專利名稱：用于led發(fā)光元件的復(fù)合材料基板、其制造方法及l(fā)ed發(fā)光元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管(以下，稱為LED)元件用的復(fù)合材料基板、其制造方法及使用了該復(fù)合材料基板的LED發(fā)光元件。
背景技術(shù)：
LED是在半導(dǎo)體的pn結(jié)中流過正向電流時(shí)進(jìn)行發(fā)光的元件，使用GaAs、GaN等 III-V族半導(dǎo)體晶體來制造。近年來，隨著半導(dǎo)體的外延生長技術(shù)和發(fā)光元件工藝技術(shù)的進(jìn)步，開發(fā)出轉(zhuǎn)換效率優(yōu)良的LED，并廣泛使用于各領(lǐng)域。LED由使III-V族半導(dǎo)體晶體在單晶生長基板上外延生長而得的ρ型層、η型層以及被該兩者夾持的光活性層構(gòu)成。通常，使GaN等的III-V族半導(dǎo)體晶體在單晶藍(lán)寶石的生長基板上外延生長之后，形成電極等進(jìn)而形成LED發(fā)光元件(專利文獻(xiàn)1)。使III-V族半導(dǎo)體晶體在單晶生長基板上外延生長時(shí)，由于單晶生長基板和 III-V族半導(dǎo)體晶體的晶格常數(shù)不同，因此難以生長良好的單晶。因此，有人提出了在低溫下在藍(lán)寶石基板上形成GaN等的緩沖層并使GaN在該緩沖層上外延生長的方法(專利文獻(xiàn) 2)。但是，即使利用這種方法仍存在如下問題由于藍(lán)寶石基板和緩沖層的GaN等的線熱膨脹系數(shù)存在差異，因此外延生長后的基板發(fā)生翹曲，最壞的情況下基板發(fā)生破裂。因此，就需要一種線熱膨脹系數(shù)與III-V族半導(dǎo)體晶體接近的基板材料。此外，單晶藍(lán)寶石基板等單晶生長基板還存在導(dǎo)熱性不良的問題。在單晶藍(lán)寶石的情況下，熱導(dǎo)率約為40W/mK，無法使GaN等的III-V族半導(dǎo)體元件所產(chǎn)生的熱量充分散發(fā)。特別是，通過高電流的高輸出功率LED存在如下問題元件的溫度上升導(dǎo)致發(fā)光效率的降低或元件壽命的降低。因此，有人提出了如下方法使III-V族半導(dǎo)體晶體在單晶生長基板上外延生長后，通過金屬層與高導(dǎo)熱性基板接合，然后，除去單晶生長基板(專利文獻(xiàn)3)。因此，作為高導(dǎo)熱性基板的材質(zhì)，研究了導(dǎo)熱性優(yōu)良的銅等材料，但由于上述材料與 III-V族半導(dǎo)體晶體的線熱膨脹系數(shù)差較大，因此不能充分滿足高功率LED的要求。專利文獻(xiàn)1 日本專利“特開2005-117006號公報(bào)”專利文獻(xiàn)2 日本專利“特公平5-73252號公報(bào)”專利文獻(xiàn)3 日本專利“特開2006-U8710號公報(bào)”

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供可適用于高輸出功率LED的LED發(fā)光元件用基板及其制造方法，該基板與構(gòu)成LED的III-V族半導(dǎo)體晶體的線熱膨脹系數(shù)差較小，并且具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性。此外，本發(fā)明的目的還在于提供使用上述LED發(fā)光元件用基板制造LED發(fā)光元件的方法以及通過該方法制造的LED發(fā)光元件。作為本發(fā)明的一種形態(tài)，提供用于LED發(fā)光元件的復(fù)合材料基板，該復(fù)合材料基板通過在多孔體中浸滲鋁合金或純鋁并加工成具有預(yù)定的板厚及表面粗糙度的復(fù)合材料體后在該復(fù)合材料體的表面形成厚度為0. 5-15 μ m的金屬層而制成，所述多孔體由選自碳化硅、氮化鋁、氮化硅、金剛石、石墨、氧化釔及氧化鎂的1種以上物質(zhì)形成且氣孔率為 10-50體積％，所述金屬層含有選自Ni、Co、Pd、Cu、Ag、Au、Pt、Sn的1種以上的金屬。在一種形態(tài)中，上述多孔體具有50MPa以上的3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，通過液態(tài)模鍛法在30MPa以上的浸滲壓力下在上述多孔體中浸滲上述鋁合金。在一種實(shí)施方式中，上述復(fù)合材料體的板厚為 0. 05-0. 5mm，表面粗糙度(Ra)為0. 01-0. 5 μ m。在另一種實(shí)施方式中，上述復(fù)合材料體的板厚為0. 05-0. 5mm、表面粗糙度(Ra)為0. 01_2 μ m，且形成了金屬層的一面被加工成表面粗糙度(Ra)為 0. 01-0. 5 μ m。此外，本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式中，復(fù)合材料基板在溫度為25°C時(shí)的熱導(dǎo)率為 100-500W/mK，在溫度為25°C _150°C時(shí)的線熱膨脹系數(shù)為4X 10_6/K-9X 10_6/K，3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為50MPa以上，體積電阻率為10_9-10_5Ω ·πι。此外，在另一實(shí)施方式中，復(fù)合材料基板的板厚為0. 