ＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板、その製造方法及びＬＥＤ発光素子。
【課題】本発明が解決しようとする課題は、ＬＥＤを構成するIII−Ｖ族半導体結晶と線熱膨張率の差が小さく、かつ熱伝導性に優れ、高出力ＬＥＤ用として好適なＬＥＤ発光素子用基板を提供することであり、更に、ＬＥＤ発光素子製造時に使用される酸及びアルカリ溶液に対する、耐薬品性に優れた、高出力ＬＥＤ用として好適なＬＥＤ発光素子用基板を提供することである。
【解決手段】炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、ダイヤモンド及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上からなり、気孔率が１０〜５０体積％、３点曲げ強度が５０ＭＰａ以上である多孔体に、溶湯鍛造法にて含浸圧力３０ＭＰａ以上でアルミニウム合金を含浸し、板厚０．０５〜０．５ｍｍで、表面粗さ（Ｒａ）０．０１〜０．５μｍに、切断及び／又は研削加工した後、表面にＤＬＣ膜を厚みが０．１〜１０μｍとなるように形成して、ＬＥＤ発光素子用の金属基複合材料基板を提供することができた。
【解決手段】炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、ダイヤモンド及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上からなり、気孔率が１０〜５０体積％、３点曲げ強度が５０ＭＰａ以上である多孔体に、溶湯鍛造法にて含浸圧力３０ＭＰａ以上でアルミニウム合金を含浸し、板厚０．０５〜０．５ｍｍで、表面粗さ（Ｒａ）０．０１〜０．５μｍに、切断及び／又は研削加工した後、表面にＤＬＣ膜を厚みが０．１〜１０μｍとなるように形成して、ＬＥＤ発光素子用の金属基複合材料基板を提供することができた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（以下ＬＥＤと云う）素子用の金属基複合材料基板及びそれを用いたＬＥＤ発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤは、半導体のｐｎ接合に順方向電流を流すと発光する素子であり、ＧａＡｓ，ＧａＮ等のIII−Ｖ族半導体結晶を用いて製造される。近年、半導体のエピタキシャル成長技術と発光素子プロセス技術の進歩により、変換効率の優れるＬＥＤが開発され、様々な分野において幅広く使用されている。
【０００３】
ＬＥＤは、単結晶成長基板上にIII−Ｖ族半導体結晶をエピタキシャル成長させたｐ型層とｎ型層及び両者に挟まれる光活性層から構成される。一般的には、単結晶サファイア等の成長基板上に、ＧａＮ等のIII−Ｖ族半導体結晶をエピタキシャル成長させた後、電極等を形成しＬＥＤ発光素子を形成する（特許文献１）。
【０００４】
単結晶成長基板上に、III−Ｖ族半導体結晶をエピタキシャル成長させる場合、単結晶成長基板とIII−Ｖ族半導体結晶の格子定数が異なるため、良好な単結晶を成長させることが難しい。このため、サファイア基板上に低温でＧａＮ等のバッファー層を形成し、その上にＧａＮをエピタキシャル成長させる方法が提案されている（特許文献２）。しかし、この手法を用いても、サファイア基板とＧａＮとの線熱膨張係数差のために、エピタキシャル成長後の基板に反りが発生したり、最悪の場合には基板が割れるという課題がある。線熱膨張係数が、III−Ｖ族半導体結晶に近い基板材料が求められている。
【０００５】
一方、単結晶サファイア基板等の単結晶成長基板は、熱伝導性が良くないという課題がある。単結晶サファイアの場合、熱伝導率が４０Ｗ／ｍＫ程度であり、ＧａＮ等のIII−Ｖ族半導体素子で発生する熱を十分に放熱することができない。特に、大電流を流す高出力ＬＥＤでは素子の温度が上昇して、発光効率の低下や素子寿命の低下が起きるという課題がある。このため、単結晶成長基板上にIII−Ｖ族半導体結晶をエピタキシャル成長させた後に、金属層を介して高熱伝導性の基板を接合し、その後、単結晶成長基板を除去する方法が提案されている（特許文献３）。このため、高熱伝導性の基板として、熱伝導性に優れる銅等の材料が検討されているが、III−Ｖ族半導体結晶と線熱膨張係数差が大きく、高出力ＬＥＤ用に十分満足できるものではなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１１７００６号公報
【特許文献２】特公平５−７３２５２号公報
【特許文献３】特開２００６−１２８７１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、ＬＥＤを構成するIII−Ｖ族半導体結晶と線熱膨張率の差が小さく、かつ熱伝導性に優れ、高出力ＬＥＤ用として好適なＬＥＤ発光素子用基板を提供することである。
【０００８】
更に、本発明が解決しようとする課題は、ＬＥＤ発光素子製造時に使用される酸及びアルカリ溶液に対する、耐薬品性に優れた、高出力ＬＥＤ用として好適なＬＥＤ発光素子用基板を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
即ち、本発明は、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、ダイヤモンド及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上からなり、気孔率が１０〜５０体積％の平板状の多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなる金属基複合材料であって、板厚が０．０５ｍｍ〜１ｍｍで、表面が０．０１〜１０μｍのＤＬＣ膜で覆われ、少なくとも一主面の表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜０．５μｍであることを特徴とするＬＥＤ発光素子用金属基複合材料である。
【００１０】
また、本発明は、温度２５℃の熱伝導率が１００〜５００Ｗ／ｍＫ、温度２５℃〜１５０℃の線熱膨張係数が４〜９×１０-6／Ｋ、３点曲げ強度が５０ＭＰａ以上、体積固有抵抗が１０-9〜１０-5Ω・ｍである。更に、本発明は、温度２５℃の５規定のＨＣｌ溶液及び温度７５℃の１０規定のＮａＯＨ溶液にそれぞれ１分間浸漬したときの少なくとも一主面の重量減少量が０．２ｍｇ／ｃｍ２以下である。
【００１１】
加えて、本発明は、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、ダイヤモンド及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上からなり、気孔率が１０〜５０体積％、３点曲げ強度が５０ＭＰａ以上である多孔体に、溶湯鍛造法にて含浸圧力３０ＭＰａ以上でアルミニウム合金を含浸し、板厚０．０５〜１ｍｍで、表面粗さ（Ｒａ）０．０１〜１μｍに、切断及び／又は研削加工した後、表面にダイヤモンドライクカーボン（Diamond-like Carbon：以下ＤＬＣと云う）膜を厚みが０．１〜１０μｍとなるように形成することを特徴とするＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板の製造方法である。
【００１２】
更に、本発明は、下記の工程を順次経て製造される、ＬＥＤ発光素子である。
（１）円板状又は平板状の単結晶成長基板の一主面上に、III−Ｖ族半導体結晶をエピタキシャル成長させる工程。
（２）III−Ｖ族半導体結晶面に金属層を介して、請求項３又は４記載のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板を接合し、裏面をレーザー照射、エッチング、研削のいずれかの方法により、単結晶成長基板を除去する工程。
（３）III−Ｖ族半導体結晶面の表面加工、電極形成を行った後、切断加工する工程。
【００１３】
加えて、本発明は、単結晶成長基板が、単結晶サファイア、単結晶炭化珪素、単結晶ＧａＡｓ、単結晶Ｓｉの群から選ばれることを特徴とするＬＥＤ発光素子、又は、単結晶成長基板が、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓの群から選ばれる材料で表面コーティングされたことを特徴とするＬＥＤ発光素子である。更に加えて、本発明は、III−Ｖ族半導体結晶が、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰのいずれかであることを特徴とするＬＥＤ発光素子である。
【発明の効果】
【００１４】
ＬＥＤを構成するIII−Ｖ族半導体結晶と線熱膨張率の差の小さい、高熱伝導性のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板が得られる。このＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板を用いることにより、放熱性、信頼性に優れた高出力のＬＥＤ発光素子を提供することができる。更に、本発明のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板は、ＬＥＤ発光素子製造時に使用される酸及びアルカリ溶液に対する耐薬品性に優れると共に、導電性であり、ＬＥＤを構成するIII−Ｖ族半導体結晶の両面に電極を形成することができる。そのため、ＬＥＤ発光素子の製造プロセスの低減、並びに単位面積当たりの発光量の増加を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態を示す、ＬＥＤ発光素子の概略断面図
【図２】本発明の一実施の形態を示す、ＬＥＤ発光素子の概略断面図
【図３】本発明の一実施の形態を示す、ＬＥＤ発光素子の概略断面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明で用いる単結晶成長基板は、後の工程でエピタキシャル成長させるIII−Ｖ族半導体結晶との格子定数の差が小さく、かつ欠陥の少ない材料が必要である。結晶性と均一性の点から、単結晶材料を加工して用いるのが一般的である。これらの単結晶成長基板は、III−Ｖ族半導体結晶をエピタキシャル成長させる工程における温度、雰囲気に耐えることが必要である。このため、本発明で用いる単結晶成長基板用の材料は、単結晶サファイア、単結晶炭化珪素、単結晶ＧａＡｓ、単結晶Ｓｉの群から選ばれることが好ましい。更に、本発明で用いる単結晶成長基板は、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓの群から選ばれる材料で表面コーティングされることが好ましい。
【００１７】
ＬＥＤを構成するIII−Ｖ族半導体結晶は、ＬＥＤ発光素子としての変換効率の点から、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰのいずれかであることが好ましい。これらのIII−Ｖ族半導体結晶は高い発光効率が得られ、用途に応じて使い分けられる。III−Ｖ族半導体結晶は、用途毎の最適発光波長に応じて選択される。
【００１８】
本発明では、先ず、これらの単結晶成長基板の一主面上にエピタキシャル成長で、III−Ｖ族半導体結晶を成長させる。III−Ｖ族半導体結晶のエピタキシャル成長は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）又はハライド気相エピタキシャル法（ＨＶＰＥ法）により行うことが好ましい。ＭＯＣＶＤ法は、結晶性の良いIII−Ｖ族半導体結晶を成長させるのに適しており、ＨＶＰＥ法は、結晶成長速度が速く、効率よくIII−Ｖ族半導体結晶を成長させることができる。これらの方法は公知であり、実施条件は適宜設定することができる。エピタキシャル成長の方法は、III−Ｖ族半導体結晶を成長させることのできる方法であれば、前記の方法に限定されるものではない。
【００１９】
エピタキシャル成長させたIII−Ｖ族半導体結晶は、発光特性を更に向上させるため、表面処理を施すことも可能である。また、結晶表面の均一性等を向上させるため、表面をエッチング処理や研磨処理することもある。金属基複合材料基板と接合するため、III−Ｖ族半導体結晶の表面に蒸着法、スパッタ法等の手法により、金属層を形成する。金属層は、インジウム、アルミニウム、金、銀及びこれらの合金が好ましい。金属層の厚みは、金属の線熱膨張係数がIII−Ｖ族半導体結晶と異なる為、極端に厚いと密着性が低下して好ましくない。金属層の熱伝導率が低い場合は、放熱の面からも好ましくない。このため、金属層の厚みは、０．５〜１０μｍであることが好ましく、更に好ましくは、０．５〜２μｍである。
【００２０】
III−Ｖ族半導体結晶に接合するため、金属基複合材料基板にも、同様に表面に蒸着法、スパッタ法等により、金属層を形成する。金属層は、インジウム、アルミニウム、金、銀及びこれらの合金が好ましい。金属基複合材料基板に求められる特性は、（１）接合に耐え得る強度を有すること（２）接合面にボイドや異物等の介在物が無く、接合面が平坦であることである。（１）の条件を満たすには、金属基複合材料基板の３点曲げ強度が５０ＭＰａ以上であり、好ましくは２００ＭＰａ以上である。（２）の条件を満たすには、金属基複合材料基板の表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜０．５μｍであり、好ましくは、０．０１〜０．２μｍである。
【００２１】
III−Ｖ族半導体結晶と金属基複合材料基板の接合は、必要に応じて加圧を行いながら、接合面を合わせた状態で加熱して行う。加熱温度は金属層の種類によって異なるが、一般に２５０℃〜５５０℃である。加圧の圧力は、２〜２０ＭＰａが一般的である。
【００２２】
金属基複合材料基板は、III−Ｖ族半導体結晶と接合して用いる為、両材料の線熱膨張係数の差が小さいことが重要である。このため、金属基複合材料基板の温度２５℃〜１５０℃の線熱膨張係数が４〜９×１０-6／Ｋであることが好ましい。更に好ましくは、４〜７×１０-6／Ｋである。金属基複合材料基板の温度２５℃〜１５０℃での線熱膨張係数が４〜９×１０-6／Ｋの範囲を外れた場合、接合するIII−Ｖ族半導体結晶又は成長基板との線熱膨張係数差により、接合後に反りが発生したり、ＬＥＤ発光素子として使用する際に接合層の剥離が発生したり、III−Ｖ族半導体結晶が割れてしまう場合があり好ましくない。
【００２３】
本発明の金属基複合材料基板は、ＬＥＤ発光素子のベース基板となる。当該基板を介して、III−Ｖ族半導体素子で発生する熱の大半を放熱することとなり、当該基板には高い放熱特性が要求される。このため、金属基複合材料基板の温度２５℃での熱伝導率は、１００〜５００Ｗ／ｍＫであることが好ましく、更に好ましくは、１５０〜５００Ｗ／ｍＫである。熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ未満では、III−Ｖ族半導体素子で発生する熱を十分に放熱することができず、特に大電流を流す必要のある高出力ＬＥＤでは、素子の温度が上がり発光効率の低下、それに伴う素子寿命の低下が起こり好ましくない。一方、熱伝導率の上限値に関しては、特性面からの制約はないが、基板材料が極端に高価になってしまう。
