、半導体発光素子１（ＧａＡｓ）のＣＴＥの±１５％以内である条件を充足した。つまり、実施例１～４では、複合めっき層が半導体発光素子１に与える歪みを、十分に抑制できる。

また、各粒子群の体積占有率に基づいて、複合めっき層の熱伝導率を算出した。この算出は、次の要領で行われる。実施例１の場合、はじめに、第一粒子群が、特定の粒子径のダイヤモンド粒子から構成されると仮定して、（１）式を使用して、仮に複合めっき層が第一粒子群のみで構成された場合の複合めっき層の熱伝導率ｋ_１と、仮に複合めっき層が第二粒子群のみで構成された場合の複合めっき層の熱伝導率ｋ_２と、を求めた。実施例１の場合、ｋ_１＝５３３（Ｗ／ｍＫ）、ｋ_２＝４２９（Ｗ／ｍＫ）であった。次に、各粒子群の体積占有率が、ダイヤモンド粒子合計の体積占有率に占める割合を用いて、熱伝導率ｋ_１及びｋ_２の重みづけ作業を行い、異なる粒子群を有する複合めっき層における熱伝導率ｋ_ｔを求めた。例えば、実施例１の場合、熱伝導率ｋ_ｔ＝３６／５９×ｋ_１＋２３／５９×ｋ_２で求められ、熱伝導率ｋ_ｔ＝４９２（Ｗ／ｍＫ）を得た。他の実施例及び比較例も同様に算出した。

実施例１～４では、複合めっき層の熱伝導率ｋｔが銅の熱伝導率の４００Ｗ／ｍＫを上回ったため、ダイヤモンド粒子を含ませることにより、熱伝導率が向上した。また、沈降法／撹拌沈降法いずれにおいても、複数の粒子群から構成されるめっき層の成膜スピードは、単一の粒子群で構成されるめっき層の成膜スピードに比べて早い。

［実施例５～８］
実施例５～８について説明する。表１に記載の成膜法を使用して、複合めっき層を成膜した。複合めっき層に含まれるダイヤモンド粒子は、第一粒子群７１、第二粒子群７２及び第三粒子群７３から構成され、第四粒子群７４を実質的に有していない。成膜した複合めっき層３を、Ｘ線ＣＴを使用して計測したところ、各粒子群の体積占有率について表１の値を得た。実施例５～８では、ダイヤモンド粒子の体積占有率の合計が、いずれも５９ｖｏｌ％以上なので、複合めっき層が半導体発光素子１に与える歪みを、十分に抑制できる。また、複合めっき層が、銅の熱伝導率の４００Ｗ／ｍＫを上回ったため、ダイヤモンド粒子を含ませることにより、熱伝導率が向上した。特に、実施例５は、第一粒子群７１の体積占有率が４０ｖｏｌ％以下という低値であるため、攪拌法にて本発明の複合めっき層３を成膜できる。また、撹拌法においても、複数の粒子群から構成されるめっき層の成膜スピードは、単一の粒子群で構成されるめっき層の成膜スピードに比べて早い。

［実施例９～１４］
実施例９～１４について説明する。表１に記載の成膜法を使用して、複合めっき層３を成膜した。複合めっき層３に含まれるダイヤモンド粒子は、第一粒子群７１、第二粒子群７２、第三粒子群７３及び第四粒子群７４から構成される。成膜した複合めっき層３を、Ｘ線ＣＴを使用して計測したところ、各粒子群の体積占有率について表１の値を得た。実施例９～１４では、ダイヤモンド粒子の体積占有率の合計が、いずれも５９ｖｏｌ％以上なので、複合めっき層が半導体発光素子１に与える歪みを、十分に抑制できる。また、複合めっき層が、銅の熱伝導率の４００Ｗ／ｍＫを上回ったため、ダイヤモンド粒子を含ませることにより、熱伝導率が向上した。特に、実施例９～１１は、第一粒子群７１の体積占有率が４０ｖｏｌ％以下という低値であるため、攪拌法にて本発明の複合めっき層３を成膜できる。