05mm-0. 5mm,至少一個(gè)主面的表面粗糙度(Ra)為0. 01-0. 5 μ m,在溫度為25°C的 5當(dāng)量的HCl溶液中浸漬1分鐘后的至少一個(gè)主面的重量減少量及在溫度為75°C的10當(dāng)量的NaOH溶液中浸漬1分鐘后的至少一個(gè)主面的重量減少量分別為0. 2mg/cm2以下。作為本發(fā)明的另一形態(tài)，提供用于LED發(fā)光元件的復(fù)合材料基板的制造方法，該制造方法具有以下工序(a)準(zhǔn)備多孔體，該多孔體由選自碳化硅、氮化鋁、氮化硅、金剛石、石墨、氧化釔及氧化鎂的1種以上物質(zhì)形成，且氣孔率為10-50體積％ ；(b)在上述多孔體中浸滲鋁或純鋁，加工成具有預(yù)定的板厚及表面粗糙度的復(fù)合材料體；(c)在所述復(fù)合材料體的表面形成厚度為0. 5-15 μ m的金屬層，該金屬層含有選自 Ni、Co、Pd、Cu、Ag、Au、Pt、Sn 的 1 種以上的金屬。這里，一種實(shí)施方式中，在工序(a)中，上述多孔體具有50MPa以上的3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度；在工序(b)中，通過液態(tài)模鍛法在30MPa以上的浸滲壓力下，在上述多孔體中浸滲上述鋁合金或純鋁。另一種實(shí)施方式中，在工序(b)中，使復(fù)合材料體的板厚為0.05-0. 5mm，使表面粗糙度(Ra)為0.01-0. 5 μ m。另一種實(shí)施方式中，在工序(b)中，使復(fù)合材料體的板厚為0. 05-0. 5mm，使表面粗糙度(Ra)為0. 01_2 μ m ；在工序(c)中，將復(fù)合材料體的形成了金屬層的一面加工成表面粗糙度(Ra)為0. 01-0. 5 μ m。作為本發(fā)明的又另一形態(tài)，提供LED發(fā)光元件的制造方法，該制造方法具有以下
工序(1)使III-V族半導(dǎo)體晶體在圓板狀或平板狀的單晶生長基板的一個(gè)主面上外延生長；(2)將本發(fā)明的上述用于LED發(fā)光元件的復(fù)合材料基板通過金屬層接合于上述 III-V族半導(dǎo)體晶體的表面，通過激光照射、蝕刻、磨削中的任一種方法除去上述單晶生長基板；(3)對所述III-V族半導(dǎo)體晶體的除去了上述單晶生長基板的一側(cè)的表面進(jìn)行加工，并形成電極之后，進(jìn)行裁切加工。這里，在一種實(shí)施方式中，單晶生長基板由選自單晶藍(lán)寶石、單晶碳化硅、單晶GaAs、單晶Si的材料制備。在另一種實(shí)施方式中，用選自AlN、SiC、GaN、GaAs的材料對單晶生長基板進(jìn)行表面涂敷。此外，在一種實(shí)施方式中，III-V族半導(dǎo)體晶體為GaN、GaAs、GaP 中的任意一種。而且，本發(fā)明還揭示了可由上述任一種LED發(fā)光元件的制造方法制造的LED 發(fā)光元件。根據(jù)本發(fā)明，可以得到與構(gòu)成LED的III-V族半導(dǎo)體晶體的線熱膨脹系數(shù)差較小的、高導(dǎo)熱性的用于LED發(fā)光元件的復(fù)合材料基板。通過使用上述用于LED發(fā)光元件的復(fù)合材料基板，可以提供散熱性、可靠性優(yōu)良的高輸出功率LED發(fā)光元件。而且，上述結(jié)構(gòu)的用于LED發(fā)光元件的復(fù)合材料基板，對制造LED發(fā)光元件時(shí)所使用的酸和堿溶液具有優(yōu)良的耐化學(xué)性，并且具有導(dǎo)電性，可以在構(gòu)成LED的III-V族半導(dǎo)體晶體的兩面形成電極。因此，可以減少LED發(fā)光元件的制造工序并增加單位面積的發(fā)光量。


圖1是用于說明本發(fā)明的實(shí)施例1的LED發(fā)光元件的制造例的概略剖視圖，表示本發(fā)明的一實(shí)施例的復(fù)合材料基板與半導(dǎo)體層接合的狀態(tài)，上述半導(dǎo)體層間隔著緩沖層形成于藍(lán)寶石生長基板上。圖2是與圖1相同的圖，表示在除去生長基板后形成透明導(dǎo)電層的狀態(tài)。圖3是用于說明本發(fā)明的實(shí)施例17的LED發(fā)光元件的制造例的概略剖視圖，表示本發(fā)明的一實(shí)施例的復(fù)合材料基板與Si生長基板上形成的半導(dǎo)體層接合的狀態(tài)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及LED發(fā)光元件和用于該LED發(fā)光元件的復(fù)合材料基板。以下，對LED 發(fā)光元件的制造進(jìn)行記述，其中，還對復(fù)合材料基板的制造進(jìn)行說明。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，使用單晶生長基板、III-V族半導(dǎo)體晶體、復(fù)合材料基板制造LED發(fā)光元件。單晶生長基板需要由與外延生長的III-V族半導(dǎo)體晶體的晶格常數(shù)的差較小且缺陷較少的材料形成。從結(jié)晶性和均勻性的觀點(diǎn)出發(fā)，通常加工單晶材料來進(jìn)行使用。這些單晶生長基板需要能夠經(jīng)受使III-V族半導(dǎo)體晶體外延生長的工序中的溫度、氣氛。