【００２４】
放熱性の面から、金属基複合材料基板の板厚は薄い方が好ましい。一方で、III−Ｖ族半導体素子の保持及びＬＥＤ発光素子作製時のハンドリング等に耐え得る強度が必要なため、一定の板厚が必要である。金属基複合材料基板の板厚は、０．０５ｍｍ〜１ｍｍが好ましく、０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍがより好ましい。金属基複合材料基板の板厚が１ｍｍを超えるとＬＥＤ発光素子の放熱特性が低下して好ましくない。本発明の金属基複合材料基板は、III−Ｖ族半導体結晶と接合した後、必要に応じて研磨等により薄板化することもできる。
【００２５】
本発明では、III−Ｖ族半導体結晶と金属基複合材料基板とを金属層を介して接合した後、単結晶成長基板を除去する。単結晶成長基板の除去は、基板側よりレーザー照射を行い除去する方法が一般的である。この他にも、研磨やエッチングにより単結晶成長基板を除去することもできる。単結晶成長基板を除去したIII−Ｖ族半導体結晶面は、必要に応じて表面の研磨、エッチングを行い所望する表面形状に仕上げた後、蒸着法、スパッタ法等の手法により、電極を形成する。更に、レーザーカット又はダイシングにて所定形状に切断して、ＬＥＤ発光素子を製造する。
【００２６】
本発明の金属基複合材料基板には、ＬＥＤ発光素子製造プロセスでの耐薬品特性が必要であり、具体的には、温度２５℃の５規定のＨＣｌ溶液及び温度７５℃の１０規定のＮａＯＨ溶液にそれぞれ１分間浸漬したときの少なくとも一主面の単位面積当たりの重量減少量の合計が０．２ｍｇ／ｃｍ２以下が好ましく、更に好ましくは、重量減少量が０．１ｍｇ／ｃｍ２以下である。温度２５℃の５規定のＨＣｌ溶液及び温度７５℃の１０規定のＮａＯＨ溶液にそれぞれ１分間浸漬したときの単位面積当たりの重量減少量が０．２ｍｇ／ｃｍ２を超えると、金属基複合材料中の金属成分の溶出に伴う熱伝導率等の特性低下が発生すると共に、レーザーカット又はダイシングにて所定形状に切断する際にチッピングが発生し、ＬＥＤ発光素子の歩留まりが低下するために好ましくない。本発明の金属基複合材料基板の実使用においては、金属基複合材料基板の一主面は、III−Ｖ族半導体結晶と金属層を介して接合されるため、非接合面が、上述した耐薬品特性を満たすものであればよい。
【００２７】
本発明の金属基複合材料は、基板自体が導電性を有している。このため、ＬＥＤを構成するIII−Ｖ族半導体結晶の両面に電極を形成することができる。サファイア基板等の絶縁材料を基板として用いる場合、上部のｐ型又はｎ型のIII−Ｖ族半導体結晶の一部をエッチング等で除去して、同一面側に電極を形成する必要がある。本発明では、ＬＥＤ発光素子の製造プロセスの低減が可能である。更に、ｐ型又はｎ型の片方のIII−Ｖ族半導体結晶の一部をエッチング等で除去して電極形成する必要がないため、ＬＥＤ発光素子の単位面積当たりの発光量を増加させることができる。本発明の金属基複合材料の体積固有抵抗は、１０-9〜１０-5Ω・ｍが好ましい。体積固有抵抗が１０-5Ω・ｍを超えると、発光効率の低下等が起こりこの好ましくない。体積固有抵抗の下限値は、特性面での制約はないが、材料組成から１０-9Ω・ｍ以上が一般的である。
【００２８】
金属基複合材料の製法は、含浸法と粉末冶金法の２種に大別される。このうち、熱伝導率等の特性面から実際に商品化されているのは、含浸法によるものである。含浸法にも種々の製法があり、常圧で行う方法と、高圧下で行う方法（高圧鍛造法）がある。高圧鍛造法には、溶湯鍛造法とダイキャスト法がある。本発明に好適な方法は、高圧下で含浸を行う高圧鍛造法であり、熱伝導率等の特性に優れた緻密な複合体を得るには溶湯鍛造法が好ましい。溶湯鍛造法は、高圧容器内に、セラミックス粉末又は成形体を装填し、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複合材料を得る方法である。
【００２９】
以下、溶湯鍛造法による製法例を説明する。原料であるセラミックスは、熱伝導率が高く、線熱膨張係数の小さい材料を用いる必要がある。本発明では、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、ダイヤモンド及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上を用いる。本発明の金属基複合材料は、これらのセラミックスとアルミニウム合金を複合化することにより、熱伝導率及び線熱膨張係数を調整することができる。本発明の金属基複合材料は、これらのセラミックスを５０〜９０体積％含有し、残部がアルミニウム合金からなる複合材料である。セラミックスの含有量は、好ましくは７０〜８５体積％である。セラミックスの含有量が５０体積％未満では、得られる金属基複合材料の線熱膨張係数が大きくなり、ＬＥＤ発光素子用の基板材料として好ましくない。一方、セラミックスの含有量が９０体積％を超えると、複合化時にアルミニウム合金を十分に含浸させることができず、その結果、熱伝導率が低下してしまい好ましくない。
【００３０】
セラミックスは、粉末のまま複合化することもできるが、無機バインダーを用いて成形体を作製するか、焼結処理を行って１０〜５０体積％の気孔率を有する多孔体（以下プリフォームと云う）を作製して複合化することが好ましい。このプリフォームの気孔率の調整は、原料粉末の粒度調整、成形圧力、焼結条件等によって行う。プリフォームの成形方法は、プレス成形、鋳込み成形等の一般的なセラミックス粉末の成形方法で成形することができる。また、プリフォームは、必要に応じて平板状や円柱状に加工して用いる。更に、本発明では、最終形状として板厚が０．０５ｍｍ〜１ｍｍの板状に加工するため、３点曲げ強度が５ＭＰａ以上のプリフォームを用いることが好ましい。プリフォームの強度が低いと、研削加工等で板厚を０．０５ｍｍ〜１ｍｍの板状に加工する際に、反りが発生することがある。
【００３１】
プリフォームは、離型剤を塗布した治具等で固定し、複数個を積層してボルト−ナット等で連結して積層体とする。プリフォームを固定する治具は、鉄製や黒鉛製の治具を用いることができる。また、個々の治具は、離型剤を塗布した離型板を挟んで積層し、積層体とすることもできる。離型板としては、ステンレス板やセラミックス板を使用することがで、溶湯鍛造法にてアルミニウム合金が含浸されない緻密体であれば特に制限はない。また、治具や離型板に塗布する離型剤については、黒鉛、窒化ホウ素、アルミナ等の離型剤が使用できる。更に、好ましくは、治具や離型板表面をアルミナゾル等によりコーティングした後、離型剤を塗布することが好ましい。
【００３２】
得られた積層体は、温度６００〜８００℃程度で加熱後、高圧容器内に１個または２個以上配置し、積層体の温度低下を防ぐために出来るだけ速やかに、融点以上に加熱したアルミニウム合金の溶湯を給湯して３０ＭＰａ以上の圧力で加圧し、アルミニウム合金をプリフォームの空隙中に含浸させることで、金属基複合材料が得られる。なお、含浸時の歪み除去の目的で、含浸品のアニール処理を行うこともある。
【００３３】
積層体の加熱温度は、温度６００℃未満では、アルミニウム合金の複合化が不十分となり、得られる金属基複合材料の熱伝導率等の特性が低下してしまう。また、加熱温度が８００℃を超えると、アルミニウム合金との複合化時に、セラミックス粉末の表面の酸化が起こり、得られる金属基複合材料の熱伝導率等の特性が低下してしまう。更に、含浸時の圧力に関しては、３０ＭＰａ未満では、アルミニウム合金の複合化が不十分となり、得られる金属基複合材料の熱伝導率等の特性が低下してしまい好ましくない。好ましくは、含浸圧力は、５０ＭＰａ以上である。
【００３４】
本発明の金属基複合材料中のアルミニウム合金は、アルミニウムを７０質量％以上含有するアルミニウム合金である。アルミニウムの含有量が７０質量％未満では、アルミニウム合金の熱伝導率が低下し好ましくない。また、アルミニウム合金は、含浸時にプリフォームの空隙内に十分に浸透するために融点がなるべく低いことが好ましい。このようなアルミニウム合金として、例えばシリコンを５〜２５質量％含有したアルミニウム合金が挙げられる。更にマグネシウムを含有させることは、セラミックス粒子と金属部分との結合がより強固になり好ましい。アルミニウム合金中のアルミニウム、シリコン、マグネシウム以外の金属成分に関しては、極端に特性が変化しない範囲であれば特に制限はなく、例えば銅等が含まれていても良い。
【００３５】
次に、得られた金属基複合材料の加工方法の例を説明する。得られた金属基複合材料が円柱状の形状である場合、円筒研削盤等によりダイヤモンド砥石を用いて所定寸法に外形加工した後、マルチワイヤーソー、内周刃切断機等で最終形状より０．１〜０．５ｍｍ程度厚い板厚に切断加工する。切断方法については、特に限定はないが、切断代が少なく量産性に適したマルチワイヤーソーでの切断が好適である。マルチワイヤーソーでの切断は、遊離砥粒タイプ及びダイヤモンド等の研削材を付着したワイヤーを用いた加工が採用できる。切断加工後の板状の金属基複合材料は、両面研削盤、ロータリー研削盤、平面研削盤、ラップ盤等の加工機で、板厚が０．０５〜１ｍｍ、且つ、表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜１μｍになるように面加工を行う。面加工に際しては、表面粗さを、更に小さくするために、両面研削盤、ロータリー研削盤、平面研削盤等で面加工した後、ラップ盤で仕上げ加工を行うこともある。また、ＬＥＤ発光素子の製造工程で、本発明の金属基複合材料基板をIII−Ｖ族半導体結晶と接合後に研磨加工する場合は、片面（接合面）のみに、所定の表面粗さまで面加工を行うこともある。
【００３６】
得られた金属基複合材料が板状である場合、両面研削盤、ロータリー研削盤、平面研削盤、ラップ盤等の加工機で、板厚が０．０５〜１ｍｍ、且つ、表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜１μｍになるように面加工を行った後、ウォータージェット加工機、放電加工機、レーザー加工機、ダイシングマシン、円筒研削盤等で所定形状に外周加工を行う。得られた金属基複合材料が板状である場合、先にウォータージェット加工機、放電加工機、レーザー加工機、ダイシングマシン、円筒研削盤等で所定形状に外周加工を行い、その後両面研削盤、ロータリー研削盤、平面研削盤、ラップ盤等の加工機で、板厚が０．０５〜１ｍｍ、且つ、表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜１μｍになるように面加工を行うこともできる。
【００３７】
次に、板状の金属基複合材料は、表面を洗浄後、表面に厚みが０．１〜１０μｍのＤＬＣ膜を形成する。ＤＬＣ膜厚が０．１μｍ以下では、ＤＬＣ膜のピンホールが発生し、耐薬品性が低下して好ましくない。一方、ＤＬＣ膜厚が１０μｍを超えると、ＤＬＣ膜と金属基複合材料の線千熱膨張係数が異なる場合、両材料の熱膨張差による応力の発生、剥離の発生があり好ましくない。ＤＬＣ膜厚に関しては、より好ましくは０．３〜２μｍである。
【００３８】
ＤＬＣ膜を構成するＤＬＣ材料とは、炭素元素を主として構成される非晶質組織を有するものであって、炭素同士の結合形態がダイヤモンド結合とグラファイト結合の両方からなる。具体的には、炭素元素のみからなるアモルファスカーボン、水素を含有する水素アモルファスカーボン、更には、チタンやリン等の金属元素を一部に含むメタルカーボンが挙げられるが、本発明に用いるＤＬＣとしては、特にこれらに限定されるものではない。
【００３９】
ＤＬＣ膜は、板状の金属基複合材料上に直接形成することも、必要に応じて、アルミニウム、シリコン等からなる中間層を介して形成することもできる。また、本発明では、板状の金属基複合材料の表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜１μｍであるため、均一で且つピンホールの無いＤＬＣ膜を形成することができる。
【００４０】
ＤＬＣ膜の成膜方法としては、特に限定されず、例えば、イオン化蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、プラズマＣＶＤ法、プラズマイオン注入成膜法、ホローカソードアーク法、真空アーク蒸着法などを適用することができる。
【００４１】
また、本発明では、ＤＬＣ膜を形成した後に、表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜０．５μｍに成る様に面加工することもできる。
【実施例】
【００４２】
（実施例１）
〈ＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板の作製〉
炭化珪素（以下、ＳｉＣという）粉末Ａ（大平洋ランダム社製、ＮＧ−６０、平均粒子径２００μｍ）１８００ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（大平洋ランダム社製、ＮＧ−６００、平均粒子径２０μｍ）９００ｇ、炭化珪素粉末Ｃ（大平洋ランダム社製、ＮＣ−６０００、平均粒子径２μｍ）３００ｇ、及び成形バインダー（メチルセルロース、信越化学工業社製、「メトローズ」）１５０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ５５ｍｍ×１１０ｍｍの寸法の円柱状に面圧１０ＭＰａでプレス成形した後、成形圧力１００ＭＰａでＣＩＰ成形して成形体を作製した。
【００４３】
得られた成形体を、大気雰囲気中、温度６００℃で２時間脱脂処理後、アルゴン雰囲気下、温度２１００℃で２時間焼成して、気孔率が２０体積％のＳｉＣプリフォームを作製した。得られたＳｉＣプリフォームを、マシニングセンターでダイヤモンド製の砥石を用いて、外形寸法がΦ５２ｍｍ×１００ｍｍの形状に加工した。さらに、研削加工により３点曲げ強度測定用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）を作製し、３点曲げ強度を測定した。３点曲げ強度は１２０ＭＰａであった。
【００４４】
得られたＳｉＣプリフォームに窒化硼素の離型剤を塗布し、外形寸法：７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ（内径寸法：Φ５２．５ｍｍ×１００ｍｍ）の筒状の黒鉛治具に挿入して構造体とした。次に、７０ｍｍ×１００ｍｍ×０．８ｍｍｔのステンレス板に黒鉛離型材を塗布して離型板を作製し、１４０．８ｍｍ×１４０．８ｍｍ×１００ｍｍの形状となる様に構造体４個を離型板を挟んで積層して、両側に１２ｍｍ厚みの鉄板を配置して、Ｍ１０のボルト８本で連結して一つの積層体とした。次に、積層体を電気炉で温度７００℃に予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいた内径Φ４００ｍｍ×３００ｍｍＨのプレス型内に収め、シリコンを１２質量％及びマグネシウムを１質量％含有するアルミニウム合金の溶湯（温度：８００℃）を注ぎ、１００ＭＰａの圧力で２５分間加圧してＳｉＣプリフォームにアルミニウム合金を含浸させた。室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて離型板の形状に沿って切断し、離型板を剥がし、旋盤で黒鉛治具部分を除去してΦ５２ｍｍ×１００ｍｍ形状の金属基複合材料を得た。得られた金属基複合材料は、含浸時の歪み除去のために５３０℃の温度で３時間アニール処理を行った。
