(57)【要約】【課題】  表面に発光ダイオードを形成でき、ダイオードからの光の少なくとも一部を波長変更して放出する、光変換機能を有する実用的な発光ダイオード用基板の製造方法を提供する。【解決手段】  発光ダイオード素子が形成可能な単結晶層と、金属元素酸化物を含有している特定の光変換用セラミックス複合体層とが積層された発光ダイオード用基板の製造工程において、発光ダイオード素子が形成可能な単結晶基板の表面から所定深さ位置に、水素イオンまたは希ガスイオンあるいはこれらの両方を注入してイオン注入領域を形成する工程Ａと、前記単結晶基板のイオン注入した面が該光変換用セラミックス複合体基板側になるように、前記単結晶基板と前記光変換用セラミックス複合体基板とを積層する工程Ｂと、前記イオン注入領域を境界として、前記単結晶基板の一部を剥離することにより前記単結晶基板を薄層化する工程Ｃとからなる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオード素子が形成可能な単結晶層と、単一金属酸化物および複合金属酸化物から選ばれる少なくとも２つ以上の酸化物相が連続的にかつ三次元的に相互に絡み合って形成されている凝固体からなる光変換用セラミックス複合体層とが積層された発光ダイオード用基板であり、前記凝固体中の酸化物相のうち少なくとも１つは蛍光を発する金属元素酸化物を含有していることを特徴とする発光ダイオード用基板の製造工程において、
発光ダイオード素子が形成可能な単結晶基板の表面から所定深さ位置に、水素イオンまたは希ガスイオンあるいはこれらの両方を注入してイオン注入領域を形成する工程Ａと、
前記単結晶基板のイオン注入した面が該光変換用セラミックス複合体基板側になるように、前記単結晶基板と前記光変換用セラミックス複合体基板とを積層する工程Ｂと、
前記イオン注入領域を境界として、前記単結晶基板の一部を剥離することにより前記単結晶基板を薄層化する工程Ｃと、
からなることを特徴とする発光ダイオード用基板の製造方法。
【請求項２】
前記単結晶基板が、Al2O3、SiC、ZnO、及びGaNからなる群から選ばれる材料からなることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード用基板の製造方法。
【請求項３】
前記工程Ｂが、前記単結晶基板と前記光変換用セラミックス複合体基板とを直接接合する工程であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光ダイオード用基板の製造方法。
【請求項４】
前記工程Ｂが、前記単結晶基板と前記光変換用セラミックス複合体基板とを、前記両基板が接合可能な物質からなる接合層を介して接合する工程であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光ダイオード用基板の製造方法。
【請求項５】
前記接合層に蛍光物質を存在させることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード用基板の製造方法。
【請求項６】
前記単結晶基板がAl2O3であり、前記光変換用セラミックス複合体基板がAl2O3結晶と、Ceで付活されたA3X5O12型結晶（式中、AはY、Tb、Sm、Gd、La、Erの群から選ばれる１種以上の元素、XはAl、Gaから選ばれる１種以上の元素である。）を含むセラミックス複合体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光ダイオード用基板の製造方法。
【請求項７】
前記Ceで付活されたA3X5O12型結晶がY3Al5O12:Ceであることを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオード用基板の製造方法。
【請求項８】
前記工程Ｃが、
前記単結晶基板と前記光変換用セラミックス複合体基板を積層して得られた、前記単結晶層およびセラミックス複合体層からなる前記発光ダイオード用基板に、熱的負荷または機械的負荷あるいはそれらの両方を加えることによって、
前記単結晶層の表面から所定深さ位置で該単結晶層の一部を剥離する工程であること、
を特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光ダイオード用基板の製造方法。
【請求項９】
前記工程Ｃが、
前記単結晶基板と前記光変換用セラミックス複合体基板を積層して得られた、前記単結晶層およびセラミックス複合体層からなる前記発光ダイオード用基板に熱的負荷を加えて、
前記単結晶層の前記イオン注入領域に水素ガスまたは希ガスあるいはこれらの両方のガスのキャビティを形成した後、
前記イオン注入領域に熱的負荷または機械的負荷あるいはそれらの両方を加えることによって、
前記単結晶層の表面から所定深さ位置で前記単結晶層の一部を剥離する工程であること、
を特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光ダイオード用基板の製造方法。
【請求項１０】
前記単結晶層の前記イオン注入領域に加えられる熱的負荷が、急速な昇温加熱であることを特徴とする請求項８または９に記載の発光ダイオード用基板の製造方法。
【請求項１１】
前記単結晶層の前記イオン注入領域に加えられる熱的負荷が、前記単結晶層の表面の一端から加熱し、徐々に加熱領域を表面全体に拡げる、または加熱領域を、加熱を開始した表面の一端の反対側に向かって移動させる方法よりもたらされるものであることを特徴とする請求項８または９に記載の発光ダイオード用基板の製造方法。
【請求項１２】
前記工程Ｃが、