因此， 本發(fā)明所使用的單晶生長基板用的材料優(yōu)選為選自單晶藍(lán)寶石、單晶碳化硅、單晶GaAs、單晶Si的物質(zhì)。而且，優(yōu)選的是，用選自A1N、SiC、GaN、GaAs的材料對本發(fā)明所使用的單晶生長基板進(jìn)行表面涂敷。從作為LED發(fā)光元件的轉(zhuǎn)換效率的方面出發(fā)，構(gòu)成LED的III-V族半導(dǎo)體晶體優(yōu)選為GaN、GaAS、GaP中的任意一種。上述III-V族半導(dǎo)體晶體可獲得較高的發(fā)光效率，可以根據(jù)用途對其進(jìn)行區(qū)別使用。此外，可根據(jù)各用途的最佳發(fā)光波長對III-V族半導(dǎo)體晶體進(jìn)行選擇。在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，首先，在上述單晶生長基板的一個(gè)主面上以外延生長的方式使III-V族半導(dǎo)體晶體生長。III-V族半導(dǎo)體晶體的外延生長，優(yōu)選通過有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法(M0CVD法)或鹵化物氣相外延法(HVPE)法來進(jìn)行。MOCVD法適合使結(jié)晶性良好的III-V族半導(dǎo)體晶體生長，HVPE法的結(jié)晶生長速度較快，可以高效地使III-V族半導(dǎo)體晶體生長。這些方法是公知的，實(shí)施條件可適當(dāng)設(shè)定。但是外延生長的方法只要是可以使III-V族半導(dǎo)體晶體生長的方法即可，不限于上述的方法。為了進(jìn)一步提高發(fā)光特性，可以對外延生長后的III-V族半導(dǎo)體晶體實(shí)施表面處理。此外，為了提高晶體表面的均勻性等，還可以對表面進(jìn)行蝕刻處理或研磨處理。在本發(fā)明中，本發(fā)明的復(fù)合材料基板與外延生長后的III-V族半導(dǎo)體晶體的表面接合，但在進(jìn)行接合之前，通過蒸鍍法、濺射法等方法在III-V族半導(dǎo)體晶體的表面形成金屬層。優(yōu)選利用銦、鋁、金、銀或它們的合金來形成金屬層。金屬的線熱膨脹系數(shù)與III-V族半導(dǎo)體晶體不同，因此如果金屬層的厚度太大則將導(dǎo)致密合性降低，因而不理想。在金屬層的熱導(dǎo)率較低的情況下，從散熱方面考慮，也不理想。因此，金屬層的厚度優(yōu)選為0.5-10 μ m，進(jìn)一步優(yōu)選為 0. 5-2 μ mo接著，為了與III-V族半導(dǎo)體晶體接合，在復(fù)合材料基板的要與III-V族半導(dǎo)體晶體進(jìn)行接合的一側(cè)的表面也同樣地通過蒸鍍法、濺射法等方法形成金屬層。該金屬層優(yōu)選與III-V族半導(dǎo)體晶體的表面的金屬層同樣地使用銦、鋁、金、銀或它們的合金來形成。復(fù)合材料基板需要具備的特性有(1)具有能夠承受接合的強(qiáng)度、以及( 接合面沒有孔隙或異物等夾雜物，接合面平坦。為了滿足(1)的條件，復(fù)合材料基板需要具備50MPa以上的3 點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，優(yōu)選為200MPa以上。為了滿足O)的條件，要求復(fù)合材料基板的表面粗糙度 (Ra)為 0. 01-0. 5 μ m，優(yōu)選為 0. 01-0. 2 μ m。在使III-V族半導(dǎo)體晶體與復(fù)合材料基板進(jìn)行接合時(shí)，根據(jù)需要一邊加壓一邊在接合面疊合的狀態(tài)下進(jìn)行加熱。加熱溫度根據(jù)金屬層的種類而不同，通常為250°C -5500C0 加壓的壓力通常為2-20MPa。由于復(fù)合材料基板要與III-V族半導(dǎo)體接合在一起進(jìn)行使用，因此兩種材料的線熱膨脹系數(shù)的差較小是重要的條件。因此，優(yōu)選復(fù)合材料基板在溫度為25°C _150°C時(shí)的線熱膨脹系數(shù)為4-9 X 10—7K。進(jìn)一步優(yōu)選為4-7 X 10—7K。復(fù)合材料基板在溫度為25°C _150°C 時(shí)的線熱膨脹系數(shù)超出4-9X 10_6/K的范圍的情況下，存在接合后發(fā)生翹曲、或作為LED發(fā)光元件使用時(shí)發(fā)生接合層的剝離、或III-V族半導(dǎo)體晶體破裂的情況，因而不理想。本發(fā)明的復(fù)合材料基板是LED發(fā)光元件的基底基板。由于III-V族半導(dǎo)體元件所產(chǎn)生的大部分熱量要通過該基板進(jìn)行散熱，因而該基板需要具備較高的散熱特性。因此，優(yōu)選復(fù)合材料基板在溫度為25°C時(shí)的熱導(dǎo)率為100-500W/mK，進(jìn)一步優(yōu)選為150-500W/mK。如果熱導(dǎo)率小于100W/mK，則無法對III-V族半導(dǎo)體元件所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行充分散熱，特別是在需要通過高電流的高輸出功率LED的情況下，元件的溫度上升導(dǎo)致發(fā)光效率降低，從而降低元件壽命，因而不理想。另一方面，關(guān)于熱導(dǎo)率的上限值，雖然在特性方面沒有限制，但基板材料過于昂貴。