【００４５】
次に、得られた金属基複合材料から、研削加工により熱膨張係数測定用試験体（直径３ｍｍ長さ１０ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）、３点曲げ強度測定用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）、体積固有抵抗測定用試験体（５０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍ）を作製した。それぞれの試験体を用いて、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数を熱膨張計（セイコー電子工業社製；ＴＭＡ３００）で、温度２５℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法（アルバック社製；ＴＣ３０００）で、３点曲げ強度を曲げ強度試験機で、体積固有抵抗を４端子法（ＪＩＳ Ｒ１６３７に準拠）で測定した。その結果、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数は４．９×１０−６／Ｋ、温度２５℃での熱伝導率は２５０Ｗ／ｍＫ、３点曲げ強度は３５０ＭＰａ、体積固有抵抗は８×１０−７Ω・ｍであった。
【００４６】
金属基複合材料を、円筒研削盤でダイヤモンドの砥石を用いて、Φ５０．８ｍｍ×１００ｍｍの円柱形状に外周加工を行った。得られた円柱形状の金属基複合材料を、マルチワイヤーソーでダイヤモンド砥粒を用い、切断切り込み速度０．２ｍｍ／ｍｉｎで、板厚０．３ｍｍの円板状に切断加工を行った。円板状の金属基複合材料を、両面研削盤で＃６００のダイヤモンド砥石を用いて板厚０．２２ｍｍに研削加工した後、ラップ盤でダイヤモンドの砥粒を用いて、板厚０．２ｍｍでまで研磨加工を行った後、純水中、次にイソプロピルアルコール中で超音波洗浄を行い、乾燥して金属基複合材料基板を作製した。表面粗さ（Ｒａ）を表面粗さ計で測定した結果、Ｒａ０．０５μｍであった。
【００４７】
次に、この金属基複合材料を、ＣＶＤ法により複合材料の表面に１μｍ厚のＤＬＣ膜を形成した。得られた、金属基複合材料の特性値は、ＤＬＣ膜の物性値と処理前の金属基複合材料の物性値から、計算により算出した。その結果を表１に示す。また、ＤＬＣ膜形成後の金属基複合材料を、温度２５℃の５規定のＨＣｌ溶液及び温度７５℃の１０規定のＮａＯＨ溶液に１分間浸漬し、個々の処理による単位面積当たりの重量減少量を測定した。更に、めっき後の金属基複合材料をの表面粗さ（Ｒａ）を表面粗さ計で測定した。その結果を表２に示す。
【００４８】
【表１】
【００４９】
【表２】
【００５０】
〈ＬＥＤ発光素子の作製〉
板厚が０．５ｍｍの単結晶サファイア基板上に、アンモニアガスとトリメチルガリウムを使用し、キャリアガスとして水素と窒素の混合ガスを用いて、温度１１００℃でＭＯＣＶＤ法により、（１）〜（４）のＧａＮ単結晶を４μｍの厚さに成長させた。図１に構造を示す。
（１）ｎ型ＧａＮバッファー層 ２
（２）ｎ型ＧａＮ半導体層 ３
（３）ＧａＮ活性層（発光層） ４
（４）ｐ型ＧａＮ半導体層 ５
【００５１】
次に、ｐ型ＧａＮ半導体層の表面に、真空蒸着法で、銀／錫合金を２μｍの厚さに蒸着した。一方、ＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板の片側の表面にも、同様の方法で銀／錫合金を２μｍの厚さに蒸着した。両基板を銀／錫合金層が接する図１の様に積層し、温度４００℃で、５ＭＰａの加圧下で５分間保持し接合した。得られた接合体は、サファイア基板側より、出力４０ＭＷ／ｃｍ2となるように、窒素ガスレーザーを照射し、サファイア基板を剥離した。レーザー照射により、ｎ型ＧａＮバッファー層がＧａと窒素に分解されて、発生した窒素ガスによりサファイア基板を剥離することができた。
【００５２】
その後、表面に露出したｎ型ＧａＮバッファー層をエッチングにより除去した後、酸化インジウム錫の透明導電体層を形成した。その後、ｎ型電極としてＡｕを蒸着して、ダイシングにより、個々のＬＥＤ発光素子とした。
【００５３】
（実施例２〜７、比較例１、２）
実施例１で作製したΦ５０．８ｍｍ×０．１ｍｍｔの金属基複合材料を、ＣＶＤ法及びＰＶＤ法により、複合材料の表面に表４に示すＤＬＣ膜を形成した。実施例７は、金属基複合材料の表面に、中間層としてアルミニウム層をスパッタ法により０．４μｍの厚さに成膜した後、ＤＬＣ膜を形成した。得られた金属基複合材料の特性値を表３に示す。また、ＤＬＣ膜形成後の金属基複合材料を、温度２５℃の５規定のＨＣｌ溶液及び温度７５℃の１０規定のＮａＯＨ溶液に１分間浸漬し、個々の処理による単位面積当たりの重量減少量を測定した。更に、ＤＬＣ膜形成後の金属基複合材料の表面粗さ（Ｒａ）を表面粗さ計で測定した。その結果を表４に示す。比較例２は、表面に形成したＤＬＣ膜が剥離し、特性評価を実施出来なかった。
【００５４】
【表３】
【００５５】
【表４】
【００５６】
（実施例８、９、比較例３〜５）
実施例１で作製したΦ５０．８ｍｍ×１００ｍｍの円柱形状の金属基複合材料を、マルチワイヤーソーでダイヤモンド砥粒を用い、切断切り込み速度０．２ｍｍ／ｍｉｎで、板厚３ｍｍの円板状に切断加工を行った。円板状の金属基複合材料を、両面研削盤で＃８０のダイヤモンド砥石を用いて研削加工した後、ラップ盤でダイヤモンドの砥粒を用いて、表５の板厚まで研磨加工を行った後、純水中、次にイソプロピルアルコール中で超音波洗浄を行い、乾燥して金属基複合材料基板を作製した。表面粗さ（Ｒａ）を表面粗さ計で測定した結果を表５に示す。比較例３は、研削加工後の研磨加工時に割れが発生したため、その後の特性評価が出来なかった。得られた平板状の金属基複合材料は、表面を洗浄して、ＣＶＤ法により複合材料の表面に１μｍ厚のＤＬＣ膜を形成した後、実施例１と同様の評価を行った。その結果を表６に示す。
【００５７】
〈ＬＥＤ発光素子の作製〉
実施例１と同様にして、板厚が０．５ｍｍの単結晶サファイア基板上に、図１の構造のＧａＮ単結晶を４μｍの厚さに成長させた。次に、ｐ型ＧａＮ半導体層の表面に、真空蒸着法で、銀／錫合金を２μｍの厚さに蒸着した。一方、ＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板の片側の表面にも、同様の方法で銀／錫合金を２μｍの厚さに蒸着した。両基板を銀／錫合金層が接する図１の様に積層し、温度４００℃で、５ＭＰａの加圧下で５分間保持し接合した。得られた接合体は、サファイア基板側より、出力４０ＭＷ／ｃｍ2となるように、窒素ガスレーザーを照射し、サファイア基板を剥離した。比較例５は、ＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板とＧａＮ半導体層間の密着性が不十分であり、サファイア基板を剥離する際に、ＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板とＧａＮ半導体層間で剥離が発生した。
【００５８】
その後、表面に露出したｎ型ＧａＮバッファー層をエッチングにより除去した後、酸化インジウム錫の透明導電体層を形成した。その後、ｎ型電極としてＡｕを蒸着して、ダイシングにより、個々のＬＥＤ発光素子とした。比較例４は、板厚が厚く、ダイシングでの切断が出来なかった。
【００５９】
【表５】
【００６０】
【表６】
【００６１】
（実施例１０）
実施例１で作製した金属基複合材料をΦ５０．８ｍｍ×０．２ｍｍｔの形状に加工した後、表面を洗浄して、ＣＶＤ法により複合材料の表面に１μｍ厚のＤＬＣ膜を形成した。その後、平面研削盤にてで＃８００のダイヤモンド砥石を用いて、板厚０．１ｍｍに研削加工を行い、一主面及び側面にＤＬＣ膜を付与した金属基複合材料を作製した。得られた金属基複合材料の特性値を表７に示す。また、得られた金属基複合材料は、非めっき面を耐薬品テープで被覆し、実施例１と同様の評価を行った。その結果を表８に示す。
【００６２】
【表７】
【００６３】
【表８】
【００６４】
（実施例１１〜１４、比較例６）
〈ＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板の作製〉
炭化珪素粉末Ｄ（大平洋ランダム社製、ＮＧ−８０、平均粒子径：１５０μｍ）１３００ｇ、炭化珪素粉末Ｅ（屋久島電工社製、ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒子径：１０μｍ）７００ｇ、シリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）３００ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ６０ｍｍ×５５ｍｍの寸法の円柱状に面圧３０ＭＰａでプレス成形して成形体を作製した。得られた成形体を、温度１２０℃で１時間乾燥後、窒素雰囲気下、温度１４００℃で２時間焼成して、気孔率が３５体積％のＳｉＣプリフォームを得た。得られたＳｉＣプリフォームは、マシニングセンターでダイヤモンド砥石を用いて、外形寸法が、Φ５２ｍｍ×５０ｍｍの形状に加工した。得られたＳｉＣプリフォームより、研削加工により３点曲げ強度測定用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）を作製し、３点曲げ強度を測定した。その結果、３点曲げ強度が、５０ＭＰａであった。
【００６５】
得られたＳｉＣプリフォームに窒化硼素の離型剤を塗布し、外形寸法７０ｍｍ×７０ｍｍ×５０ｍｍ（内径寸法：Φ５２．５ｍｍ×５０ｍｍ）の筒状の鉄製治具に挿入し構造体とした。次に、７０ｍｍ×７０ｍｍ×０．８ｍｍｔのステンレス板に黒鉛離型材を塗布して離型板を作製し、１４０．８ｍｍ×１４０．８ｍｍ×５０ｍｍの形状となる様に構造体４個を離型板を挟んで積層した。両側にセラミックス繊維含有量が１０体積％、厚み１０ｍｍのセラミックスボードを挟んで、厚１２ｍｍ厚みの鉄板を配置して、Ｍ１０のボルト８本で連結して一つの積層体とした。
【００６６】
次に、積層体を電気炉で、表９に示す温度に予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいた内径Φ４００ｍｍ×３００ｍｍＨのプレス型内に収め、シリコンを１２質量％及びマグネシウムを１質量％含有するアルミニウム合金の溶湯（温度：８００℃）を注ぎ、表９の圧力で２５分間加圧してＳｉＣプリフォームにアルミニウム合金を含浸させた。室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて離型板の形状に沿って切断し、離型板及び鉄製治具を剥がした後、機械加工により両端のセラミックス繊維を１０体積％含有するアルミニウム合金層を除去してΦ５２．５ｍｍ×５０ｍｍ形状の金属基複合材料を得た。得られた金属基複合材料は、含浸時の歪み除去のために５３０℃の温度で３時間アニール処理を行った。
【００６７】
次に、得られた金属基複合材料より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体（直径３ｍｍ長さ１０ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）、３点曲げ強度測定用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）、体積固有抵抗測定用試験体（５０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍ）を作製した。それぞれの試験体を用いて、実施例１と同様の方法で、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数、温度２５℃での熱伝導率、３点曲げ強度、体積固有抵抗を測定した。比較例６は、試験体加工時に形状が保持出来ず、特性評価が出来なかった。
【００６８】
得られた金属基複合材料を、円筒研削盤でダイヤモンドの砥石を用いて、Φ５０．８ｍｍ×５０ｍｍの円柱形状に外周加工を行った。次に、円柱形状の金属基複合材料を、内周刃切断機でダイヤモンド製の刃を用い、切断切り込み速度５ｍｍ／ｍｉｎで、板厚０．２５ｍｍの円板状に切断加工を行った。円板状の金属基複合材料を、両面研削盤で＃８００のダイヤモンド砥石を用いて、板厚０．２ｍｍに研削加工を行い、金属基複合材料基板を作製した。
【００６９】
次に、この金属基複合材料の表面を洗浄後、ＣＶＤ法により複合材料の表面に１μｍ厚のＤＬＣ膜を形成した。得られた金属基複合材料の物性値を表１０に示す。また、実施例１と同様の評価を行った結果を表１１に示す。
【００７０】
〈ＬＥＤ発光素子の作製〉
次に、実施例１１のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板を用いたＬＥＤ発光素子の作製例を記載する。
板厚が０．５ｍｍの単結晶Ｓｉ基板上に、ＣＶＤ法でＳｉＣ層を２μｍ形成して成長基板を作製した後、アンモニアガスと塩化ガリウムを使用し、キャリアガスとして水素ガスを用いて、温度１０５０℃でＨＶＰＥ法により、（１）〜（３）のＧａＮ単結晶を４μｍの厚さに成長させた。図３に構造を示す。
（１）ｎ型ＧａＮ半導体層 ３
（２）ＧａＮ活性層（発光層） ４
（３）ｐ型ＧａＮ半導体層 ５
【００７１】
次に、ｐ型ＧａＮ半導体層の表面に、真空蒸着法で、銀を０．５μｍの厚さに蒸着した後、Ａｕ／錫合金を１．５μｍの厚さに蒸着した。一方、実施例２のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板の片側の表面にも、同様の方法でＡｕ／錫合金を１．５μｍの厚さに蒸着した。両基板をＡｕ／錫合金層が接する図３の様に積層し、温度５００℃で、５ＭＰａの加圧下で５分間保持し接合した。得られた接合体は、酸処理により単結晶Ｓｉ層をエッチング除去した後、研削加工によりＳｉＣ層を完全に除去した。
【００７２】
その後、露出したｎ型ＧａＮ層表面をエッチングにより、表面粗化した後、酸化インジウム錫の透明導電体層を形成した。次に、ｎ型電極としてＡｕを蒸着して、レーザー加工により、個々のＬＥＤ発光素子とした。
【００７３】
（実施例１５）