前記単結晶基板と前記光変換用セラミックス複合体基板を積層して得られた、前記単結晶層およびセラミックス複合体層からなる前記発光ダイオード用基板の前記単結晶層に２５０ｎｍ以下の光を照射して、
前記単結晶層の表面から所定深さ位置で該単結晶層の一部を剥離する工程であることを、
特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光ダイオード用基板の製造方法。
【請求項１３】
前記発光ダイオード用基板の前記単結晶層に照射される光が、レーザー光であることを特徴とする請求項１２に記載の発光ダイオード用基板の製造方法。
【請求項１４】
レーザー光の照射方法が、前記発光ダイオード用基板の前記単結晶層の表面に対して、その表面の一端からライン状にレーザー光を照射し、そのレーザー光を照射を開始した表面の一端の反対側に向かって移動させる方法であることを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオード用基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディスプレイ、照明、バックライト光源等に利用できる発光ダイオード用の基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化物系化合物半導体を用いた青色発光素子を発光源とする白色発光ダイオードの開発研究が盛んに行われている。白色発光ダイオードは軽量で、水銀を使用せず、長寿命であることから、今後、需要が急速に拡大することが予測されている。青色発光素子の青色光を白色光に変換する方法として最も一般的に行なわれている方法は、例えば特許文献１に記載されているように、青色発光素子の前面に、青色光の一部を吸収して黄色光を発する蛍光体を含有するコーティング層と、光源の青色光とコーティング層からの黄色光を混色するためのモールド層とを設け、補色関係にある青色と黄色を混色することにより擬似的に白色を得るものである。従来、コーティング層としては、セリウムで付活されたイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）粉末とエポキシ樹脂の混合物が採用されている。しかし，この方法ではコーティング層を塗布する際に、含まれる蛍光体粉末の分布のむらや発光ダイオード個体毎の蛍光体粉末の量のバラツキ等が生じやすく、それに起因する発光ダイオードの色むらが指摘されている。
【０００３】
これを回避するため、青色発光素子を形成する基板自身に発光機能をもたせ、粉末を利用しない方法の提案がなされている。たとえば、特許文献２ではＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体単結晶の（１１１）面を主面とした基板上にＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる窒化物半導体層を形成し、発光層から発光される青色光を直接基板に入射し基板自身から均質な黄色蛍光を発光させることで、蛍光体粉末を含むコーティング層を用いずに発光チップのみで色むらのない均質な白色を得る方法を提案している。
【０００４】
また、ＹＡＧ蛍光体粉末を用いない別の方法として、特許文献３にＺｎＳｅ単結晶による白色発光ダイオードを得る方法が開示されている。この方法は、ＺｎＳｅ基板にｓｅｌｆ−ａｃｔｉｖａｔｅｄ（ＳＡ）発光の機能を持たせ、この基板の上にＺｎＳｅ系の青色発光ダイオードを形成し、この素子から青色の発光と同時に黄色の発光を行い白色を得る方法である。
【０００５】
しかし、前記特許文献２に記載のＹＡＧ（１１１）面基板にした白色発光ダイオードの実績はほとんど知られていない。ＹＡＧ（１１１）基板の格子間隔とその上に形成される窒化物半導体バッファ層を構成するＩｎxＧａ1-xＮの格子間隔との差が大きいため、良質な窒化物半導体層を形成することが難しいためであると考えられる。
【０００６】
また、前記特許文献３に記載のＺｎＳｅ単結晶による白色発光ダイオードは、素子の劣化が問題となっており、改善にはＺｎＳｅ基板の品質の向上が求められている。特に寿命伸張には転位密度の低減が必要であり、素子化プロセスの最適化、材料の変更などの改良が現在行われている。このことは、例えば、白色ＬＥＤ照明システム技術の応用と将来展望、監修  田口常正、シーエムシー出版、２００３年、１７０ページに記載されている。
【０００７】
特許文献４には、発光ダイオード素子が形成可能な単結晶層と、単一金属酸化物および複合金属酸化物から選ばれる少なくとも２つ以上の酸化物相が連続的にかつ三次元的に相互に絡み合って形成されている凝固体からなる光変換用セラミックス複合体層とが積層された発光ダイオード用基板であり、該凝固体中の酸化物相のうち少なくとも１つは蛍光を発する金属元素酸化物を含有していることを特徴とする発光ダイオード用基板が提案されている。
【０００８】
特許文献４に記載の発光ダイオード用基板は、発光ダイオード素子の光を透過および透過光の一部を利用して発光し、透過光と新たな発光の光を混合して放出することのできる発光ダイオード用基板である。例えば、ＩｎＧａＮ系の青色発光ダイオード用の基板として広く採用され、長い実績があり、劣化の問題が報告されていないＡｌ2Ｏ3単結晶（サファイヤ）層と上記光変換用セラミックス複合体層が接合された基板では、Ａｌ2Ｏ3単結晶層を通過し、前記光変換用セラミックス複合体層に入射した青色光が、一部は前記光変換用セラミックス複合体層を透過し、一部は吸収され黄色発光することで、これらが混合して白色発光が可能になるものであり、前記発光ダイオード用基板は、色ムラの原因となる蛍光体粉末が用いられておらず、ＺｎＳｅ基板のように劣化の問題が報告されていない発光素子および／またはその基板から構成されており、劣化が少なく、良好な発光ダイオード素子が形成可能である。