此外，從散熱性的方面出發(fā)，優(yōu)選板厚比較薄的復(fù)合材料基板，但另一方面，由于需要具備可保持III-V族半導(dǎo)體元件并承受LED發(fā)光元件制備時(shí)的操作處理等的強(qiáng)度，因此需要一定的板厚。在一種實(shí)施方式中，復(fù)合材料基板的板厚優(yōu)選為0. 05mm-0. 5mm，更優(yōu)選為0. 05mm-0. 3mm。如果復(fù)合材料基板的板厚超過0. 5mm,則LED發(fā)光元件的散熱特性降低， 因而不理想。本發(fā)明的復(fù)合材料基板與III-V族半導(dǎo)體晶體接合后，還可以根據(jù)需要通過研磨等方式進(jìn)行薄化處理。在本發(fā)明中，通過金屬層使III-V族半導(dǎo)體晶體與復(fù)合材料基板接合后，除去單晶生長基板。通常由單晶生長基板側(cè)進(jìn)行激光照射來除去單晶生長基板。除激光照射方式外，還可以通過研磨、蝕刻方式除去單晶生長基板。根據(jù)需要，對除去單晶生長基板后的 III-V族半導(dǎo)體晶體面進(jìn)行表面研磨、蝕刻，在加工成所希望的表面形狀后，通過蒸鍍法、濺射法等方法形成電極。然后，通過激光切割或劃片方式裁切為預(yù)定形狀，從而制備LED發(fā)光元件。本發(fā)明的復(fù)合材料基板需要具備LED發(fā)光元件制造工藝中的耐化學(xué)特性，具體而言，在溫度為25°C的5當(dāng)量的HCl溶液中浸漬1分鐘后的至少一個(gè)主面的單位面積的重量減少量及在溫度為75°C的10當(dāng)量的NaOH溶液中浸漬1分鐘后的至少一個(gè)主面的單位面積的重量減少量分別優(yōu)選為0. 2mg/cm2以下，進(jìn)一步優(yōu)選重量減少量為0. lmg/cm2以下。如果在溫度為25°C的5當(dāng)量的HCl溶液中浸漬1分鐘后的單位面積的重量減少量及在溫度為 75°C的10當(dāng)量的NaOH溶液中浸漬1分鐘后的單位面積的重量減少量分別超過0. 2mg/cm2, 復(fù)合材料中的金屬成分的溶出將導(dǎo)致熱導(dǎo)率等特性降低，并且在通過激光切割或劃片方式裁切成預(yù)定形狀時(shí)將產(chǎn)生碎屑，從而造成LED發(fā)光元件的成品率降低，因而不理想。在實(shí)際使用本發(fā)明的復(fù)合材料基板時(shí)，復(fù)合材料基板的一個(gè)主面通過金屬層與III-V族半導(dǎo)體晶體接合，因此非接合面只要滿足上述耐化學(xué)特性的要求即可。本發(fā)明的復(fù)合材料基板本身具有導(dǎo)電性。因此，可以在構(gòu)成LED的III-V族半導(dǎo)體晶體的兩面形成電極。在使用藍(lán)寶石基板等絕緣材料作為基板的現(xiàn)有方法中，需要通過蝕刻等方法對上部的P型或η型III-V族半導(dǎo)體晶體進(jìn)行局部去除并在同一表面?zhèn)刃纬呻姌O。但在本發(fā)明中，由于不存在上述需要，因此可以使LED發(fā)光元件的制造工藝簡化。而且，由于不需要通過蝕刻等方法對P型或η型的一方的III-V族半導(dǎo)體晶體進(jìn)行局部去除， 因此可以使LED發(fā)光元件的單位面積的發(fā)光量增加。本發(fā)明的復(fù)合材料的體積電阻率優(yōu)選為10_9-10_5Ω ·πι。如果體積電阻率超過10_5 Ω ·πι，則導(dǎo)致發(fā)光效率的降低等，因而不理想。 體積電阻率的下限值在特性方面沒有限制，但從材料組成方面出發(fā)通常為10_9Ω ·πι以上。以下對具有上述特性的復(fù)合材料基板的制備方法進(jìn)行說明。復(fù)合材料基板所使用的復(fù)合材料的制備方法大致分為浸滲法和粉末冶金法2種。 其中，從熱導(dǎo)率等特性方面出發(fā)，實(shí)際商品化時(shí)采用浸滲法。浸滲法包括各種制備方法，有常壓下進(jìn)行的方法和高壓下進(jìn)行的方法(高壓鍛造法)。高壓鍛造法包括液態(tài)模鍛法和壓鑄法。適于本發(fā)明的方法為高壓下進(jìn)行浸滲的高壓鍛造法，為了得到熱導(dǎo)率等特性優(yōu)良的致密的復(fù)合體而優(yōu)選液態(tài)模鍛法。液態(tài)模鍛法是指在高壓容器內(nèi)裝填陶瓷粉末或成型體， 然后在高溫、高壓下使鋁合金等的熔液浸滲到陶瓷粉末或成型體中從而得到復(fù)合材料的方法。因此，在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，復(fù)合材料通過液態(tài)模鍛法進(jìn)行制造。作為原料的陶瓷，需要使用熱導(dǎo)率較高、線熱膨脹系數(shù)較小的材料。因此，在本發(fā)明中，使用選自碳化硅、氮化鋁、氮化硅、金剛石、石墨、氧化釔及氧化鎂中的1種以上?？梢酝ㄟ^使鋁合金或純鋁浸滲到上述陶瓷中進(jìn)行復(fù)合化，由此將本發(fā)明的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和線熱膨脹系數(shù)調(diào)整至上述范圍。在一種實(shí)施方式中，復(fù)合材料含有50-90體積％的上述陶瓷，且余量由鋁合金或純鋁構(gòu)成。陶瓷的含量優(yōu)選為70-85體積％。如果陶瓷的含量小于50體積％，則所得復(fù)合材料的線熱膨脹系數(shù)增大，作為LED發(fā)光元件用的基板材料不理想。另一方面，如果陶瓷的含量超過90體積％，則復(fù)合化時(shí)無法使鋁合金或純鋁充分浸滲，其結(jié)果是熱導(dǎo)率降低， 因而不理想。