炭化珪素粉末Ａ（平均粒子径：２００μｍ）１８００ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（平均粒子径：２０μｍ）９００ｇ、窒化アルミニウム粉末（トクヤマ社製、Ｆグレード、平均粒子径：２μｍ）３００ｇ、及び成形バインダー（メチルセルロース）１５０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ５５ｍｍ×１１０ｍｍの寸法の円柱状に面圧１０ＭＰａでプレス成形した後、成形圧力１００ＭＰａでＣＩＰ成形して成形体を作製した。
【００７４】
得られた成形体を、大気雰囲気中、温度６００℃で２時間脱脂処理後、アルゴン雰囲気下、温度１９５０℃で２時間焼成して、気孔率が１５体積％のプリフォームを得た。得られたプリフォームを、マシニングセンターでダイヤモンド砥石を用い、外形寸法が、Φ５２ｍｍ×１００ｍｍの形状に加工した。研削加工により３点曲げ強度測定用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）を作製し、３点曲げ強度を測定した。その結果、３点曲げ強度が、１２５ＭＰａであった。
【００７５】
得られたプリフォームを実施例１と同様の方法で処理してΦ５２ｍｍ×１００ｍｍ形状のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料を得た。得られたＬＥＤ発光素子用金属基複合材料より、実施例１と同様に試験体を作製し特性評価を行った。
【００７６】
次に、得られたＬＥＤ発光素子用金属基複合材料を、円筒研削盤でダイヤモンドの砥石を用いてΦ５０．８ｍｍ×１００ｍｍの円柱形状に外周加工を行った後、実施例１と同様にして板厚０．２５ｍｍの円板状に加工した。次に、円板状のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料を、ラップ盤でダイヤモンドの砥粒を用いて板厚０．２ｍｍでまで研磨加工を行ってＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板を作製した。
【００７７】
次に、この金属基複合材料の表面を洗浄後、ＣＶＤ法により複合材料の表面に１μｍ厚のＤＬＣ膜を形成した。得られた金属基複合材料の物性値を表１０に示す。また、実施例１と同様の評価を行った結果を表１１に示す。
【００７８】
（実施例１６）
窒化アルミニウム粉末（平均粒子径２μｍ）２８８０ｇ、酸化イットリウム粉末（信越レア・アース社製、ＵＵグレード、平均粒子径１μｍ）１２０ｇ、及び成形バインダー（メチルセルロース）１５０ｇ、純水１５０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ５５ｍｍ×１１０ｍｍの寸法の円柱状に面圧１０ＭＰａでプレス成形した後、成形圧力１００ＭＰａでＣＩＰ成形して成形体を作製した。
【００７９】
得られた成形体を、大気雰囲気中、温度６００℃で２時間脱脂処理後、窒素雰囲気下、温度１７８０℃で４時間焼成して、気孔率が２２体積％のプリフォームを得た。得られたプリフォームは、マシニングセンターでダイヤモンド砥石を用いて、外形寸法が、Φ５２ｍｍ×１００ｍｍの形状に加工した。得られたプリフォームより、研削加工により３点曲げ強度測定用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）を作製し、３点曲げ強度を測定した。３点曲げ強度は９０ＭＰａであった。
【００８０】
次に、得られたプリフォームを、アルミニウム合金の代わりに純アルミニウムを使用した以外は、実施例１と同様の方法で処理してΦ５２ｍｍ×１００ｍｍ形状のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料を得た。得られたＬＥＤ発光素子用金属基複合材料より、実施例１と同様に試験体を作製し特性評価を行った。
【００８１】
次に、ＬＥＤ発光素子用金属基複合材料を、円筒研削盤でダイヤモンドの砥石を用いてΦ５０．８ｍｍ×１００ｍｍの円柱形状に外周加工を行った後、実施例１と同様にして板厚０．２５ｍｍに加工した。得られた円板状のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料は、ラップ盤でダイヤモンドの砥粒を用いて板厚０．２ｍｍまで研磨加工を行ってＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板を作製した。
【００８２】
次に、この金属基複合材料の表面を洗浄後、ＣＶＤ法により複合材料の表面に０．５μｍ厚のＤＬＣ膜を形成した。得られた金属基複合材料の物性値を表１０に示す。また、実施例１と同様の評価を行った結果を表１１に示す。
【００８３】
（実施例１７）
窒化珪素粉末（電気化学工業社製、ＮＰ−２００、平均粒子径：１μｍ）２７９０ｇ、酸化イットリウム粉末（平均粒子径：１μｍ）１５０ｇ、酸化マグネシウム粉末（岩谷化学社製、ＭＪ−３０、平均粒子径：１μｍ）６０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ５５ｍｍ×１０ｍｍの寸法の円板状に面圧１０ＭＰａでプレス成形した後、成形圧力１００ＭＰａでＣＩＰ成形して成形体を作製した。
【００８４】
得られた成形体を、０．９ＭＰａの窒素加圧雰囲気下、温度１８８０℃で４時間焼成して、気孔率が１３体積％のプリフォームを得た。得られたプリフォームは、マシニングセンターでダイヤモンド砥石を用いて、外形寸法が、Φ５２ｍｍ×５ｍｍの形状に加工した。得られたプリフォームより、研削加工により３点曲げ強度測定用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）を作製し、３点曲げ強度を測定した。その結果、３点曲げ強度が、１５０ＭＰａであった。
【００８５】
次に、得られたプリフォームを実施例１と同様の方法で処理してΦ５２ｍｍ×１０ｍｍ形状のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料を得た。得られたＬＥＤ発光素子用金属基複合材料より、実施例１と同様に試験体を作製し特性評価を行った。
【００８６】
得られたＬＥＤ発光素子用金属基複合材料を、ウォータージェット加工機でΦ５０．８ｍｍ×５ｍｍの円板形状に外周加工を行った。次に、平面研削盤で＃２３０のダイヤモンド砥石を用いて板厚０．２２ｍｍの円板形状に研削加工後、＃８００のダイヤモンド砥石を用いて板厚０．２ｍｍまで研削加工を行ってＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板を作製した。
【００８７】
次に、この金属基複合材料の表面を洗浄後、ＰＶＤ法により複合材料の表面に１μｍ厚のＤＬＣ膜を形成した。得られた金属基複合材料の物性値を表１０に示す。また、実施例１と同様の評価を行った結果を表１１に示す。
【００８８】
（実施例１８）
ダイヤモンド粉末Ａ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ社製、ＭＢＧ−６００、平均粒子径：１２０μｍ）１１．５ｇとダイヤモンド粉末Ｂ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ社製、ＭＢＧ−６００、平均粒子径：１５μｍ）５．０ｇを、アルミナ製の乳鉢で１０分間混合した後、外形寸法７０ｍｍ×７０ｍｍ×２０ｍｍ（内径寸法Φ５２．５ｍｍ×２０ｍｍ）の筒状の黒鉛治具（１）に、外形寸法Φ５２．４ｍｍ×９ｍｍの黒鉛治具（２）を挿入した後、ダイヤモンドの混合粉末１０ｇを充填し、更に、ダイヤモンドの混合粉末の上面に黒鉛治具（２）を挿入して構造体とした。次に、７０ｍｍ×７０ｍｍ×０．８ｍｍｔのステンレス板に黒鉛離型材を塗布して離型板を作製し、この構造体を、離型板を挟んで積層し、上下に１２ｍｍ厚みの鉄板を配置して、Ｍ１０のボルト８本で連結して一つの積層体とした。充填したダイヤモンド粉末の質量及び体積より気孔率を算出した結果、気孔率は３９体積％であった。
【００８９】
次に、この積層体を実施例１と同様の方法で処理して、７０ｍｍ×７０ｍｍ×２０ｍｍの形状で周囲が黒鉛治具に囲まれたＬＥＤ発光素子用金属基複合材料を得た。得られたＬＥＤ発光素子用金属基複合材料は、黒鉛治具に囲まれた構造となっており、アルミニウム−ダイヤモンドからなる金属基複合材料が露出するまで、両主面側（７０ｍｍ×７０ｍｍ）より、平面研削盤でダイヤモンド砥石を用いて研削加工を行い、７０ｍｍ×７０ｍｍ×２ｍｍｔの板状形状に加工した。次に、ウォータージェット加工機で、Φ５０．８ｍｍ×２ｍｍの円板形状に外周加工を行った。
【００９０】
次に、得られたＬＥＤ発光素子用金属基複合材料より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体（２ｍｍ×３ｍｍ×１０ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）、３点曲げ強度測定用試験体（２ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）、体積固有抵抗測定用試験体（３５ｍｍ×３５ｍｍ×２ｍｍ）を作製した。それぞれの試験体を用いて、実施例１と同様にして評価を行った。
【００９１】
得られたＬＥＤ発光素子用金属基複合材料を、平面研削盤で＃２３０のダイヤモンド砥石を用いて板厚０．１６ｍｍの円板形状に研削加工後、＃４００のダイヤモンド砥石を用いて板厚０．１５ｍｍでまで研削加工を行ってＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板を作製した。
【００９２】
次に、この金属基複合材料の表面を洗浄後、ＣＶＤ法により複合材料の表面に０．５μｍ厚のＤＬＣ膜を形成した。得られた金属基複合材料の物性値を表１０に示す。また、実施例１と同様の評価を行った結果を表１１に示す。
【００９３】
（実施例１９）
１００ｍｍ×１００ｍｍ×０．８ｍｍｔのステンレス板に黒鉛離型材を塗布して離型板を作製し、形状１００ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍの等方性黒鉛成形体（東海カーボン社製Ｇ４５８／気孔率：１３体積％）を、離型板を挟んで両側に１２ｍｍ厚みの鉄板を配置して、Ｍ１０のボルト８本で連結して一つの積層体とした。次に、この積層体を実施例１と同様の方法で処理して１００ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍの形状の金属基複合材料を得た。得られた金属基複合材料より、実施例１と同様に試験体を作製し特性評価を行った。
【００９４】
得られたＬＥＤ発光素子用金属基複合材料は、ダイヤモンドソーで切断加工後、円筒研削盤でダイヤモンドの砥石を用いて、Φ５０．８ｍｍ×１００ｍｍの円柱形状に外周加工を行った。得られたＬＥＤ発光素子用円柱形状の金属基複合材料を、マルチワイヤーソーでダイヤモンド砥粒を用いて、切断切り込み速度０．５ｍｍ／ｍｉｎで板厚０．４ｍｍの円板状に切断加工した。得られたＬＥＤ発光素子用円板状の金属基複合材料を、両面研削盤で＃６００のダイヤモンド砥石を用いて板厚０．３ｍｍに研削加工を行ってＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板とした。
【００９５】
次に、この金属基複合材料の表面を洗浄後、ＰＶＤ法により複合材料の表面に０．５μｍ厚のＤＬＣ膜を形成した。得られた金属基複合材料の物性値を表１０に示す。また、実施例１と同様の評価を行った結果を表１１に示す。
【００９６】
【表９】
【００９７】
【表１０】
【００９８】
【表１１】
【符号の説明】
【００９９】
１）成長基板
２）成長基板上に形成された窒化物のバッファー層
３）ｎ型のIII−Ｖ族半導体層
４）発光層
５）ｐ型のIII−Ｖ族半導体層
６）金属層（反射層）
７）金属層
８）金属基複合材料基板
９）透明導電層
１０）表面コーティング層
１１）基材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（以下ＬＥＤと云う）素子用の金属基複合材料基板及びそれを用いたＬＥＤ発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤは、半導体のｐｎ接合に順方向電流を流すと発光する素子であり、ＧａＡｓ，ＧａＮ等のIII−Ｖ族半導体結晶を用いて製造される。近年、半導体のエピタキシャル成長技術と発光素子プロセス技術の進歩により、変換効率の優れるＬＥＤが開発され、様々な分野において幅広く使用されている。
【０００３】
ＬＥＤは、単結晶成長基板上にIII−Ｖ族半導体結晶をエピタキシャル成長させたｐ型層とｎ型層及び両者に挟まれる光活性層から構成される。一般的には、単結晶サファイア等の成長基板上に、ＧａＮ等のIII−Ｖ族半導体結晶をエピタキシャル成長させた後、電極等を形成しＬＥＤ発光素子を形成する（特許文献１）。
【０００４】
単結晶成長基板上に、III−Ｖ族半導体結晶をエピタキシャル成長させる場合、単結晶成長基板とIII−Ｖ族半導体結晶の格子定数が異なるため、良好な単結晶を成長させることが難しい。このため、サファイア基板上に低温でＧａＮ等のバッファー層を形成し、その上にＧａＮをエピタキシャル成長させる方法が提案されている（特許文献２）。しかし、この手法を用いても、サファイア基板とＧａＮとの線熱膨張係数差のために、エピタキシャル成長後の基板に反りが発生したり、最悪の場合には基板が割れるという課題がある。線熱膨張係数が、III−Ｖ族半導体結晶に近い基板材料が求められている。
【０００５】
一方、単結晶サファイア基板等の単結晶成長基板は、熱伝導性が良くないという課題がある。単結晶サファイアの場合、熱伝導率が４０Ｗ／ｍＫ程度であり、ＧａＮ等のIII−Ｖ族半導体素子で発生する熱を十分に放熱することができない。特に、大電流を流す高出力ＬＥＤでは素子の温度が上昇して、発光効率の低下や素子寿命の低下が起きるという課題がある。このため、単結晶成長基板上にIII−Ｖ族半導体結晶をエピタキシャル成長させた後に、金属層を介して高熱伝導性の基板を接合し、その後、単結晶成長基板を除去する方法が提案されている（特許文献３）。このため、高熱伝導性の基板として、熱伝導性に優れる銅等の材料が検討されているが、III−Ｖ族半導体結晶と線熱膨張係数差が大きく、高出力ＬＥＤ用に十分満足できるものではなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１１７００６号公報
【特許文献２】特公平５−７３２５２号公報
【特許文献３】特開２００６−１２８７１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、ＬＥＤを構成するIII−Ｖ族半導体結晶と線熱膨張率の差が小さく、かつ熱伝導性に優れ、高出力ＬＥＤ用として好適なＬＥＤ発光素子用基板を提供することである。
【０００８】
更に、本発明が解決しようとする課題は、ＬＥＤ発光素子製造時に使用される酸及びアルカリ溶液に対する、耐薬品性に優れた、高出力ＬＥＤ用として好適なＬＥＤ発光素子用基板を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