【０００９】
また、本願出願人が開示した特許文献４に記載の発光ダイオード用基板を用いるとＩｎＧａＮ系の青色発光素子の作製において最も実績のあるＡｌ2Ｏ3などの単結晶基板を用いてＩｎＧａＮ系の青色発光素子を作製でき、ＩｎＧａＮ系の青色発光素子から放出された光を、ＺｎＳｅ基板と同様に直接基板に導いて、青色光を透過させながら、同時に青色光の一部を吸収させ黄色光を発生させ、さらに同時に、複数の結晶相の３次元的な絡み合いによって、効果的に励起光と蛍光を混色して均一な光の白色発光ダイオードを得ることができる。しかも、この基板の上に青色発光素子を作製するだけで、白色発光ダイオードを得る事ができ、発光ダイオードの作製工程を大幅に簡略化することができる。さらに、単結晶基板とセラミックス複合体の接合時に接合面に別の蛍光体を存在させることによって、色調の制御が可能な基板を提供することができ、発光ダイオードの色調の制御が非常に容易にできるという特徴も有する。この色調制御により、セラミックス複合体の発光波長の自由度が大きくなるため、結果的にセラミックス複合材料の組成的な設計の自由度を増すことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−２０８８１５号公報
【特許文献２】特開２００３−２０４０８０号公報
【特許文献３】特開２０００−０８２８４５号公報
【特許文献４】特表２００７−５２９５９９号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】‘Damage structure evolution in Al2O3 irradiated with multiple ion beams of He and O and after annealing’Journal of Nuclear Materials 258-263(1998)1842-1847
【非特許文献２】‘Ion-beam induced effects at 15K in α-Al2O3 of different orientations’JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 99,123511(2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献４に記載の発光ダイオード用基板においては、発光ダイオード素子が形成可能な単結晶層は薄いことが望ましい。発光ダイオード素子の光を効率的に透過させて、光変換用セラミックス複合体層に入射させるためには、光が透過する距離が短い方が良いからである。
【００１３】
しかしながら、例えば５０μｍ以下のような厚さの単結晶層は取り扱いが困難で、また一般に入手することも困難であるため、前記発光ダイオード用基板の前記単結晶層、一定以上の厚さを有する前記単結晶層を前記光変換用セラミックス複合体層と、直接、または前記両層が接合可能な物質からなる接合層を介して接合し、前記単結晶層が必要な厚さになるように前記単結晶層から所定量を除去することにより前記単結晶層の薄層化を図る必要がある。
【００１４】
前記単結晶層の薄層化を、ワイヤーソー、切断ホイール等を用いた機械的な切断加工により精度良く行うことは、前記単結晶層の所望厚さを考慮すれば実質的に困難である。また、研削加工により前記単結晶層の薄層化を行うことは可能であるが、この場合、研削加工により除去される、前記単結晶層の薄層化に伴う不要部分（原材料単結晶）は再利用が不可能になる。
【００１５】
本発明の目的は、表面に発光ダイオードを形成でき、ダイオードからの光の少なくとも一部を波長変更して放出する、光変換機能を有する実用的な発光ダイオード用基板の製造方法であって、発光ダイオード素子が形成可能な単結晶層の高精度な薄層化と原材料単結晶の再利用を可能にする、発光ダイオード用基板の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
絶縁基板上にシリコン薄層を有するＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板について、貼り合わせ面側に水素イオンを注入したシリコン基板とハンドリング用基板（支持基板）とを貼り合わせ、熱処理を施して注入水素イオンの濃度が最も高い領域からシリコン薄層を熱剥離させる技術として知られている、スマートカット（Ｓｍａｒｔ−Ｃｕｔ、登録商標）と呼ばれる技術を、前記単結晶層の薄層化に応用できれば、高精度な薄層化と原材料単結晶の再利用が可能になる。
【００１７】
しかしながら、前記スマートカットは、前記の通りシリコン等半導体の薄層化に利用されているものの、例えば、Ａｌ2Ｏ3単結晶に適用された研究報告等を見出すことはできない。非特許文献１および２には、Ａｌ2Ｏ3単結晶へのイオン注入に関する研究報告がなされているが、イオン注入のＡｌ2Ｏ3単結晶に与える影響についての検討に留まっており、Ａｌ2Ｏ3単結晶を剥離させる技術の検討はなされていない。
【００１８】