陶瓷可以以粉末的狀態(tài)進(jìn)行復(fù)合化，但優(yōu)選下述方式使用無機(jī)粘合劑制備成型體，或者，進(jìn)行燒結(jié)處理來制備具有10-50體積％的氣孔率的多孔體(以下，稱為預(yù)制體) 并進(jìn)行復(fù)合化。上述預(yù)制體的氣孔率的調(diào)整通過原料粉末的粒度調(diào)整、成型壓力、燒結(jié)條件等來進(jìn)行。預(yù)制體的成型方法可采用沖壓成型、澆鑄成型等普通的陶瓷粉末成型方法。 此外，根據(jù)需要將預(yù)制體加工成平板狀或圓柱狀后使用。而且，在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，由于所需加工的最終形狀是板厚為0. 05mm-0. 5mm的板狀，因此優(yōu)選采用3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為50MPa以上的預(yù)制體。如果預(yù)制體的強(qiáng)度較低，則通過磨削加工等方式加工成板厚為 0. 05mm-0. 5mm的板狀時(shí)可能發(fā)生翹曲。通過涂布有脫模劑的夾具等對預(yù)制體進(jìn)行固定后將多個(gè)預(yù)制體層疊并通過螺栓-螺母等連結(jié)而制成層疊體。固定預(yù)制體的夾具，可以使用鐵制或石墨制的夾具。此外， 也可使各夾具以夾持涂布有脫模劑的脫模板的方式進(jìn)行層疊從而形成層疊體。作為脫模板，可以使用不銹鋼板或陶瓷板，只要是在采用液態(tài)模鍛法的情況下不會被鋁合金浸滲的致密體就不受限制。此外，關(guān)于涂布于夾具或脫模板的脫模劑，可以使用石墨、氮化硼、氧化鋁等的脫模劑。而且，優(yōu)選在用氧化鋁溶膠等涂敷夾具或脫模板表面后涂布脫模劑。在約600°C -約800°C的溫度下加熱所得的層疊體后，在高壓容器內(nèi)配置1個(gè)或2 個(gè)以上所述層疊體，為防止層疊體的溫度降低而盡可能快速地供給已加熱至熔點(diǎn)以上的鋁合金熔液，并以30MPa以上的壓力加壓，使鋁合金在預(yù)制體的空隙中浸滲，由此得到復(fù)合材料。為了除去浸滲時(shí)的應(yīng)變，也可以對浸滲品進(jìn)行退火處理。如果層疊體的加熱溫度低于600°C的溫度，則鋁合金的復(fù)合化變得不充分，所得復(fù)合材料的熱導(dǎo)率等特性降低。此外，如果加熱溫度超過800°C，則與鋁合金復(fù)合化時(shí)陶瓷粉末的表面發(fā)生氧化，所得復(fù)合材料的熱導(dǎo)率等特性降低。而且，關(guān)于浸滲時(shí)的壓力，如果低于30MPa，則鋁合金的復(fù)合化變得不充分，所得復(fù)合材料的熱導(dǎo)率等特性降低，因而不理想。 浸滲壓力優(yōu)選為50MPa以上。本發(fā)明的復(fù)合材料基板所使用的復(fù)合材料中的鋁合金可以采用本領(lǐng)域所使用的任意的鋁合金，但在一種實(shí)施方式中，優(yōu)選使用含有70質(zhì)量％以上鋁的鋁合金。如果鋁含量低于70質(zhì)量％，則鋁合金的熱導(dǎo)率降低，因而不理想。此外，為了在浸滲時(shí)使鋁合金在預(yù)制體的空隙內(nèi)充分浸滲，優(yōu)選具有盡可能低的熔點(diǎn)。作為這種鋁合金，可以列舉例如含有 5-25質(zhì)量％硅的鋁合金。而且，如果含有0. 3-2. 0質(zhì)量％的鎂，則陶瓷與金屬部分的結(jié)合更加堅(jiān)固，因而優(yōu)選。關(guān)于鋁合金中的鋁、硅、鎂之外的金屬成分，只要在特性不極端變化的范圍內(nèi)就不受特別限制，例如，可以含有銅等。下面，對所得復(fù)合材料的加工方法的例子進(jìn)行說明。所得復(fù)合材料為圓柱狀時(shí)，通過外圓磨床等并使用金剛石磨石按照預(yù)定尺寸進(jìn)行外形加工，之后，通過多線切割機(jī)、內(nèi)圓切割機(jī)等裁切加工成比最終形狀厚約0. 1-約0.5mm的板厚。裁切方法沒有特殊限制，但優(yōu)選裁切所需余量少且適合量產(chǎn)的多線切割機(jī)。在利用多線切割機(jī)進(jìn)行裁切時(shí)可以通過游離磨粒型及附著有金剛石等的磨削材料的線進(jìn)行加工。通過雙面磨床、旋轉(zhuǎn)磨床、平面磨床、 精研機(jī)等加工機(jī)對裁切加工后的板狀的復(fù)合材料進(jìn)行表面加工，使得板厚為0. 05-0. 5mm, 且表面粗糙度(Ra)為0.01-0. 5 μ m。在進(jìn)行表面加工時(shí)，為了進(jìn)一步減小表面粗糙度，可以在通過雙面磨床、旋轉(zhuǎn)磨床、平面磨床等進(jìn)行表面加工后進(jìn)一步通過精研機(jī)進(jìn)行最終加工。 此外，在LED發(fā)光元件的制造工序中，在本發(fā)明的復(fù)合材料基板與III-V族半導(dǎo)體晶體接合后進(jìn)行研磨加工時(shí)，可以只對復(fù)合材料基板的單面(接合面)進(jìn)行表面加工并使其達(dá)到預(yù)定的表面粗糙度。在所得的復(fù)合材料為板狀的情況下，通過雙面磨床、旋轉(zhuǎn)磨床、平面磨床、精研機(jī)等加工機(jī)進(jìn)行表面加工，使得板厚為0. 05-0. 5mm,且表面粗糙度(Ra)為0. 01-0. 