即ち、本発明は、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、ダイヤモンド及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上からなり、気孔率が１０〜５０体積％の平板状の多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなる金属基複合材料であって、板厚が０．０５ｍｍ〜１ｍｍで、表面が０．０１〜１０μｍのＤＬＣ膜で覆われ、少なくとも一主面の表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜０．５μｍであることを特徴とするＬＥＤ発光素子用金属基複合材料である。
【００１０】
また、本発明は、温度２５℃の熱伝導率が１００〜５００Ｗ／ｍＫ、温度２５℃〜１５０℃の線熱膨張係数が４〜９×１０-6／Ｋ、３点曲げ強度が５０ＭＰａ以上、体積固有抵抗が１０-9〜１０-5Ω・ｍである。更に、本発明は、温度２５℃の５規定のＨＣｌ溶液及び温度７５℃の１０規定のＮａＯＨ溶液にそれぞれ１分間浸漬したときの少なくとも一主面の重量減少量が０．２ｍｇ／ｃｍ２以下である。
【００１１】
加えて、本発明は、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、ダイヤモンド及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上からなり、気孔率が１０〜５０体積％、３点曲げ強度が５０ＭＰａ以上である多孔体に、溶湯鍛造法にて含浸圧力３０ＭＰａ以上でアルミニウム合金を含浸し、板厚０．０５〜１ｍｍで、表面粗さ（Ｒａ）０．０１〜１μｍに、切断及び／又は研削加工した後、表面にダイヤモンドライクカーボン（Diamond-like Carbon：以下ＤＬＣと云う）膜を厚みが０．１〜１０μｍとなるように形成することを特徴とするＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板の製造方法である。
【００１２】
更に、本発明は、下記の工程を順次経て製造される、ＬＥＤ発光素子である。
（１）円板状又は平板状の単結晶成長基板の一主面上に、III−Ｖ族半導体結晶をエピタキシャル成長させる工程。
（２）III−Ｖ族半導体結晶面に金属層を介して、請求項３又は４記載のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板を接合し、裏面をレーザー照射、エッチング、研削のいずれかの方法により、単結晶成長基板を除去する工程。
（３）III−Ｖ族半導体結晶面の表面加工、電極形成を行った後、切断加工する工程。
【００１３】
加えて、本発明は、単結晶成長基板が、単結晶サファイア、単結晶炭化珪素、単結晶ＧａＡｓ、単結晶Ｓｉの群から選ばれることを特徴とするＬＥＤ発光素子、又は、単結晶成長基板が、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓの群から選ばれる材料で表面コーティングされたことを特徴とするＬＥＤ発光素子である。更に加えて、本発明は、III−Ｖ族半導体結晶が、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰのいずれかであることを特徴とするＬＥＤ発光素子である。
【発明の効果】
【００１４】
ＬＥＤを構成するIII−Ｖ族半導体結晶と線熱膨張率の差の小さい、高熱伝導性のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板が得られる。このＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板を用いることにより、放熱性、信頼性に優れた高出力のＬＥＤ発光素子を提供することができる。更に、本発明のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板は、ＬＥＤ発光素子製造時に使用される酸及びアルカリ溶液に対する耐薬品性に優れると共に、導電性であり、ＬＥＤを構成するIII−Ｖ族半導体結晶の両面に電極を形成することができる。そのため、ＬＥＤ発光素子の製造プロセスの低減、並びに単位面積当たりの発光量の増加を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態を示す、ＬＥＤ発光素子の概略断面図
【図２】本発明の一実施の形態を示す、ＬＥＤ発光素子の概略断面図
【図３】本発明の一実施の形態を示す、ＬＥＤ発光素子の概略断面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明で用いる単結晶成長基板は、後の工程でエピタキシャル成長させるIII−Ｖ族半導体結晶との格子定数の差が小さく、かつ欠陥の少ない材料が必要である。結晶性と均一性の点から、単結晶材料を加工して用いるのが一般的である。これらの単結晶成長基板は、III−Ｖ族半導体結晶をエピタキシャル成長させる工程における温度、雰囲気に耐えることが必要である。このため、本発明で用いる単結晶成長基板用の材料は、単結晶サファイア、単結晶炭化珪素、単結晶ＧａＡｓ、単結晶Ｓｉの群から選ばれることが好ましい。更に、本発明で用いる単結晶成長基板は、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓの群から選ばれる材料で表面コーティングされることが好ましい。
【００１７】
ＬＥＤを構成するIII−Ｖ族半導体結晶は、ＬＥＤ発光素子としての変換効率の点から、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰのいずれかであることが好ましい。これらのIII−Ｖ族半導体結晶は高い発光効率が得られ、用途に応じて使い分けられる。III−Ｖ族半導体結晶は、用途毎の最適発光波長に応じて選択される。
【００１８】
本発明では、先ず、これらの単結晶成長基板の一主面上にエピタキシャル成長で、III−Ｖ族半導体結晶を成長させる。III−Ｖ族半導体結晶のエピタキシャル成長は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）又はハライド気相エピタキシャル法（ＨＶＰＥ法）により行うことが好ましい。ＭＯＣＶＤ法は、結晶性の良いIII−Ｖ族半導体結晶を成長させるのに適しており、ＨＶＰＥ法は、結晶成長速度が速く、効率よくIII−Ｖ族半導体結晶を成長させることができる。これらの方法は公知であり、実施条件は適宜設定することができる。エピタキシャル成長の方法は、III−Ｖ族半導体結晶を成長させることのできる方法であれば、前記の方法に限定されるものではない。
【００１９】
エピタキシャル成長させたIII−Ｖ族半導体結晶は、発光特性を更に向上させるため、表面処理を施すことも可能である。また、結晶表面の均一性等を向上させるため、表面をエッチング処理や研磨処理することもある。金属基複合材料基板と接合するため、III−Ｖ族半導体結晶の表面に蒸着法、スパッタ法等の手法により、金属層を形成する。金属層は、インジウム、アルミニウム、金、銀及びこれらの合金が好ましい。金属層の厚みは、金属の線熱膨張係数がIII−Ｖ族半導体結晶と異なる為、極端に厚いと密着性が低下して好ましくない。金属層の熱伝導率が低い場合は、放熱の面からも好ましくない。このため、金属層の厚みは、０．５〜１０μｍであることが好ましく、更に好ましくは、０．５〜２μｍである。
【００２０】
III−Ｖ族半導体結晶に接合するため、金属基複合材料基板にも、同様に表面に蒸着法、スパッタ法等により、金属層を形成する。金属層は、インジウム、アルミニウム、金、銀及びこれらの合金が好ましい。金属基複合材料基板に求められる特性は、（１）接合に耐え得る強度を有すること（２）接合面にボイドや異物等の介在物が無く、接合面が平坦であることである。（１）の条件を満たすには、金属基複合材料基板の３点曲げ強度が５０ＭＰａ以上であり、好ましくは２００ＭＰａ以上である。（２）の条件を満たすには、金属基複合材料基板の表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜０．５μｍであり、好ましくは、０．０１〜０．２μｍである。
【００２１】
III−Ｖ族半導体結晶と金属基複合材料基板の接合は、必要に応じて加圧を行いながら、接合面を合わせた状態で加熱して行う。加熱温度は金属層の種類によって異なるが、一般に２５０℃〜５５０℃である。加圧の圧力は、２〜２０ＭＰａが一般的である。
【００２２】
金属基複合材料基板は、III−Ｖ族半導体結晶と接合して用いる為、両材料の線熱膨張係数の差が小さいことが重要である。このため、金属基複合材料基板の温度２５℃〜１５０℃の線熱膨張係数が４〜９×１０-6／Ｋであることが好ましい。更に好ましくは、４〜７×１０-6／Ｋである。金属基複合材料基板の温度２５℃〜１５０℃での線熱膨張係数が４〜９×１０-6／Ｋの範囲を外れた場合、接合するIII−Ｖ族半導体結晶又は成長基板との線熱膨張係数差により、接合後に反りが発生したり、ＬＥＤ発光素子として使用する際に接合層の剥離が発生したり、III−Ｖ族半導体結晶が割れてしまう場合があり好ましくない。
【００２３】
本発明の金属基複合材料基板は、ＬＥＤ発光素子のベース基板となる。当該基板を介して、III−Ｖ族半導体素子で発生する熱の大半を放熱することとなり、当該基板には高い放熱特性が要求される。このため、金属基複合材料基板の温度２５℃での熱伝導率は、１００〜５００Ｗ／ｍＫであることが好ましく、更に好ましくは、１５０〜５００Ｗ／ｍＫである。熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ未満では、III−Ｖ族半導体素子で発生する熱を十分に放熱することができず、特に大電流を流す必要のある高出力ＬＥＤでは、素子の温度が上がり発光効率の低下、それに伴う素子寿命の低下が起こり好ましくない。一方、熱伝導率の上限値に関しては、特性面からの制約はないが、基板材料が極端に高価になってしまう。
【００２４】
放熱性の面から、金属基複合材料基板の板厚は薄い方が好ましい。一方で、III−Ｖ族半導体素子の保持及びＬＥＤ発光素子作製時のハンドリング等に耐え得る強度が必要なため、一定の板厚が必要である。金属基複合材料基板の板厚は、０．０５ｍｍ〜１ｍｍが好ましく、０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍがより好ましい。金属基複合材料基板の板厚が１ｍｍを超えるとＬＥＤ発光素子の放熱特性が低下して好ましくない。本発明の金属基複合材料基板は、III−Ｖ族半導体結晶と接合した後、必要に応じて研磨等により薄板化することもできる。
【００２５】
本発明では、III−Ｖ族半導体結晶と金属基複合材料基板とを金属層を介して接合した後、単結晶成長基板を除去する。単結晶成長基板の除去は、基板側よりレーザー照射を行い除去する方法が一般的である。この他にも、研磨やエッチングにより単結晶成長基板を除去することもできる。単結晶成長基板を除去したIII−Ｖ族半導体結晶面は、必要に応じて表面の研磨、エッチングを行い所望する表面形状に仕上げた後、蒸着法、スパッタ法等の手法により、電極を形成する。更に、レーザーカット又はダイシングにて所定形状に切断して、ＬＥＤ発光素子を製造する。
【００２６】
本発明の金属基複合材料基板には、ＬＥＤ発光素子製造プロセスでの耐薬品特性が必要であり、具体的には、温度２５℃の５規定のＨＣｌ溶液及び温度７５℃の１０規定のＮａＯＨ溶液にそれぞれ１分間浸漬したときの少なくとも一主面の単位面積当たりの重量減少量の合計が０．２ｍｇ／ｃｍ２以下が好ましく、更に好ましくは、重量減少量が０．１ｍｇ／ｃｍ２以下である。温度２５℃の５規定のＨＣｌ溶液及び温度７５℃の１０規定のＮａＯＨ溶液にそれぞれ１分間浸漬したときの単位面積当たりの重量減少量が０．２ｍｇ／ｃｍ２を超えると、金属基複合材料中の金属成分の溶出に伴う熱伝導率等の特性低下が発生すると共に、レーザーカット又はダイシングにて所定形状に切断する際にチッピングが発生し、ＬＥＤ発光素子の歩留まりが低下するために好ましくない。本発明の金属基複合材料基板の実使用においては、金属基複合材料基板の一主面は、III−Ｖ族半導体結晶と金属層を介して接合されるため、非接合面が、上述した耐薬品特性を満たすものであればよい。
【００２７】
本発明の金属基複合材料は、基板自体が導電性を有している。このため、ＬＥＤを構成するIII−Ｖ族半導体結晶の両面に電極を形成することができる。サファイア基板等の絶縁材料を基板として用いる場合、上部のｐ型又はｎ型のIII−Ｖ族半導体結晶の一部をエッチング等で除去して、同一面側に電極を形成する必要がある。本発明では、ＬＥＤ発光素子の製造プロセスの低減が可能である。更に、ｐ型又はｎ型の片方のIII−Ｖ族半導体結晶の一部をエッチング等で除去して電極形成する必要がないため、ＬＥＤ発光素子の単位面積当たりの発光量を増加させることができる。本発明の金属基複合材料の体積固有抵抗は、１０-9〜１０-5Ω・ｍが好ましい。体積固有抵抗が１０-5Ω・ｍを超えると、発光効率の低下等が起こりこの好ましくない。体積固有抵抗の下限値は、特性面での制約はないが、材料組成から１０-9Ω・ｍ以上が一般的である。
【００２８】
金属基複合材料の製法は、含浸法と粉末冶金法の２種に大別される。このうち、熱伝導率等の特性面から実際に商品化されているのは、含浸法によるものである。含浸法にも種々の製法があり、常圧で行う方法と、高圧下で行う方法（高圧鍛造法）がある。高圧鍛造法には、溶湯鍛造法とダイキャスト法がある。本発明に好適な方法は、高圧下で含浸を行う高圧鍛造法であり、熱伝導率等の特性に優れた緻密な複合体を得るには溶湯鍛造法が好ましい。溶湯鍛造法は、高圧容器内に、セラミックス粉末又は成形体を装填し、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複合材料を得る方法である。
【００２９】
以下、溶湯鍛造法による製法例を説明する。原料であるセラミックスは、熱伝導率が高く、線熱膨張係数の小さい材料を用いる必要がある。本発明では、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、ダイヤモンド及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上を用いる。本発明の金属基複合材料は、これらのセラミックスとアルミニウム合金を複合化することにより、熱伝導率及び線熱膨張係数を調整することができる。本発明の金属基複合材料は、これらのセラミックスを５０〜９０体積％含有し、残部がアルミニウム合金からなる複合材料である。セラミックスの含有量は、好ましくは７０〜８５体積％である。セラミックスの含有量が５０体積％未満では、得られる金属基複合材料の線熱膨張係数が大きくなり、ＬＥＤ発光素子用の基板材料として好ましくない。一方、セラミックスの含有量が９０体積％を超えると、複合化時にアルミニウム合金を十分に含浸させることができず、その結果、熱伝導率が低下してしまい好ましくない。