本発明者らは、鋭意検討した結果、発光ダイオード素子が形成可能な単結晶層と、単一金属酸化物および複合金属酸化物から選ばれる少なくとも２つ以上の酸化物相が連続的にかつ三次元的に相互に絡み合って形成されている凝固体からなる光変換用セラミックス複合体層とが積層された発光ダイオード用基板であり、該凝固体中の酸化物相のうち少なくとも１つは蛍光を発する金属元素酸化物を含有していることを特徴とする発光ダイオード用基板の製造工程において、該単結晶層の表面から所定深さ位置に、水素イオンまたは希ガスイオンあるいはこれらの両方を注入してイオン注入領域を形成し、該単結晶層のイオン注入した面が該光変換用セラミックス複合体層側になるように、該単結晶層と該光変換用セラミックス複合体層とを積層し、該イオン注入領域を境界として、該単結晶層の一部を剥離することにより、該単結晶層を薄層化することで、前記問題を解決できることを見いだし、本発明にいたった。
【００１９】
すなわち、本発明は、発光ダイオード素子が形成可能な単結晶層と、単一金属酸化物および複合金属酸化物から選ばれる少なくとも２つ以上の酸化物相が連続的にかつ三次元的に相互に絡み合って形成されている凝固体からなる光変換用セラミックス複合体層とが積層された発光ダイオード用基板であり、該凝固体中の酸化物相のうち少なくとも１つは蛍光を発する金属元素酸化物を含有していることを特徴とする発光ダイオード用基板の製造工程において、
該単結晶層の表面から所定深さ位置に、水素イオンまたは希ガスイオンあるいはこれらの両方を注入してイオン注入領域を形成する工程Ａと、
該単結晶層のイオン注入した面が該光変換用セラミックス複合体層側になるように、該単結晶層と該光変換用セラミックス複合体層とを積層する工程Ｂと、
該イオン注入領域を境界として、該単結晶層の一部を剥離することにより該単結晶層を薄層化する工程Ｃと、
該単結晶層の表面を化学機械研磨および／または機械研磨により研磨する工程Ｄと
からなることを特徴とする発光ダイオード用基板の製造方法に関する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の発光ダイオード用基板の製造方法により、蛍光体粉末を用いずに、基板が発光面として使用でき、発光ダイオード素子（半導体層）の形成がしやすく、劣化が少なく、光の混合性がよく、色むらの少ない発光ダイオードを提供することができる公知の発光ダイオード用基板において、発光ダイオード素子が形成可能な単結晶層の高精度かつ経済的な薄層化が可能になる。
【００２１】
これにより、前記発光ダイオード用基板において、発光ダイオード素子（半導体層）の発光を効率良く発光ダイオード用基板に入射させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（ａ）本発明に係る発光ダイオード用基板の一実施形態を示す模式的断面図である。（ｂ）本発明に係る発光ダイオード用基板の他の実施形態を示す模式的断面図である。
【図２】（ａ）本発明の工程Ａを説明する模式図である。（ｂ）本発明の工程Ｂを説明する模式図である。（ｃ）本発明の工程Ｃを説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図１を用いて、本発明によって得られる発光ダイオード用基板を詳細に説明する。
【００２４】
本発明に係る発光ダイオード用基板は、例えば図１（ａ）および（ｂ）に示されるような、単結晶層と光変換用セラミックス複合体層とを、直接、または前記両基板が接合可能な物質からなる接合層を介して、接合することにより、積層した構造である。
【００２５】
本発明の単結晶層は、その上に発光ダイオード素子などの半導体を形成可能な従来の単結晶からなる層であり、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）が挙げられる。
【００２６】
本発明に係る光変換用セラミック複合体層は、蛍光体を含むセラミック複合材料で形成され、金属酸化物どうしが連続的にかつ３次元的に相互に絡み合って形成されている凝固体からなる。金属酸化物としては、単一金属酸化物、または、複合酸化物があり、前記単一金属酸化物または前記複合金属酸化物は、機能、例えば蛍光、を発現する元素等を含有している。このような凝固体は、原料金属酸化物を融解後、凝固して作られる複合材料である。単一金属酸化物とは、１種類の金属の酸化物であり、複合金属酸化物は、２種以上の金属の酸化物である。それぞれの酸化物は、三次元的に相互に絡み合った構造をしている。また、これらの絡み合った酸化物相の間に他の酸化物相が存在する事もある。
【００２７】
このような単一金属酸化物としては、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、酸化チタン（ＴｉＯ2）酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化クロミウム（Ｃｒ2Ｏ3）等の他、希土類元素酸化物（Ｌａ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、ＣｅＯ2、Ｐｒ6Ｏ11、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｔｂ4Ｏ７、Ｄｙ2Ｏ3、Ｈｏ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、Ｔｍ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3）が挙げられる。また複合金属酸化物としてはＬａＡｌＯ3、ＣｅＡｌＯ3、ＰｒＡｌＯ3、ＮｄＡｌＯ3、ＳｍＡｌＯ3、ＥｕＡｌＯ3、ＧｄＡｌＯ3、ＤｙＡｌＯ3、ＥｒＡｌＯ3、Ｙｂ4Ａｌ2Ｏ9、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12、Ｅｒ3Ａｌ5Ｏ12、Ｔｂ3Ａｌ5Ｏ12、１１Ａｌ2Ｏ3・Ｌａ2Ｏ3、１１Ａｌ2Ｏ3・Ｎｄ2Ｏ3、３Ｄｙ2Ｏ3・５Ａｌ2Ｏ3、２Ｄｙ2Ｏ3・Ａｌ2Ｏ3、１１Ａｌ2Ｏ3・Ｐｒ2Ｏ3、ＥｕＡｌ11Ｏ18、２Ｇｄ2Ｏ3・Ａｌ2Ｏ3、１１Ａｌ2Ｏ3・Ｓｍ2Ｏ3、Ｙｂ3Ａｌ5Ｏ12、ＣｅＡｌ11Ｏ18、Ｅｒ4Ａｌ2Ｏ9等が挙げられる。