5 μ m之后，通過水射流加工機(jī)、放電加工機(jī)、激光加工機(jī)、劃片機(jī)、外圓磨床等按照預(yù)定形狀進(jìn)行外周加工。在所得復(fù)合材料為板狀的情況下，還可以先通過水射流加工機(jī)、放電加工機(jī)、激光加工機(jī)、劃片機(jī)、外圓磨床等按照預(yù)定形狀進(jìn)行外周加工之后，通過雙面磨床、旋轉(zhuǎn)磨床、 平面磨床、精研機(jī)等加工機(jī)進(jìn)行表面加工，使得板厚為0.05-0. 5mm，且表面粗糙度(Ra)為 0. 01-0. 5 μ m。然后，對如上加工為預(yù)定的板厚、表面粗糙度的板狀的復(fù)合材料體的表面進(jìn)行清洗之后，在表面形成厚度為0. 5-15 μ m的金屬層，該金屬層含有選自Ni、Co、Pd、Cu、Ag、Au、 Pt、Sn的1種以上的金屬。如果金屬層厚度為0. 5μπι以下，則金屬層產(chǎn)生針孔，耐化學(xué)性降低，因而不理想。另一方面，如果金屬層厚度超過15 μ m,那么金屬層與復(fù)合材料之間的熱膨脹差將引起金屬層剝離，或者所得的形成有金屬層的復(fù)合材料的線熱膨脹系數(shù)增大，因而不理想。關(guān)于金屬層厚度，更優(yōu)選為2-10 μ m。金屬層的材質(zhì)可以采用含有選自Ni、Co、 Pd、Cu、Ag、Au、Pt、Sn的1種以上的金屬，也可以使用它們的復(fù)合金屬。此外，金屬層也可以含有P、B等非金屬元素。作為金屬層的形成方法，通常通過非電解鍍敷或電解鍍敷來進(jìn)行。也可以通過鍍敷之外的蒸鍍法等方法在板狀的復(fù)合材料體的表面包覆上述金屬。此外，還可以通過下述方式形成金屬層，即通過蠟、粘接劑等使2張板狀的復(fù)合材料體貼合在一起，清洗表面后，通過非電解鍍敷或電解鍍敷，在表面形成厚度為 0. 5-15 μ m的金屬層，然后除去蠟、粘接劑等，從而在板狀的復(fù)合材料體的一個(gè)主面和側(cè)面形成金屬層，所述金屬層含有選自Ni、Co、Pd、Cu、Ag、Au、Pt、Sn的1種以上的金屬。另外，還可以通過下述方式形成金屬層，即通過有機(jī)片材或保護(hù)層包覆板狀的復(fù)合材料體的一個(gè)主面后，清洗表面之后，通過非電解鍍敷或電解鍍敷在表面形成厚度為 0. 5-15 μ m的金屬層，然后除去包覆層，從而在板狀的復(fù)合材料體的一個(gè)主面和側(cè)面形成金屬層，所述金屬層含有選自Ni、Co、Pd、Cu、Ag、Au、Pt、Sn的1種以上的金屬。此外，也可以對復(fù)合材料進(jìn)行外周加工及裁切等處理而形成板狀，制成板厚為 0.05-0. 5mm、表面粗糙度(Ra)為0. 01-0. 2 μ m的復(fù)合材料體后，清洗表面之后，通過非電解鍍敷或電解鍍敷在表面形成厚度為0. 5-15 μ m的含有選自Ni、Co、Pd、Cu、Ag、Au、Pt、Sn 的1種以上金屬的金屬層。然后，通過精研機(jī)等對一個(gè)主面進(jìn)行表面加工，使得表面粗糙度 (Ra)為 0. 01-0. 5 μ m。以下，通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但本發(fā)明不受下述實(shí)施例的限定。實(shí)施例(實(shí)施例1)<用于LED發(fā)光元件的復(fù)合材料基板的制備>稱取ISOOg的碳化硅(以下，也稱為SiC)粉末A (太平洋藍(lán)登株式會社公司(太平洋，> 夕‘Λ社)制、NG-60、平均粒徑200 μ m)、900g的碳化硅粉末B (太平洋藍(lán)登株式會社制、NG-600、平均粒徑20 μ m)、300g的碳化硅粉末C (太平洋藍(lán)登株式會社制、NG-6000、 平均粒徑2 μ m)及150g的成型粘合劑(甲基纖維素、信越化學(xué)工業(yè)株式會社(信越化學(xué)工業(yè)社)制、“MET0L0SE”)，通過攪拌混合機(jī)混合30分鐘后，以IOMPa的表面壓力沖壓成型為 Φ55πιπιΧ IlOmm的尺寸的圓柱狀之后，以IOOMPa的成型壓力進(jìn)行CIP成型從而制備出成型體。在大氣氣氛中、在600°C的溫度下對所得成型體進(jìn)行2小時(shí)脫脂處理之后，在氬氣氣氛中，在2100°C的溫度下進(jìn)行2小時(shí)燒結(jié)，制成氣孔率為20%的SiC預(yù)制體。通過加工中心使用金剛石制的磨石，將所得的SiC預(yù)制體加工成外形尺寸為c5 52mmX100mm的形狀。 然后，通過磨削加工制成3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度測定用試驗(yàn)體(3mmX4mmX40mm)，測定3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度。測得3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為120MPa。將氮化硼脫模劑涂布于所得SiC預(yù)制體，插入外形尺寸為70mmX70mmX 100mm(內(nèi)徑尺寸Φ52.5_Χ100_)的筒狀的石墨夾具而形成結(jié)構(gòu)體。然后，將石墨脫模材料涂布于70mmX IOOmmX 0. 8mmt的不銹鋼板來制備脫模板，將4個(gè)結(jié)構(gòu)體以夾持脫模板的方式層疊在一起，形成140. 8mmX 140. 8mmX IOOmm的形狀，在兩側(cè)配置12mm厚的鐵板，通過8根 MlO的螺栓連結(jié)而形成一個(gè)層疊體。