【００３０】
セラミックスは、粉末のまま複合化することもできるが、無機バインダーを用いて成形体を作製するか、焼結処理を行って１０〜５０体積％の気孔率を有する多孔体（以下プリフォームと云う）を作製して複合化することが好ましい。このプリフォームの気孔率の調整は、原料粉末の粒度調整、成形圧力、焼結条件等によって行う。プリフォームの成形方法は、プレス成形、鋳込み成形等の一般的なセラミックス粉末の成形方法で成形することができる。また、プリフォームは、必要に応じて平板状や円柱状に加工して用いる。更に、本発明では、最終形状として板厚が０．０５ｍｍ〜１ｍｍの板状に加工するため、３点曲げ強度が５ＭＰａ以上のプリフォームを用いることが好ましい。プリフォームの強度が低いと、研削加工等で板厚を０．０５ｍｍ〜１ｍｍの板状に加工する際に、反りが発生することがある。
【００３１】
プリフォームは、離型剤を塗布した治具等で固定し、複数個を積層してボルト−ナット等で連結して積層体とする。プリフォームを固定する治具は、鉄製や黒鉛製の治具を用いることができる。また、個々の治具は、離型剤を塗布した離型板を挟んで積層し、積層体とすることもできる。離型板としては、ステンレス板やセラミックス板を使用することがで、溶湯鍛造法にてアルミニウム合金が含浸されない緻密体であれば特に制限はない。また、治具や離型板に塗布する離型剤については、黒鉛、窒化ホウ素、アルミナ等の離型剤が使用できる。更に、好ましくは、治具や離型板表面をアルミナゾル等によりコーティングした後、離型剤を塗布することが好ましい。
【００３２】
得られた積層体は、温度６００〜８００℃程度で加熱後、高圧容器内に１個または２個以上配置し、積層体の温度低下を防ぐために出来るだけ速やかに、融点以上に加熱したアルミニウム合金の溶湯を給湯して３０ＭＰａ以上の圧力で加圧し、アルミニウム合金をプリフォームの空隙中に含浸させることで、金属基複合材料が得られる。なお、含浸時の歪み除去の目的で、含浸品のアニール処理を行うこともある。
【００３３】
積層体の加熱温度は、温度６００℃未満では、アルミニウム合金の複合化が不十分となり、得られる金属基複合材料の熱伝導率等の特性が低下してしまう。また、加熱温度が８００℃を超えると、アルミニウム合金との複合化時に、セラミックス粉末の表面の酸化が起こり、得られる金属基複合材料の熱伝導率等の特性が低下してしまう。更に、含浸時の圧力に関しては、３０ＭＰａ未満では、アルミニウム合金の複合化が不十分となり、得られる金属基複合材料の熱伝導率等の特性が低下してしまい好ましくない。好ましくは、含浸圧力は、５０ＭＰａ以上である。
【００３４】
本発明の金属基複合材料中のアルミニウム合金は、アルミニウムを７０質量％以上含有するアルミニウム合金である。アルミニウムの含有量が７０質量％未満では、アルミニウム合金の熱伝導率が低下し好ましくない。また、アルミニウム合金は、含浸時にプリフォームの空隙内に十分に浸透するために融点がなるべく低いことが好ましい。このようなアルミニウム合金として、例えばシリコンを５〜２５質量％含有したアルミニウム合金が挙げられる。更にマグネシウムを含有させることは、セラミックス粒子と金属部分との結合がより強固になり好ましい。アルミニウム合金中のアルミニウム、シリコン、マグネシウム以外の金属成分に関しては、極端に特性が変化しない範囲であれば特に制限はなく、例えば銅等が含まれていても良い。
【００３５】
次に、得られた金属基複合材料の加工方法の例を説明する。得られた金属基複合材料が円柱状の形状である場合、円筒研削盤等によりダイヤモンド砥石を用いて所定寸法に外形加工した後、マルチワイヤーソー、内周刃切断機等で最終形状より０．１〜０．５ｍｍ程度厚い板厚に切断加工する。切断方法については、特に限定はないが、切断代が少なく量産性に適したマルチワイヤーソーでの切断が好適である。マルチワイヤーソーでの切断は、遊離砥粒タイプ及びダイヤモンド等の研削材を付着したワイヤーを用いた加工が採用できる。切断加工後の板状の金属基複合材料は、両面研削盤、ロータリー研削盤、平面研削盤、ラップ盤等の加工機で、板厚が０．０５〜１ｍｍ、且つ、表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜１μｍになるように面加工を行う。面加工に際しては、表面粗さを、更に小さくするために、両面研削盤、ロータリー研削盤、平面研削盤等で面加工した後、ラップ盤で仕上げ加工を行うこともある。また、ＬＥＤ発光素子の製造工程で、本発明の金属基複合材料基板をIII−Ｖ族半導体結晶と接合後に研磨加工する場合は、片面（接合面）のみに、所定の表面粗さまで面加工を行うこともある。
【００３６】
得られた金属基複合材料が板状である場合、両面研削盤、ロータリー研削盤、平面研削盤、ラップ盤等の加工機で、板厚が０．０５〜１ｍｍ、且つ、表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜１μｍになるように面加工を行った後、ウォータージェット加工機、放電加工機、レーザー加工機、ダイシングマシン、円筒研削盤等で所定形状に外周加工を行う。得られた金属基複合材料が板状である場合、先にウォータージェット加工機、放電加工機、レーザー加工機、ダイシングマシン、円筒研削盤等で所定形状に外周加工を行い、その後両面研削盤、ロータリー研削盤、平面研削盤、ラップ盤等の加工機で、板厚が０．０５〜１ｍｍ、且つ、表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜１μｍになるように面加工を行うこともできる。
【００３７】
次に、板状の金属基複合材料は、表面を洗浄後、表面に厚みが０．１〜１０μｍのＤＬＣ膜を形成する。ＤＬＣ膜厚が０．１μｍ以下では、ＤＬＣ膜のピンホールが発生し、耐薬品性が低下して好ましくない。一方、ＤＬＣ膜厚が１０μｍを超えると、ＤＬＣ膜と金属基複合材料の線千熱膨張係数が異なる場合、両材料の熱膨張差による応力の発生、剥離の発生があり好ましくない。ＤＬＣ膜厚に関しては、より好ましくは０．３〜２μｍである。
【００３８】
ＤＬＣ膜を構成するＤＬＣ材料とは、炭素元素を主として構成される非晶質組織を有するものであって、炭素同士の結合形態がダイヤモンド結合とグラファイト結合の両方からなる。具体的には、炭素元素のみからなるアモルファスカーボン、水素を含有する水素アモルファスカーボン、更には、チタンやリン等の金属元素を一部に含むメタルカーボンが挙げられるが、本発明に用いるＤＬＣとしては、特にこれらに限定されるものではない。
【００３９】
ＤＬＣ膜は、板状の金属基複合材料上に直接形成することも、必要に応じて、アルミニウム、シリコン等からなる中間層を介して形成することもできる。また、本発明では、板状の金属基複合材料の表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜１μｍであるため、均一で且つピンホールの無いＤＬＣ膜を形成することができる。
【００４０】
ＤＬＣ膜の成膜方法としては、特に限定されず、例えば、イオン化蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、プラズマＣＶＤ法、プラズマイオン注入成膜法、ホローカソードアーク法、真空アーク蒸着法などを適用することができる。
【００４１】
また、本発明では、ＤＬＣ膜を形成した後に、表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜０．５μｍに成る様に面加工することもできる。
【実施例】
【００４２】
（実施例１）
〈ＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板の作製〉
炭化珪素（以下、ＳｉＣという）粉末Ａ（大平洋ランダム社製、ＮＧ−６０、平均粒子径２００μｍ）１８００ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（大平洋ランダム社製、ＮＧ−６００、平均粒子径２０μｍ）９００ｇ、炭化珪素粉末Ｃ（大平洋ランダム社製、ＮＣ−６０００、平均粒子径２μｍ）３００ｇ、及び成形バインダー（メチルセルロース、信越化学工業社製、「メトローズ」）１５０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ５５ｍｍ×１１０ｍｍの寸法の円柱状に面圧１０ＭＰａでプレス成形した後、成形圧力１００ＭＰａでＣＩＰ成形して成形体を作製した。
【００４３】
得られた成形体を、大気雰囲気中、温度６００℃で２時間脱脂処理後、アルゴン雰囲気下、温度２１００℃で２時間焼成して、気孔率が２０体積％のＳｉＣプリフォームを作製した。得られたＳｉＣプリフォームを、マシニングセンターでダイヤモンド製の砥石を用いて、外形寸法がΦ５２ｍｍ×１００ｍｍの形状に加工した。さらに、研削加工により３点曲げ強度測定用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）を作製し、３点曲げ強度を測定した。３点曲げ強度は１２０ＭＰａであった。
【００４４】
得られたＳｉＣプリフォームに窒化硼素の離型剤を塗布し、外形寸法：７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ（内径寸法：Φ５２．５ｍｍ×１００ｍｍ）の筒状の黒鉛治具に挿入して構造体とした。次に、７０ｍｍ×１００ｍｍ×０．８ｍｍｔのステンレス板に黒鉛離型材を塗布して離型板を作製し、１４０．８ｍｍ×１４０．８ｍｍ×１００ｍｍの形状となる様に構造体４個を離型板を挟んで積層して、両側に１２ｍｍ厚みの鉄板を配置して、Ｍ１０のボルト８本で連結して一つの積層体とした。次に、積層体を電気炉で温度７００℃に予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいた内径Φ４００ｍｍ×３００ｍｍＨのプレス型内に収め、シリコンを１２質量％及びマグネシウムを１質量％含有するアルミニウム合金の溶湯（温度：８００℃）を注ぎ、１００ＭＰａの圧力で２５分間加圧してＳｉＣプリフォームにアルミニウム合金を含浸させた。室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて離型板の形状に沿って切断し、離型板を剥がし、旋盤で黒鉛治具部分を除去してΦ５２ｍｍ×１００ｍｍ形状の金属基複合材料を得た。得られた金属基複合材料は、含浸時の歪み除去のために５３０℃の温度で３時間アニール処理を行った。
【００４５】
次に、得られた金属基複合材料から、研削加工により熱膨張係数測定用試験体（直径３ｍｍ長さ１０ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）、３点曲げ強度測定用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）、体積固有抵抗測定用試験体（５０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍ）を作製した。それぞれの試験体を用いて、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数を熱膨張計（セイコー電子工業社製；ＴＭＡ３００）で、温度２５℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法（アルバック社製；ＴＣ３０００）で、３点曲げ強度を曲げ強度試験機で、体積固有抵抗を４端子法（ＪＩＳ Ｒ１６３７に準拠）で測定した。その結果、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数は４．９×１０−６／Ｋ、温度２５℃での熱伝導率は２５０Ｗ／ｍＫ、３点曲げ強度は３５０ＭＰａ、体積固有抵抗は８×１０−７Ω・ｍであった。
【００４６】
金属基複合材料を、円筒研削盤でダイヤモンドの砥石を用いて、Φ５０．８ｍｍ×１００ｍｍの円柱形状に外周加工を行った。得られた円柱形状の金属基複合材料を、マルチワイヤーソーでダイヤモンド砥粒を用い、切断切り込み速度０．２ｍｍ／ｍｉｎで、板厚０．３ｍｍの円板状に切断加工を行った。円板状の金属基複合材料を、両面研削盤で＃６００のダイヤモンド砥石を用いて板厚０．２２ｍｍに研削加工した後、ラップ盤でダイヤモンドの砥粒を用いて、板厚０．２ｍｍでまで研磨加工を行った後、純水中、次にイソプロピルアルコール中で超音波洗浄を行い、乾燥して金属基複合材料基板を作製した。表面粗さ（Ｒａ）を表面粗さ計で測定した結果、Ｒａ０．０５μｍであった。
【００４７】
次に、この金属基複合材料を、ＣＶＤ法により複合材料の表面に１μｍ厚のＤＬＣ膜を形成した。得られた、金属基複合材料の特性値は、ＤＬＣ膜の物性値と処理前の金属基複合材料の物性値から、計算により算出した。その結果を表１に示す。また、ＤＬＣ膜形成後の金属基複合材料を、温度２５℃の５規定のＨＣｌ溶液及び温度７５℃の１０規定のＮａＯＨ溶液に１分間浸漬し、個々の処理による単位面積当たりの重量減少量を測定した。更に、めっき後の金属基複合材料をの表面粗さ（Ｒａ）を表面粗さ計で測定した。その結果を表２に示す。
【００４８】
【表１】
【００４９】
【表２】
【００５０】
〈ＬＥＤ発光素子の作製〉
板厚が０．５ｍｍの単結晶サファイア基板上に、アンモニアガスとトリメチルガリウムを使用し、キャリアガスとして水素と窒素の混合ガスを用いて、温度１１００℃でＭＯＣＶＤ法により、（１）〜（４）のＧａＮ単結晶を４μｍの厚さに成長させた。図１に構造を示す。
（１）ｎ型ＧａＮバッファー層 ２
（２）ｎ型ＧａＮ半導体層 ３
（３）ＧａＮ活性層（発光層） ４
（４）ｐ型ＧａＮ半導体層 ５
【００５１】
次に、ｐ型ＧａＮ半導体層の表面に、真空蒸着法で、銀／錫合金を２μｍの厚さに蒸着した。一方、ＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板の片側の表面にも、同様の方法で銀／錫合金を２μｍの厚さに蒸着した。両基板を銀／錫合金層が接する図１の様に積層し、温度４００℃で、５ＭＰａの加圧下で５分間保持し接合した。得られた接合体は、サファイア基板側より、出力４０ＭＷ／ｃｍ2となるように、窒素ガスレーザーを照射し、サファイア基板を剥離した。レーザー照射により、ｎ型ＧａＮバッファー層がＧａと窒素に分解されて、発生した窒素ガスによりサファイア基板を剥離することができた。
【００５２】
その後、表面に露出したｎ型ＧａＮバッファー層をエッチングにより除去した後、酸化インジウム錫の透明導電体層を形成した。その後、ｎ型電極としてＡｕを蒸着して、ダイシングにより、個々のＬＥＤ発光素子とした。
【００５３】
（実施例２〜７、比較例１、２）