【００２８】
以下、本発明に係る発光ダイオード用基板の好ましい態様について更に詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２９】
単結晶層としてＡｌ2Ｏ3単結晶を用い、この上にＩｎＧａＮ系の青色発光素子を形成すると、青色発光素子から放出された光は、Ａｌ2Ｏ3単結晶層に入り、さらに、光変換用セラミックス複合体層に入射される。青色光の一部はそのまま透過し、青色光の一部は光変換用セラミックス複合体層に吸収され、たとえば黄色の光が新たに放出される。光変換用セラミックス複合体層は、複数の結晶相が３次元的に絡み合っているので、この絡み合いにおいて、青色光と黄色光が有効に混合されて、放出される。
【００３０】
本発明に用いるＡｌ2Ｏ3単結晶基板はＣＺ法、ＥＦＧ法などで融液から作製されるが、それらは広く市販されているので市販品を利用することができる。
【００３１】
ＩｎＧａＮ系の青色発光素子を作製するためにはＡｌ2Ｏ3単結晶と光変換用セラミックス複合体を接合することが望ましい。このため光変換用セラミックス複合体にもＡｌ2Ｏ3結晶を含むことが好ましい。Ａｌ2Ｏ3を含む光変換用セラミック複合体を用いると、Ａｌ2Ｏ3単結晶層との接合面において屈折率の差が非常に小さくなり、効果的に光を透過することができるようになる。特に、Ａｌ2Ｏ3（０００１）を基板面にするときには、光変換材料のＡｌ2Ｏ3は（０００１）面で接合させることがより好ましい、こうすることで、Ａｌ2Ｏ3相の接合部分では結晶方位による屈折率の差がなくなり、最も効率的に光の透過が行えるようになるからである。
【００３２】
光変換用セラミックス複合体のＡｌ2Ｏ3結晶と共存する結晶相としては、少なくともセリウムで付活された複合金属酸化物であるＡ3Ｘ5Ｏ12型結晶であることが好ましい。構造式中ＡにはＹ，Ｔｂ，Ｓｍ，Ｇｄ，Ｌａ，Ｅｒの群から選ばれる１種以上の元素、同じく構造式中ＸにはＡｌ，Ｇａから選ばれる１種以上の元素が、含まれる場合が特に好ましい。この特に好ましい組み合わせからなる光変換用セラミック複合体は、紫から青色の光を透過しながら、その一部を吸収し、黄色の蛍光を発するためである。なかでもセリウムで付活されたＹ3Ａｌ5Ｏ12と、Ａｌ2Ｏ3結晶の組み合わせは強い蛍光を発するため好適である。
【００３３】
光変換用セラミックス複合体における非常に重要な特徴は、各結晶相が独立ではなく、各相が不可分な関係として一体化していることである。上記のＡｌ2Ｏ3結晶とＹ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅからなる光変換用セラミックス複合体の場合、単に２つの結晶が存在するのではなく、Ａｌ2Ｏ3でもないＹ3Ａｌ5Ｏ12でもない組成をもつ一種類の融液から同時にＡｌ2Ｏ3結晶とＹ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ結晶が結晶化をした結果として２つの結晶が存在しているのであって、独立に２つの結晶が存在する場合とは異なる。この意味において２つの結晶は不可分である。このような凝固体は単なるＡｌ2Ｏ3結晶とＹＡＧ：Ｃｅ結晶が混在している状態とは本質的に異なっており、このため、このセラミックス複合体は特異な蛍光挙動を示す。
【００３４】
光変換用セラミックス複合体を構成する凝固体は、原料金属酸化物を融解後、凝固させることで作製される。例えば、所定温度に保持したルツボに仕込んだ溶融物を、冷却温度を制御しながら冷却凝結させる簡単な方法で凝固体を得ることができるが、最も好ましいのは一方向凝固法により作製されたものである。一方向凝固をおこなうことにより含まれる結晶相が単結晶状態、またはそれに類似の状態で連続的に成長し、各相が単一の結晶方位となるためである。
【００３５】
本発明に用いる光変換用セラミック複合体は、少なくとも１つの相が蛍光を発する金属元素酸化物を含有していることを除き、本願出願人が先に特開平７−１４９５９７号公報、特開平７−１８７８９３号公報、特開平８−８１２５７号公報、特開平８−２５３３８９号公報、特開平８−２５３３９０号公報および特開平９−６７１９４号公報並びにこれらに対応する米国出願（米国特許第５，５６９，５４７号、同第５，４８４，７５２号、同第５，９０２，９６３号）等に開示したセラミックス複合材料と同様のものであることができ、これらの公報に開示した製造方法で製造できる。
【００３６】
本発明の基板上に形成する半導体層の一例としての窒化物半導体層は、複数の窒化物系化合物半導体の層からなる。複数の窒化物系化合物半導体の層は、それぞれ、一般式、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表わされる窒化物系化合物により構成されることが好ましい。そして、窒化物半導体層は、少なくとも可視光を発する発光層を有する。良好な発光層を形成するためには、それぞれの層で、各機能に最適な組成に調整した複数の窒化物系化合物半導体の層を積層することが好ましい。
【００３７】