［比較例１～６］
比較例１～６について説明する。表２に記載の成膜法を使用して、複合めっき層３を成膜した。成膜した複合めっき層３を、Ｘ線ＣＴを使用して計測したところ、各粒子群の体積占有率について表２の値を得た。比較例１～５について、複合めっき層が、銅の熱伝導率の４００Ｗ／ｍＫを上回ったため、ダイヤモンド粒子を含ませることにより、熱伝導率が向上した。比較例６では、複合めっき層が、銅の熱伝導率の４００Ｗ／ｍＫを下回った。これは、粒子径の小さいダイヤモンド粒子が比較的多く、銅（金属層）とダイヤモンド粒子との界面の面積が大きくなったことによる。そして、いずれの比較例も、ダイヤモンド粒子の体積占有率の合計が５９ｖｏｌ％を下回った。複合めっき層のＣＴＥが、半導体発光素子１（ＧａＡｓ）のＣＴＥの±１５％以内である条件を充足しないため、いずれの比較例も、複合めっき層が半導体発光素子１に与える歪みを、十分に抑制することが難しい。

１ ：半導体発光素子
１ｅ ：光出射端面
２ ：支持体
３，５，６，７，８：複合めっき層
３ａ ：上面
４ ：シード層
６ａ，７ａ ：（複合めっき層の）上面
９ ：光透過部材
３０ ：金属層
３１，３２，３３，３４ ：ダイヤモンド粒子
３５ ：電着層
３６ ：キャップ層
６０ ：半導体基板
６１ ：凹部
６２ ：底面
６５ ：側壁
７１ ：第一粒子群
７２ ：第二粒子群
７３ ：第三粒子群
７４ ：第四粒子群
７５ ：電極
７８ ：給電路
８０ ：反射層
８５ ：反射層
１００，２００ ：半導体発光装置

Claims (7)

1. 半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子を支持する支持体と、
   前記半導体発光素子と前記支持体との間にあり、ダイヤモンド粒子が分散された金属層を含んで構成された複合めっき層と、を備え、
   前記複合めっき層において、前記ダイヤモンド粒子の体積占有率が５９ｖｏｌ％以上であり、
   前記ダイヤモンド粒子は、粒子径が６４μｍ以上２００μｍ以下の第一粒子群と、粒子径が１６μｍ以上５０μｍ以下の第二粒子群と、を有する一方で、粒子径が５０μｍを超え６４μｍ未満の粒子を実質的に有しておらず、
   前記ダイヤモンド粒子の粒子径を横軸に、前記複合めっき層における前記ダイヤモンド粒子の単位粒子径幅あたりの体積占有率を縦軸にしたグラフにおいて、
   前記第一粒子群及び前記第二粒子群は、それぞれ、体積占有率のピーク値を少なくとも一つ有し、
   前記第二粒子群における前記ピーク値のうち、前記体積占有率の最大値をとるときの粒子径は、前記第一粒子群における前記ピーク値のうち、前記体積占有率の最大値をとるときの粒子径に対して、１／４倍以下であり、
   前記第二粒子群の前記粒子径の範囲で積分した体積占有率は、前記第一粒子群の前記粒子径の範囲で積分した体積占有率よりも小さいことを特徴とする、半導体発光装置。
2. 前記ダイヤモンド粒子は、さらに、粒子径が０．５μｍ以上１６μｍ未満の第三粒子群を有し、
   前記ダイヤモンド粒子の粒子径を横軸に、前記ダイヤモンド粒子の前記複合めっき層における単位粒子径幅あたりの体積占有率を縦軸にしたグラフにおいて、
   前記第三粒子群は、体積占有率のピーク値を少なくとも一つ有し、
   前記第三粒子群におけるピーク値のうち最大値をとるときの粒子径は、前記第二粒子群におけるピーク値のうち最大値をとるときの粒子径に対して、１／４倍以下であり、
   前記第三粒子群の前記粒子径の範囲で積分した体積占有率は、前記第二粒子群の前記粒子径の範囲で積分した体積占有率よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記第一粒子群の前記粒子径の範囲で積分した体積占有率は４０ｖｏｌ％以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体発光装置。
4. 前記複合めっき層の前記半導体発光素子が載置される側の表面には、前記ダイヤモンド粒子が存在しないことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
5. 前記複合めっき層を厚み方向に2分割し、前記半導体発光素子に近い第一層と前記支持体に近い第二層とに区分したとき、前記第一層におけるダイヤモンド粒子の体積占有率は、前記第二層におけるダイヤモンド粒子の体積占有率より大きいことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
6. 前記金属層は、銅を主成分とする層であることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
7. 前記半導体発光素子は、ＧａＡｓ系であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体発光装置。

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