実施例１で作製したΦ５０．８ｍｍ×０．１ｍｍｔの金属基複合材料を、ＣＶＤ法及びＰＶＤ法により、複合材料の表面に表４に示すＤＬＣ膜を形成した。実施例７は、金属基複合材料の表面に、中間層としてアルミニウム層をスパッタ法により０．４μｍの厚さに成膜した後、ＤＬＣ膜を形成した。得られた金属基複合材料の特性値を表３に示す。また、ＤＬＣ膜形成後の金属基複合材料を、温度２５℃の５規定のＨＣｌ溶液及び温度７５℃の１０規定のＮａＯＨ溶液に１分間浸漬し、個々の処理による単位面積当たりの重量減少量を測定した。更に、ＤＬＣ膜形成後の金属基複合材料の表面粗さ（Ｒａ）を表面粗さ計で測定した。その結果を表４に示す。比較例２は、表面に形成したＤＬＣ膜が剥離し、特性評価を実施出来なかった。
【００５４】
【表３】
【００５５】
【表４】
【００５６】
（実施例８、９、比較例３〜５）
実施例１で作製したΦ５０．８ｍｍ×１００ｍｍの円柱形状の金属基複合材料を、マルチワイヤーソーでダイヤモンド砥粒を用い、切断切り込み速度０．２ｍｍ／ｍｉｎで、板厚３ｍｍの円板状に切断加工を行った。円板状の金属基複合材料を、両面研削盤で＃８０のダイヤモンド砥石を用いて研削加工した後、ラップ盤でダイヤモンドの砥粒を用いて、表５の板厚まで研磨加工を行った後、純水中、次にイソプロピルアルコール中で超音波洗浄を行い、乾燥して金属基複合材料基板を作製した。表面粗さ（Ｒａ）を表面粗さ計で測定した結果を表５に示す。比較例３は、研削加工後の研磨加工時に割れが発生したため、その後の特性評価が出来なかった。得られた平板状の金属基複合材料は、表面を洗浄して、ＣＶＤ法により複合材料の表面に１μｍ厚のＤＬＣ膜を形成した後、実施例１と同様の評価を行った。その結果を表６に示す。
【００５７】
〈ＬＥＤ発光素子の作製〉
実施例１と同様にして、板厚が０．５ｍｍの単結晶サファイア基板上に、図１の構造のＧａＮ単結晶を４μｍの厚さに成長させた。次に、ｐ型ＧａＮ半導体層の表面に、真空蒸着法で、銀／錫合金を２μｍの厚さに蒸着した。一方、ＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板の片側の表面にも、同様の方法で銀／錫合金を２μｍの厚さに蒸着した。両基板を銀／錫合金層が接する図１の様に積層し、温度４００℃で、５ＭＰａの加圧下で５分間保持し接合した。得られた接合体は、サファイア基板側より、出力４０ＭＷ／ｃｍ2となるように、窒素ガスレーザーを照射し、サファイア基板を剥離した。比較例５は、ＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板とＧａＮ半導体層間の密着性が不十分であり、サファイア基板を剥離する際に、ＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板とＧａＮ半導体層間で剥離が発生した。
【００５８】
その後、表面に露出したｎ型ＧａＮバッファー層をエッチングにより除去した後、酸化インジウム錫の透明導電体層を形成した。その後、ｎ型電極としてＡｕを蒸着して、ダイシングにより、個々のＬＥＤ発光素子とした。比較例４は、板厚が厚く、ダイシングでの切断が出来なかった。
【００５９】
【表５】
【００６０】
【表６】
【００６１】
（実施例１０）
実施例１で作製した金属基複合材料をΦ５０．８ｍｍ×０．２ｍｍｔの形状に加工した後、表面を洗浄して、ＣＶＤ法により複合材料の表面に１μｍ厚のＤＬＣ膜を形成した。その後、平面研削盤にてで＃８００のダイヤモンド砥石を用いて、板厚０．１ｍｍに研削加工を行い、一主面及び側面にＤＬＣ膜を付与した金属基複合材料を作製した。得られた金属基複合材料の特性値を表７に示す。また、得られた金属基複合材料は、非めっき面を耐薬品テープで被覆し、実施例１と同様の評価を行った。その結果を表８に示す。
【００６２】
【表７】
【００６３】
【表８】
【００６４】
（実施例１１〜１４、比較例６）
〈ＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板の作製〉
炭化珪素粉末Ｄ（大平洋ランダム社製、ＮＧ−８０、平均粒子径：１５０μｍ）１３００ｇ、炭化珪素粉末Ｅ（屋久島電工社製、ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒子径：１０μｍ）７００ｇ、シリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）３００ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ６０ｍｍ×５５ｍｍの寸法の円柱状に面圧３０ＭＰａでプレス成形して成形体を作製した。得られた成形体を、温度１２０℃で１時間乾燥後、窒素雰囲気下、温度１４００℃で２時間焼成して、気孔率が３５体積％のＳｉＣプリフォームを得た。得られたＳｉＣプリフォームは、マシニングセンターでダイヤモンド砥石を用いて、外形寸法が、Φ５２ｍｍ×５０ｍｍの形状に加工した。得られたＳｉＣプリフォームより、研削加工により３点曲げ強度測定用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）を作製し、３点曲げ強度を測定した。その結果、３点曲げ強度が、５０ＭＰａであった。
【００６５】
得られたＳｉＣプリフォームに窒化硼素の離型剤を塗布し、外形寸法７０ｍｍ×７０ｍｍ×５０ｍｍ（内径寸法：Φ５２．５ｍｍ×５０ｍｍ）の筒状の鉄製治具に挿入し構造体とした。次に、７０ｍｍ×７０ｍｍ×０．８ｍｍｔのステンレス板に黒鉛離型材を塗布して離型板を作製し、１４０．８ｍｍ×１４０．８ｍｍ×５０ｍｍの形状となる様に構造体４個を離型板を挟んで積層した。両側にセラミックス繊維含有量が１０体積％、厚み１０ｍｍのセラミックスボードを挟んで、厚１２ｍｍ厚みの鉄板を配置して、Ｍ１０のボルト８本で連結して一つの積層体とした。
【００６６】
次に、積層体を電気炉で、表９に示す温度に予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいた内径Φ４００ｍｍ×３００ｍｍＨのプレス型内に収め、シリコンを１２質量％及びマグネシウムを１質量％含有するアルミニウム合金の溶湯（温度：８００℃）を注ぎ、表９の圧力で２５分間加圧してＳｉＣプリフォームにアルミニウム合金を含浸させた。室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて離型板の形状に沿って切断し、離型板及び鉄製治具を剥がした後、機械加工により両端のセラミックス繊維を１０体積％含有するアルミニウム合金層を除去してΦ５２．５ｍｍ×５０ｍｍ形状の金属基複合材料を得た。得られた金属基複合材料は、含浸時の歪み除去のために５３０℃の温度で３時間アニール処理を行った。
【００６７】
次に、得られた金属基複合材料より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体（直径３ｍｍ長さ１０ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）、３点曲げ強度測定用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）、体積固有抵抗測定用試験体（５０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍ）を作製した。それぞれの試験体を用いて、実施例１と同様の方法で、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数、温度２５℃での熱伝導率、３点曲げ強度、体積固有抵抗を測定した。比較例６は、試験体加工時に形状が保持出来ず、特性評価が出来なかった。
【００６８】
得られた金属基複合材料を、円筒研削盤でダイヤモンドの砥石を用いて、Φ５０．８ｍｍ×５０ｍｍの円柱形状に外周加工を行った。次に、円柱形状の金属基複合材料を、内周刃切断機でダイヤモンド製の刃を用い、切断切り込み速度５ｍｍ／ｍｉｎで、板厚０．２５ｍｍの円板状に切断加工を行った。円板状の金属基複合材料を、両面研削盤で＃８００のダイヤモンド砥石を用いて、板厚０．２ｍｍに研削加工を行い、金属基複合材料基板を作製した。
【００６９】
次に、この金属基複合材料の表面を洗浄後、ＣＶＤ法により複合材料の表面に１μｍ厚のＤＬＣ膜を形成した。得られた金属基複合材料の物性値を表１０に示す。また、実施例１と同様の評価を行った結果を表１１に示す。
【００７０】
〈ＬＥＤ発光素子の作製〉
次に、実施例１１のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板を用いたＬＥＤ発光素子の作製例を記載する。
板厚が０．５ｍｍの単結晶Ｓｉ基板上に、ＣＶＤ法でＳｉＣ層を２μｍ形成して成長基板を作製した後、アンモニアガスと塩化ガリウムを使用し、キャリアガスとして水素ガスを用いて、温度１０５０℃でＨＶＰＥ法により、（１）〜（３）のＧａＮ単結晶を４μｍの厚さに成長させた。図３に構造を示す。
（１）ｎ型ＧａＮ半導体層 ３
（２）ＧａＮ活性層（発光層） ４
（３）ｐ型ＧａＮ半導体層 ５
【００７１】
次に、ｐ型ＧａＮ半導体層の表面に、真空蒸着法で、銀を０．５μｍの厚さに蒸着した後、Ａｕ／錫合金を１．５μｍの厚さに蒸着した。一方、実施例２のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板の片側の表面にも、同様の方法でＡｕ／錫合金を１．５μｍの厚さに蒸着した。両基板をＡｕ／錫合金層が接する図３の様に積層し、温度５００℃で、５ＭＰａの加圧下で５分間保持し接合した。得られた接合体は、酸処理により単結晶Ｓｉ層をエッチング除去した後、研削加工によりＳｉＣ層を完全に除去した。
【００７２】
その後、露出したｎ型ＧａＮ層表面をエッチングにより、表面粗化した後、酸化インジウム錫の透明導電体層を形成した。次に、ｎ型電極としてＡｕを蒸着して、レーザー加工により、個々のＬＥＤ発光素子とした。
【００７３】
（実施例１５）
炭化珪素粉末Ａ（平均粒子径：２００μｍ）１８００ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（平均粒子径：２０μｍ）９００ｇ、窒化アルミニウム粉末（トクヤマ社製、Ｆグレード、平均粒子径：２μｍ）３００ｇ、及び成形バインダー（メチルセルロース）１５０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ５５ｍｍ×１１０ｍｍの寸法の円柱状に面圧１０ＭＰａでプレス成形した後、成形圧力１００ＭＰａでＣＩＰ成形して成形体を作製した。
【００７４】
得られた成形体を、大気雰囲気中、温度６００℃で２時間脱脂処理後、アルゴン雰囲気下、温度１９５０℃で２時間焼成して、気孔率が１５体積％のプリフォームを得た。得られたプリフォームを、マシニングセンターでダイヤモンド砥石を用い、外形寸法が、Φ５２ｍｍ×１００ｍｍの形状に加工した。研削加工により３点曲げ強度測定用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）を作製し、３点曲げ強度を測定した。その結果、３点曲げ強度が、１２５ＭＰａであった。
【００７５】
得られたプリフォームを実施例１と同様の方法で処理してΦ５２ｍｍ×１００ｍｍ形状のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料を得た。得られたＬＥＤ発光素子用金属基複合材料より、実施例１と同様に試験体を作製し特性評価を行った。
【００７６】
次に、得られたＬＥＤ発光素子用金属基複合材料を、円筒研削盤でダイヤモンドの砥石を用いてΦ５０．８ｍｍ×１００ｍｍの円柱形状に外周加工を行った後、実施例１と同様にして板厚０．２５ｍｍの円板状に加工した。次に、円板状のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料を、ラップ盤でダイヤモンドの砥粒を用いて板厚０．２ｍｍでまで研磨加工を行ってＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板を作製した。
【００７７】
次に、この金属基複合材料の表面を洗浄後、ＣＶＤ法により複合材料の表面に１μｍ厚のＤＬＣ膜を形成した。得られた金属基複合材料の物性値を表１０に示す。また、実施例１と同様の評価を行った結果を表１１に示す。
【００７８】
（実施例１６）
窒化アルミニウム粉末（平均粒子径２μｍ）２８８０ｇ、酸化イットリウム粉末（信越レア・アース社製、ＵＵグレード、平均粒子径１μｍ）１２０ｇ、及び成形バインダー（メチルセルロース）１５０ｇ、純水１５０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ５５ｍｍ×１１０ｍｍの寸法の円柱状に面圧１０ＭＰａでプレス成形した後、成形圧力１００ＭＰａでＣＩＰ成形して成形体を作製した。
【００７９】
得られた成形体を、大気雰囲気中、温度６００℃で２時間脱脂処理後、窒素雰囲気下、温度１７８０℃で４時間焼成して、気孔率が２２体積％のプリフォームを得た。得られたプリフォームは、マシニングセンターでダイヤモンド砥石を用いて、外形寸法が、Φ５２ｍｍ×１００ｍｍの形状に加工した。得られたプリフォームより、研削加工により３点曲げ強度測定用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）を作製し、３点曲げ強度を測定した。３点曲げ強度は９０ＭＰａであった。
【００８０】
次に、得られたプリフォームを、アルミニウム合金の代わりに純アルミニウムを使用した以外は、実施例１と同様の方法で処理してΦ５２ｍｍ×１００ｍｍ形状のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料を得た。得られたＬＥＤ発光素子用金属基複合材料より、実施例１と同様に試験体を作製し特性評価を行った。
【００８１】
次に、ＬＥＤ発光素子用金属基複合材料を、円筒研削盤でダイヤモンドの砥石を用いてΦ５０．８ｍｍ×１００ｍｍの円柱形状に外周加工を行った後、実施例１と同様にして板厚０．２５ｍｍに加工した。得られた円板状のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料は、ラップ盤でダイヤモンドの砥粒を用いて板厚０．２ｍｍまで研磨加工を行ってＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板を作製した。
【００８２】
次に、この金属基複合材料の表面を洗浄後、ＣＶＤ法により複合材料の表面に０．５μｍ厚のＤＬＣ膜を形成した。得られた金属基複合材料の物性値を表１０に示す。また、実施例１と同様の評価を行った結果を表１１に示す。
【００８３】
（実施例１７）
窒化珪素粉末（電気化学工業社製、ＮＰ−２００、平均粒子径：１μｍ）２７９０ｇ、酸化イットリウム粉末（平均粒子径：１μｍ）１５０ｇ、酸化マグネシウム粉末（岩谷化学社製、ＭＪ−３０、平均粒子径：１μｍ）６０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ５５ｍｍ×１０ｍｍの寸法の円板状に面圧１０ＭＰａでプレス成形した後、成形圧力１００ＭＰａでＣＩＰ成形して成形体を作製した。
【００８４】