複数の窒化物系化合物半導体の層およびこれらの層の形成方法は、例えば、Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｖｏｌ．３４（１９９５），  Ｌ７９８等に開示されているように公知の技術である。具体的には、基板上に、ＧａＮのバッファ層、ｎ電極が形成されるｎ型−ＧａＮ：Ｓｉコンタクト層、ｎ型−Ａｌ0.5Ｇａ0.9Ｎ：Ｓｉ層、ｎ型−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ：Ｓｉ層、単一量子井戸構造型発光層を形成するＩｎＧａＮ層、ｐ型‐Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ：Ｍｇ障壁層、ｐ電極が形成されるｐ型‐ＧａＮ：Ｍｇ層をＭＯＣＶＤなどの方法により、順に積層することにより得ることができる。発光層の構造は他に、多重量子井戸構造や、ホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構造としても良い。このように作製した発光ダイオード素子を、図２に示すようなパッケージに入れ、電極と接続するだけで、白色発光ダイオードとして使用することができる。
【００３８】
前記発光ダイオード用基板においては、前記単結晶層が十分に薄いことが、発光ダイオード素子（半導体層）の発光を効率良く前記光変換用セラミックス複合体基板に入射させることに効果的であり、本発明の発光ダイオード用基板の製造方法により、発光ダイオード素子が形成可能な単結晶層の高精度かつ経済的な薄層化が可能になる。
【００３９】
以下、本発明の発光ダイオード用基板の製造方法について具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４０】
（工程Ａについて）
図２（ａ）に示すように、発光ダイオード素子が形成可能な単結晶基板の表面から所定深さ位置に、水素イオンまたは希ガスイオンあるいはこれらの両方を注入して、前記単結晶基板にイオン注入領域を形成する。水素イオンの場合、分子イオンを注入して、時間当たりの照射量を多くすることができる。イオン注入のための加速エネルギー、照射量、温度等その他のイオン注入条件は、前記発光ダイオード用基板の前記単結晶層の所望厚さによって適宜選択される。所定厚さ、すなわち、所定深さとは、設計上の値であり、特に限定されないが、発光ダイオード素子の光を効率的に透過させることができ、かつ高精度な薄層化が可能な厚さ（深さ）で、通常０．１μｍから５０μｍ程度である。例えば、（０００１）面のＡｌ2Ｏ3層に、原材料単結晶基板を意図的に加熱することも冷却することも行わず水素分子イオンを注入する場合、３００ｋｅＶの加速エネルギー、１×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２の照射量で、前記Ａｌ2Ｏ3基板の表面から０．８μｍの深さに剥離させるに適当なイオン注入領域が形成される。しかし、これらの条件に限定されるものではなく、例えば、原材料単結晶基板が設置されたステージを、その内部から液体窒素などで冷却しながらイオン注入を行うことで、原材料単結晶基板のイオン注入領域に水素ガスキャビティが形成されることなく、イオン注入領域により大きな構造的変化を与えることができ、前記単結晶基板の剥離が容易に行えるようにすることもできる。
【００４１】
（工程Ｂについて）
次に、単結晶基板のイオン注入した面が該光変換用セラミックス複合体基板側になるように、前記単結晶基板と前記光変換用セラミックス複合体基板とを接合する。
【００４２】
この場合、図２（ｂ）−１に示すように、前記単結晶基板と前記光変換用セラミックス複合体基板とを直接接合することもできるし、図２（ｂ）−２に示すように、前記両基板が接合可能な物質からなる接合層を介して接合することもできる。
【００４３】
前記単結晶基板と前記光変換用セラミックス複合体基板とを直接接合する場合、例えば、高温で直接接合する方法を用いることができる。この方法は、最も簡単な方法であり界面に異相を有しないという点で最も理想的な方法である。前記単結晶基板としてＡｌ2Ｏ3基板を用いる場合、接合の温度、時間は１７００〜１８００℃、１時間〜５０時間程度が必要である。
【００４４】
前記光変換用セラミックス複合体基板が、１７００〜１８００℃で、１時間〜５０時間程度の加熱を受けた場合、前記単結晶層のイオン注入領域に、水素ガスまたは希ガスあるいはこれらの両方のガスのキャビティが形成される。
【００４５】
前記単結晶基板と前記光変換用セラミックス複合体基板とを前記両基板が接合可能な物質からなる接合層を介して接合する場合、前記単結晶基板と前記セラミックス複合体基板の接合面に非常に少量の低融点材料（例えばシリカ）を介在させる方法を採ることができる。この方法によって、より低温で接合が可能になる。ガラス等の低融点化合物を介在させる場合には、ＩｎＧａＮ系発光ダイオードのプロセス上の温度、雰囲気に考慮してその組成を決めなければならない。代表的なパイレックス（登録商標）ガラスの場合、９００℃〜１３００℃、１時間〜１０時間程度を要する。接合圧力は必ずしも必要ではないが、圧力をかけたほうがより密着性があがるので、ホットプレス装置などを用いて０．０１〜１００ＭＰａのような圧力をかけるほうが好ましい。
【００４６】
さらに、本発明の発光ダイオード用基板の一実施形態では、前記単結晶層と光変換用セラミック複合体層との間に、両層を接着可能とする物質からなる接合層を有する。より低温で接合させるために樹脂を接合層として用いるとさらに低温で接合が可能である。この場合、その接合面にあらゆる蛍光体物質を存在させることが可能になる。この蛍光体によって発光ダイオードの色調の制御が可能になる。接合部分に存在させる蛍光体物質は各種の蛍光材料が挙げられるが、白色発光ダイオードへの適用を考えた場合、赤色の蛍光を発するユーロピウムで付活したＣａ2Ｓｉ5Ｎ8、ユーロピウムで付活したＣａＡｌＳｉＮ3のような材料が好ましい。
【００４７】
（工程Ｃについて）