然后，通過電爐將層疊體預(yù)加熱至700°C的溫度后，將其收納于預(yù)先加熱的內(nèi)徑0400mmX300mmH的沖壓模具內(nèi)，再注入含有12質(zhì)量％的硅和1 質(zhì)量％的鎂的鋁合金熔液(溫度800°C )，以IOOMPa的壓力加壓25分鐘使鋁合金浸滲到 SiC預(yù)制體中。冷卻至室溫后，通過濕式帶鋸機(jī)沿脫模板的形狀進(jìn)行裁切，剝離脫模板，通過車床除去石墨夾具部分，從而得到Φ52πιπιΧ100πιπι形狀的復(fù)合材料。為了除去浸滲時(shí)的應(yīng)變，在530°C的溫度下對所得復(fù)合材料進(jìn)行3小時(shí)退火處理。然后，通過磨削加工由所得復(fù)合材料制備熱膨脹系數(shù)測定用試驗(yàn)體(直徑 3mm、長度10mm)、熱導(dǎo)率測定用試驗(yàn)體(25mmX 25mmX Imm)、3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度測定用試驗(yàn)體 (3mmX4mmX40mm)、體積電阻率測定用試驗(yàn)體(50mmX50mmX5mm)。使用各試驗(yàn)體，通過熱膨脹儀(精工電子工業(yè)株式會社(七^ 二一電子工業(yè)社)制；TMA300)測定溫度為 25 V -150°C時(shí)的熱膨脹系數(shù)，通過激光閃光法(株式會社愛發(fā)科(7 ^ 々社)制； TC3000)測定溫度為25°C時(shí)的熱導(dǎo)率，通過彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測定3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，通過四端子法(根據(jù)JIS R1637)測定體積電阻率。其結(jié)果是，溫度為25°c-150°c時(shí)的熱膨脹系數(shù)為4. 9X 10—7K，溫度為25°C時(shí)的熱導(dǎo)率為250W/mK，3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為350MPa，體積電阻率為 8Χ1(Γ7Ω · m。通過外圓磨床并使用金剛石的磨石對復(fù)合材進(jìn)行外周加工而形成 Φ50. SmmXlOOmm的圓柱狀。通過多線切割機(jī)并使用金剛石磨粒以0. 2mm/分鐘的切入速度對所得的圓柱狀復(fù)合材料進(jìn)行裁切加工而形成板厚0. 2mm的圓板狀。通過雙面磨床并使用#600的金剛石磨石將圓板狀的復(fù)合材料磨削加工至板厚0. 12mm之后，通過精研機(jī)并使用金剛石磨粒研磨加工至板厚0. Imm之后，在純水中進(jìn)行超聲波清洗，然后在異丙醇中進(jìn)行超聲波清洗，再進(jìn)行干燥而制備出復(fù)合材料體。通過表面粗糙度儀測定表面粗糙度(Ra)， 結(jié)果是Ra為0. 04 μ m。然后，對上述復(fù)合材料體進(jìn)行非電解M-P鍍敷及非電解M-B鍍敷，在復(fù)合材料的表面形成5μπι厚(Ni-P :4ym+Ni-B :lym)的鍍層(金屬層)從而制備出復(fù)合材料基板。 所得復(fù)合材料基板的特性值如下算出通過體積比例并按照復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)由鍍層金屬的物性值和鍍敷前的復(fù)合材料體的物性值進(jìn)行計(jì)算。將結(jié)果示于表1。此外，將鍍敷后的復(fù)合材料基板在溫度為25°C的5當(dāng)量的HCl溶液及溫度為75°C的10當(dāng)量的NaOH溶液中分別浸漬1分鐘后，測定由各處理引起的單位面積的重量減少量。然后，通過表面粗糙度儀測定鍍敷后的復(fù)合材料基板的表面粗糙度(Ra)。將結(jié)果示于表2。[表 1]
權(quán)利要求
1.用于LED發(fā)光元件的復(fù)合材料基板，其特征在于，所述復(fù)合材料基板通過在多孔體中浸滲鋁合金或純鋁并加工成具有預(yù)定的板厚及表面粗糙度的復(fù)合材料體后在該復(fù)合材料體的表面形成厚度為0. 5-15 μ m的金屬層而制成，所述多孔體由選自碳化硅、氮化鋁、氮化硅、金剛石、石墨、氧化釔及氧化鎂的1種以上的物質(zhì)形成且氣孔率為10-50體積％，所述金屬層含有選自Ni、Co、Pd、Cu、Ag、Au、Pt、Sn的1種以上的金屬。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料基板，其特征在于，所述多孔體具有50MPa以上的3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，其通過液態(tài)模鍛法在30MPa以上的浸滲壓力下被所述鋁合金或純鋁浸滲。
3.如權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合材料基板，其特征在于，所述復(fù)合材料體的板厚為 0. 05-0. 5mm,表面粗糙度(Ra)為 0. 01-0. 5 μ m。
4.如權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合材料基板，其特征在于，所述復(fù)合材料體的板厚為 0. 05-0. 5mm、表面粗糙度(Ra)為0. 01-2 μ m,且形成了所述金屬層的一面被加工成表面粗糙度(Ra)為 0. 01-0. 5 μ m。