得られた成形体を、０．９ＭＰａの窒素加圧雰囲気下、温度１８８０℃で４時間焼成して、気孔率が１３体積％のプリフォームを得た。得られたプリフォームは、マシニングセンターでダイヤモンド砥石を用いて、外形寸法が、Φ５２ｍｍ×５ｍｍの形状に加工した。得られたプリフォームより、研削加工により３点曲げ強度測定用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）を作製し、３点曲げ強度を測定した。その結果、３点曲げ強度が、１５０ＭＰａであった。
【００８５】
次に、得られたプリフォームを実施例１と同様の方法で処理してΦ５２ｍｍ×１０ｍｍ形状のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料を得た。得られたＬＥＤ発光素子用金属基複合材料より、実施例１と同様に試験体を作製し特性評価を行った。
【００８６】
得られたＬＥＤ発光素子用金属基複合材料を、ウォータージェット加工機でΦ５０．８ｍｍ×５ｍｍの円板形状に外周加工を行った。次に、平面研削盤で＃２３０のダイヤモンド砥石を用いて板厚０．２２ｍｍの円板形状に研削加工後、＃８００のダイヤモンド砥石を用いて板厚０．２ｍｍまで研削加工を行ってＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板を作製した。
【００８７】
次に、この金属基複合材料の表面を洗浄後、ＰＶＤ法により複合材料の表面に１μｍ厚のＤＬＣ膜を形成した。得られた金属基複合材料の物性値を表１０に示す。また、実施例１と同様の評価を行った結果を表１１に示す。
【００８８】
（実施例１８）
ダイヤモンド粉末Ａ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ社製、ＭＢＧ−６００、平均粒子径：１２０μｍ）１１．５ｇとダイヤモンド粉末Ｂ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ社製、ＭＢＧ−６００、平均粒子径：１５μｍ）５．０ｇを、アルミナ製の乳鉢で１０分間混合した後、外形寸法７０ｍｍ×７０ｍｍ×２０ｍｍ（内径寸法Φ５２．５ｍｍ×２０ｍｍ）の筒状の黒鉛治具（１）に、外形寸法Φ５２．４ｍｍ×９ｍｍの黒鉛治具（２）を挿入した後、ダイヤモンドの混合粉末１０ｇを充填し、更に、ダイヤモンドの混合粉末の上面に黒鉛治具（２）を挿入して構造体とした。次に、７０ｍｍ×７０ｍｍ×０．８ｍｍｔのステンレス板に黒鉛離型材を塗布して離型板を作製し、この構造体を、離型板を挟んで積層し、上下に１２ｍｍ厚みの鉄板を配置して、Ｍ１０のボルト８本で連結して一つの積層体とした。充填したダイヤモンド粉末の質量及び体積より気孔率を算出した結果、気孔率は３９体積％であった。
【００８９】
次に、この積層体を実施例１と同様の方法で処理して、７０ｍｍ×７０ｍｍ×２０ｍｍの形状で周囲が黒鉛治具に囲まれたＬＥＤ発光素子用金属基複合材料を得た。得られたＬＥＤ発光素子用金属基複合材料は、黒鉛治具に囲まれた構造となっており、アルミニウム−ダイヤモンドからなる金属基複合材料が露出するまで、両主面側（７０ｍｍ×７０ｍｍ）より、平面研削盤でダイヤモンド砥石を用いて研削加工を行い、７０ｍｍ×７０ｍｍ×２ｍｍｔの板状形状に加工した。次に、ウォータージェット加工機で、Φ５０．８ｍｍ×２ｍｍの円板形状に外周加工を行った。
【００９０】
次に、得られたＬＥＤ発光素子用金属基複合材料より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体（２ｍｍ×３ｍｍ×１０ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）、３点曲げ強度測定用試験体（２ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）、体積固有抵抗測定用試験体（３５ｍｍ×３５ｍｍ×２ｍｍ）を作製した。それぞれの試験体を用いて、実施例１と同様にして評価を行った。
【００９１】
得られたＬＥＤ発光素子用金属基複合材料を、平面研削盤で＃２３０のダイヤモンド砥石を用いて板厚０．１６ｍｍの円板形状に研削加工後、＃４００のダイヤモンド砥石を用いて板厚０．１５ｍｍでまで研削加工を行ってＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板を作製した。
【００９２】
次に、この金属基複合材料の表面を洗浄後、ＣＶＤ法により複合材料の表面に０．５μｍ厚のＤＬＣ膜を形成した。得られた金属基複合材料の物性値を表１０に示す。また、実施例１と同様の評価を行った結果を表１１に示す。
【００９３】
（実施例１９）
１００ｍｍ×１００ｍｍ×０．８ｍｍｔのステンレス板に黒鉛離型材を塗布して離型板を作製し、形状１００ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍの等方性黒鉛成形体（東海カーボン社製Ｇ４５８／気孔率：１３体積％）を、離型板を挟んで両側に１２ｍｍ厚みの鉄板を配置して、Ｍ１０のボルト８本で連結して一つの積層体とした。次に、この積層体を実施例１と同様の方法で処理して１００ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍの形状の金属基複合材料を得た。得られた金属基複合材料より、実施例１と同様に試験体を作製し特性評価を行った。
【００９４】
得られたＬＥＤ発光素子用金属基複合材料は、ダイヤモンドソーで切断加工後、円筒研削盤でダイヤモンドの砥石を用いて、Φ５０．８ｍｍ×１００ｍｍの円柱形状に外周加工を行った。得られたＬＥＤ発光素子用円柱形状の金属基複合材料を、マルチワイヤーソーでダイヤモンド砥粒を用いて、切断切り込み速度０．５ｍｍ／ｍｉｎで板厚０．４ｍｍの円板状に切断加工した。得られたＬＥＤ発光素子用円板状の金属基複合材料を、両面研削盤で＃６００のダイヤモンド砥石を用いて板厚０．３ｍｍに研削加工を行ってＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板とした。
【００９５】
次に、この金属基複合材料の表面を洗浄後、ＰＶＤ法により複合材料の表面に０．５μｍ厚のＤＬＣ膜を形成した。得られた金属基複合材料の物性値を表１０に示す。また、実施例１と同様の評価を行った結果を表１１に示す。
【００９６】
【表９】
【００９７】
【表１０】
【００９８】
【表１１】
【符号の説明】
【００９９】
１）成長基板
２）成長基板上に形成された窒化物のバッファー層
３）ｎ型のIII−Ｖ族半導体層
４）発光層
５）ｐ型のIII−Ｖ族半導体層
６）金属層（反射層）
７）金属層
８）金属基複合材料基板
９）透明導電層
１０）表面コーティング層
１１）基材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、ダイヤモンド及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上からなり、気孔率が１０〜５０体積％の平板状の多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなる金属基複合材料であって、板厚が０．０５ｍｍ〜１ｍｍで、表面が０．０１〜１０μｍのＤＬＣ膜で覆われ、少なくとも一主面の表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜０．５μｍであることを特徴とするＬＥＤ発光素子用金属基複合材料。
【請求項２】
温度２５℃の熱伝導率が１００〜５００Ｗ／ｍＫ、温度２５℃〜１５０℃の線熱膨張係数が４〜９×１０-6／Ｋ、３点曲げ強度が５０ＭＰａ以上、体積固有抵抗が１０-9〜１０-5Ω・ｍであることを特徴とする、請求項１記載のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板。
【請求項３】
温度２５℃の５規定のＨＣｌ溶液及び温度７５℃の１０規定のＮａＯＨ溶液にそれぞれ１分間浸漬したときの少なくとも一主面の重量減少量が０．２ｍｇ／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１又は２記載のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板。
【請求項４】
炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、ダイヤモンド及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上からなり、気孔率が１０〜５０体積％、３点曲げ強度が５ＭＰａ以上である多孔体に、溶湯鍛造法にて含浸圧力３０ＭＰａ以上でアルミニウム合金を含浸し、板厚０．０５〜１ｍｍで、表面粗さ（Ｒａ）０．０１〜１μｍに、切断及び／又は研削加工した後、表面にＤＬＣ膜を厚みが０．１〜１０μｍとなるように形成することを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項記載のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板の製造方法。
【請求項５】
下記の工程を順次経て製造される、ＬＥＤ発光素子。
（１）円板状又は平板状の単結晶成長基板の一主面上に、III−Ｖ族半導体結晶をエピタキシャル成長させる工程。
（２）III−Ｖ族半導体結晶面に金属層を介して、請求項１〜３のうちいずれか一項記載のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板を接合し、裏面をレーザー照射、エッチング、研削のいずれかの方法により、単結晶成長基板を除去する工程。
（３）III−Ｖ族半導体結晶面の表面加工、電極形成を行った後、切断加工する工程。
【請求項６】
単結晶成長基板が、単結晶サファイア、単結晶炭化珪素、単結晶ＧａＡｓ、単結晶Ｓｉの群から選ばれることを特徴とする請求項５記載のＬＥＤ発光素子。
【請求項７】
単結晶成長基板が、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓの群から選ばれる材料で表面コーティングされたことを特徴とする請求項５又は６記載のＬＥＤ発光素子。
【請求項８】
III−Ｖ族半導体結晶が、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰのいずれかであることを特徴とする請求項５〜７のうちいずれか一項記載のＬＥＤ発光素子。
【請求項１】
炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、ダイヤモンド及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上からなり、気孔率が１０〜５０体積％の平板状の多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなる金属基複合材料であって、板厚が０．０５ｍｍ〜１ｍｍで、表面が０．０１〜１０μｍのＤＬＣ膜で覆われ、少なくとも一主面の表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜０．５μｍであることを特徴とするＬＥＤ発光素子用金属基複合材料。
【請求項２】
温度２５℃の熱伝導率が１００〜５００Ｗ／ｍＫ、温度２５℃〜１５０℃の線熱膨張係数が４〜９×１０-6／Ｋ、３点曲げ強度が５０ＭＰａ以上、体積固有抵抗が１０-9〜１０-5Ω・ｍであることを特徴とする、請求項１記載のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板。
【請求項３】
温度２５℃の５規定のＨＣｌ溶液及び温度７５℃の１０規定のＮａＯＨ溶液にそれぞれ１分間浸漬したときの少なくとも一主面の重量減少量が０．２ｍｇ／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１又は２記載のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板。
【請求項４】
炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、ダイヤモンド及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上からなり、気孔率が１０〜５０体積％、３点曲げ強度が５ＭＰａ以上である多孔体に、溶湯鍛造法にて含浸圧力３０ＭＰａ以上でアルミニウム合金を含浸し、板厚０．０５〜１ｍｍで、表面粗さ（Ｒａ）０．０１〜１μｍに、切断及び／又は研削加工した後、表面にＤＬＣ膜を厚みが０．１〜１０μｍとなるように形成することを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項記載のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板の製造方法。
【請求項５】
下記の工程を順次経て製造される、ＬＥＤ発光素子。
（１）円板状又は平板状の単結晶成長基板の一主面上に、III−Ｖ族半導体結晶をエピタキシャル成長させる工程。
（２）III−Ｖ族半導体結晶面に金属層を介して、請求項１〜３のうちいずれか一項記載のＬＥＤ発光素子用金属基複合材料基板を接合し、裏面をレーザー照射、エッチング、研削のいずれかの方法により、単結晶成長基板を除去する工程。
（３）III−Ｖ族半導体結晶面の表面加工、電極形成を行った後、切断加工する工程。
【請求項６】
単結晶成長基板が、単結晶サファイア、単結晶炭化珪素、単結晶ＧａＡｓ、単結晶Ｓｉの群から選ばれることを特徴とする請求項５記載のＬＥＤ発光素子。
【請求項７】
単結晶成長基板が、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓの群から選ばれる材料で表面コーティングされたことを特徴とする請求項５又は６記載のＬＥＤ発光素子。
【請求項８】
III−Ｖ族半導体結晶が、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰのいずれかであることを特徴とする請求項５〜７のうちいずれか一項記載のＬＥＤ発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−３８９４８（Ｐ２０１２−３８９４８Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７８３０６（Ｐ２０１０−１７８３０６）
【出願日】平成２２年８月９日（２０１０．８．９）
【出願人】（０００００３２９６）電気化学工業株式会社 (1,539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月９日（２０１０．８．９）
【出願人】（０００００３２９６）電気化学工業株式会社 (1,539)
【Ｆターム（参考）】
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