前記単結晶基板と前記光変換用セラミックス複合体基板を積層して得られた、前記単結晶層およびセラミックス複合体層からなる前記発光ダイオード用基板に、熱的負荷または機械的負荷あるいはそれらの両方を加えることによって、図２（ｃ）に示すように、前記単結晶層の表面から所定深さ位置で前記単結晶層の一部を剥離することができる。
【００４８】
前記発光ダイオード用基板を３００℃以上で加熱する、前記単結晶層のイオン注入領域の端面に楔状の部材を接触させ、端面に向かってその先端を押すことで端面を剪断する負荷を与える、または、前記発光ダイオード用基板を、前記単結晶層と前記光変換用セラミックス複合体層側に引っ張る、あるいは、それらの二つ以上の方法を組み合わせるなどして、前記単結晶層をイオン注入領域で分断することで、前記単結晶層の一部を剥離することができる。
【００４９】
前記単結晶基板へのイオン注入量が多く、前記工程Ｂが高温かつ長時間の工程である場合、前記工程Ｂにおいて、前記単結晶基板のイオン注入領域に、注入されたイオンがガス化してキャビティが形成される。この場合、前記発光ダイオード用基板に、熱的負荷または機械的負荷あるいはそれらの両方を加えることによって、前記工程Ｂにおいて前記単結晶層の前記イオン注入領域に形成された、水素ガスまたは希ガスあるいはこれらの両方のガスのキャビティを、成長、または亀裂により連結させることができる。
【００５０】
前記工程Ｂにおいて、前記単結晶基板のイオン注入領域に、注入されたイオンがガス化したキャビティが形成されない場合においても、前記発光ダイオード用基板に、熱的負荷または機械的負荷あるいはそれらの両方を加えることによって、前記単結晶層の前記イオン注入領域に水素ガスまたは希ガスあるいはこれらの両方のガスのキャビティを形成し、これを成長、または亀裂により連結させることで、前記単結晶層の表面から所定深さ位置で該単結晶層の一部を剥離することができる。
【００５１】
前記熱的負荷は、機械的負荷を併用しない場合は特に、急速な昇温加熱によるものであることが好ましい。イオン注入により損傷を受けている、前記単結晶基板のイオン注入領域の構造回復を急激に生じさせることで前記単結晶層の一部が剥離しやすくなるからであり、また、キャビティが形成されている場合であっても、キャビティ間のクラックの伝播が起こりやすくなるからである。赤外線またはそのレーザー光、電子ビーム等を用いて前記単結晶層を急速に加熱することができる。
【００５２】
また、前記熱的負荷は、前記単結晶層の表面の一端から加熱し、徐々に加熱領域を表面全体に拡げる、または加熱領域を、加熱を開始した表面の一端の反対側に向かって移動させる方法よりもたらされるものであることが好ましい。特に、この方法に、加熱を開始した表面の一端側から機械的負荷を加えることで、前記単結晶層が表面の一端から一方向に剥離することになり、円滑に剥離を行うことができるからである。
【００５３】
また、前記単結晶基板と前記光変換用セラミックス複合体基板を積層して得られた、前記単結晶層およびセラミックス複合体層からなる前記発光ダイオード用基板の前記単結晶層に、２５０ｎｍ以下の光を照射して、前記単結晶層の表面から所定深さ位置で該単結晶層の一部を剥離することができる。損傷を受けた、前記単結晶層のイオン注入領域がその構造を急速に回復するに十分な照射エネルギーを有する光を前記イオン注入領域に与えることで、イオン注入領域において、該単結晶層の一部を剥離することができる。
【００５４】
前記発光ダイオード用基板の前記単結晶層に照射される光はレーザー光であることが好ましく、一般にはエキシマレーザー光、例えばＡｒＦエキシマレーザー光、ＫｒＦエキシマレーザー光等を用いることができる。前記レーザー光は、前記単結晶層に面照射されても、ライン状に照射されても良い。前記単結晶層のイオン注入量により、前記レーザー光の適切な照射エネルギーが選ばれる。前記単結晶層のイオン注入量が少ない場合ほど前記レーザー光の照射エネルギーを大きくする必要がある。
【実施例】
【００５５】
次に、本発明に係る発光ダイオード用基板の製造方法の実施例について説明する。
【００５６】
（実施例１）
発光ダイオード素子が形成可能な単結晶基板として、市販品の（０００１）面のＡｌ2Ｏ3単結晶基板を用いた。その寸法は、１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚み０．５ｍｍであり、表面粗さは、１ｎｍであった。
【００５７】
このＡｌ2Ｏ3単結晶基板の主面に対して、水素分子イオンを照射することで、その表面から０．８μｍの深さの位置にイオン注入領域を形成した。イオン注入条件は、加速エネルギーを３００ｋｅＶ、照射量を１×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２とした。
【００５８】
α−Ａｌ2Ｏ3粉末（純度９９．９９％）とＹ2Ｏ3粉末（純度９９．９９９％）をモル比で８２：１８となるよう、またＣｅＯ2粉末（純度９９．９９％）を仕込み酸化物の反応により生成するＹ3Ａｌ5Ｏ12  １モルに対し０．０３モルとなるよう秤量した。これらの粉末をエタノール中、ボールミルによって１６時間湿式混合した後、エバポレーターを用いてエタノールを脱媒して原料粉末を得た。原料粉末は、真空炉中で予備溶解し一方向凝固の原料とした。
【００５９】
次に、この原料をそのままモリブデンルツボに仕込み、一方向凝固装置にセットし、１．３３×１０-3Ｐａ（１０-5Ｔｏｒｒ）の圧力下で原料を融解した。次に同一の雰囲気においてルツボを５ｍｍ／時間の速度で下降させ、ガーネット型結晶であるＹ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅとα型酸化アルミニウム型結晶であるＡｌ2Ｏ3からなるセラミックス複合体を得た。得られたセラミックス複合体は黄色を呈していた。