5.如權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合材料基板，其特征在于，溫度為25°C時(shí)的熱導(dǎo)率為 100-500W/mK，溫度為25°C _150°C時(shí)的線熱膨脹系數(shù)為4X 10_6/K-9X 10_6/K，3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為50MPa以上，體積電阻率為1 (Γ9-1(Γ5 Ω · m。
6.如權(quán)利要求5所述的復(fù)合材料基板，其特征在于，板厚為0.05mm-0. 5mm,至少一個(gè)主面的表面粗糙度(Ra)為0.01-0. 5 μ m，在溫度為25°C的5當(dāng)量的HCl溶液中浸漬1分鐘后的至少一個(gè)主面的重量減少量及在溫度為75°C的10當(dāng)量的NaOH溶液中分別浸漬1分鐘后的至少一個(gè)主面的重量減少量分別為0. 2mg/cm2以下。
7.用于LED發(fā)光元件的復(fù)合材料基板的制造方法，其特征在于，具有以下工序(a)準(zhǔn)備多孔體，所述多孔體由選自碳化硅、氮化鋁、氮化硅、金剛石、石墨、氧化釔及氧化鎂的1種以上物質(zhì)形成，且氣孔率為10-50體積％ ；(b)在所述多孔體中浸滲鋁或純鋁并加工成具有預(yù)定的板厚及表面粗糙度的復(fù)合材料體；(c)在所述復(fù)合材料體的表面形成厚度為0.5-15 μ m的金屬層，所述金屬層含有選自 Ni、Co、Pd、Cu、Ag、Au、Pt、Sn 的 1 種以上的金屬。
8.如權(quán)利要求7所述的制造方法，其特征在于，在工序(a)中，所述多孔體具有50MPa 以上的3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度；在所述工序(b)中，通過液態(tài)模鍛法在30MPa以上的浸滲壓力下，在所述多孔體中浸滲所述鋁合金或純鋁。
9.如權(quán)利要求7所述的制造方法，其特征在于，在工序(b)中，使復(fù)合材料體的板厚為 0. 05-0. 5mm,使表面粗糙度(Ra)為 0. 01-0. 5 μ m。
10.如權(quán)利要求7所述的制造方法，其特征在于，在工序(b)中，使復(fù)合材料體的板厚為 0. 05-0. 5mm，使表面粗糙度(Ra)為0. 01_2μπι ；在工序(c)中，將復(fù)合材料體的形成了金屬層的一面加工成表面粗糙度(Ra)為0. 01-0. 5 μ m。
11.LED發(fā)光元件的制造方法，其特征在于，具有以下工序(1)使III-V族半導(dǎo)體晶體在圓板狀或平板狀的單晶生長基板的一個(gè)主面上外延生長；(2)通過金屬層將權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的用于LED發(fā)光元件的復(fù)合材料基板接合于所述III-V族半導(dǎo)體晶體的表面之后，通過激光照射、蝕刻、磨削中的任一種方法除去所述單晶生長基板；(3)對所述III-V族半導(dǎo)體晶體的除去了所述單晶生長基板的一側(cè)的表面進(jìn)行加工并形成電極后，進(jìn)行裁切加工。
12.如權(quán)利要求11所述的LED發(fā)光元件的制造方法，其特征在于，單晶生長基板由選自單晶藍(lán)寶石、單晶碳化硅、單晶GaAs、單晶Si的材料制備。
13.如權(quán)利要求11或12所述的LED發(fā)光元件的制造方法，其特征在于，用選自A1N、 SiC、GaN, GaAs的材料對單晶生長基板進(jìn)行表面涂敷。
14.如權(quán)利要求11-13中任一項(xiàng)所述的LED發(fā)光元件的制造方法，其特征在于，III-V 族半導(dǎo)體晶體為GaN、GaAs、GaP中的任意一種。
15.LED發(fā)光元件，其特征在于，能夠通過權(quán)利要求11-14中任一項(xiàng)所述的LED發(fā)光元件的制造方法得到。
全文摘要
本發(fā)明提供與構(gòu)成LED的III-V族半導(dǎo)體晶體的線熱膨脹系數(shù)差較小且導(dǎo)熱性優(yōu)良，適合作為高功率LED使用的LED發(fā)光元件用基板。如下制備LED發(fā)光元件用復(fù)合材料基板通過液態(tài)模鍛法、以30MPa以上的浸滲壓力使鋁合金或純鋁浸滲多孔體，裁切和/或磨削加工成板厚為0.05-0.5mm、表面粗糙度(Ra)為0.01-0.5μm后，在表面形成含有選自Ni、Co、Pd、Cu、Ag、Au、Pt、Sn中的1種以上的金屬的金屬層，使得金屬層厚度達(dá)到0.5-15μm，所述多孔體由選自碳化硅、氮化鋁、氮化硅、金剛石、石墨、氧化釔及氧化鎂中的1種以上形成，氣孔率為10-50體積％，3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為50MPa以上。
文檔編號C23C30/00GK102318093SQ201080007859
公開日2012年1月11日 申請日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月13日
發(fā)明者塚本秀雄, 廣津留秀樹, 石原庸介 申請人:電氣化學(xué)工業(yè)株式會社