【００６０】
セラミックス複合体から、ダイヤモンドカッターで１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚み１ｍｍの基板を切り出し、さらに、研削盤で０．６ｍｍの厚みに仕上げた、さらに一方の表面を研磨して鏡面にした。この平均表面粗さを測定したところ０．０１４ミクロンであった。
【００６１】
次に、得られたセラミックス複合体基板を下側に配置し、その上に、イオン注入領域が形成されたＡｌ2Ｏ3単結晶基板を、そのイオン照射面がセラミックス複合体側になるように載せ、電気炉に設置した。この際に、セラミックス複合体基板の鏡面がＡｌ2Ｏ3単結晶基板側になるようにした。この試料を、大気中、１７００℃で２０時間保持し、接合することにより、積層した。また、接合時の加熱により、Ａｌ2Ｏ3単結晶層のイオン注入領域に水素ガスからなるキャビティが形成された。
【００６２】
イオン注入領域が形成されたＡｌ2Ｏ3単結晶基板とセラミックス複合体基板を積層することで得られた基板のＡｌ2Ｏ3単結晶層側とセラミックス複合体層側の両方に真空吸着によりパッドを取り付け、それぞれのパッドを逆方向に回転させることで、Ａｌ2Ｏ3単結晶層のキャビティが形成された領域に剪断応力を加えて、セラミックス複合体層側に０．８μｍ程度の厚さを残して、Ａｌ2Ｏ3単結晶層を剥離させた。
【００６３】
セラミックス複合体基板と積層されたＡｌ2Ｏ3単結晶基板の剥離面を、化学機械研磨により研磨し、ＭＯＣＶＤ法による窒化物系化合物半導体の製膜が可能な状態に調製し、その面上にＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガス、窒素ガスおよびドーパントガスをキャリアガスと共に流し、ＭＯＣＶＤ法で窒化物系化合物半導体を製膜し、青色発光層を得ることができた。ドーパントガスとしてＳｉＨ4とＣｐ2Ｍｇとを切り替えることによってｎ型窒化物系化合物半導体とｐ型窒化物系化合物半導体を形成し、ｐｎ接合を形成させることができた。
【００６４】
また、前記基板から剥離されたＡｌ2Ｏ3単結晶層の剥離面を研磨し、前記と同様の方法で同様のセラミックス複合体基板と接合し、前記と同様の方法でセラミックス複合体層側に一部を残して、Ａｌ2Ｏ3単結晶層を剥離させた。
【００６５】
セラミックス複合体基板と積層されたＡｌ2Ｏ3単結晶基板の剥離面を、前記と同様の方法により研磨し、その面上に、前記と同様の方法で青色発光層を形成することができた。
【００６６】
（実施例２）
実施例１と同様の方法で、イオン注入領域が形成されたＡｌ2Ｏ3単結晶基板とセラミックス複合体基板を積層した。
【００６７】
キャビティが形成された領域の端面に楔状の突起が接触するように、得られた基板の端面を白金製の冶具で固定し、Ａｌ2Ｏ3単結晶基板側を下にして、基板を冶具ごと皿状白金製容器に装填した。白金製容器の底に赤外線を集光することで、基板を急速に加熱し、また同時にキャビティが形成された領域の端面から機械的負荷を加えて、セラミックス複合体基板側に０．８μｍ程度の厚さを残して、Ａｌ2Ｏ3単結晶層を剥離させた。
【００６８】
セラミックス複合体基板と積層されたＡｌ2Ｏ3単結晶基板の剥離面を、化学機械研磨により研磨し、ＭＯＣＶＤ法による窒化物系化合物半導体の製膜が可能な状態に調製し、実施例１と同様に、Ａｌ2Ｏ3単結晶層上に青色発光層を得ることができた。
【００６９】
また、前記基板から剥離されたＡｌ2Ｏ3単結晶層の剥離面を研磨し、前記と同様の方法で同様のセラミックス複合体基板と接合し、前記と同様の方法でセラミックス複合体層側に一部を残して、Ａｌ2Ｏ3単結晶層を剥離させた。
【００７０】
セラミックス複合体基板と積層されたＡｌ2Ｏ3単結晶基板の剥離面を、前記と同様の方法により研磨し、その面上に、前記と同様の方法で青色発光層を形成することができた。
【００７１】
（実施例３）
実施例１と同様の方法で、イオン注入領域が形成されたＡｌ2Ｏ3単結晶基板とセラミックス複合体基板を積層した。
【００７２】
得られた基板のＡｌ2Ｏ3単結晶基板側の表面に対して、その表面の一端からライン状に５ｋＨｚでＡｒＦエキシマレーザー光を照射し、そのレーザー光を照射を開始した表面の一端の反対側に向かって移動させて、セラミックス複合体基板側に０．８μｍ程度の厚さを残して、Ａｌ2Ｏ3単結晶基板を剥離させた。
【００７３】
セラミックス複合体基板と積層されたＡｌ2Ｏ3単結晶基板の剥離面を、化学機械研磨により研磨し、ＭＯＣＶＤ法による窒化物系化合物半導体の製膜が可能な状態に調製し、実施例１と同様に、Ａｌ2Ｏ3単結晶基板上に青色発光層を得ることができた。
【００７４】
また、前記基板から剥離されたＡｌ2Ｏ3単結晶層の剥離面を研磨し、前記と同様の方法で同様のセラミックス複合体基板と接合し、前記と同様の方法でセラミックス複合体層側に一部を残して、Ａｌ2Ｏ3単結晶層を剥離させた。
【００７５】
セラミックス複合体基板と積層されたＡｌ2Ｏ3単結晶基板の剥離面を、前記と同様の方法により研磨し、その面上に、前記と同様の方法で青色発光層を形成することができた。
【符号の説明】
【００７６】
１    発光ダイオード用基板
２    単結晶層（基板）
２‘  剥離によって薄層化された単結晶層
２“  剥離によって発光ダイオード用基板から除去された単結晶層（基板として再利用が可能）
３    セラッミック複合体層（基板）
４    接合層
５    イオン注入領域
【図１】
2010238834.tif 000002
【図２】
2010238834.tif 000003