(57)【要約】【課題】金属等よりなる放熱基板の反射作用及び放熱作用が十分でないので、高輝度化できず、また、蛍光体層の蛍光体も高熱で温度消光によって蛍光強度が低下すると共に、蛍光体の劣化及び信頼性の低下を招いていた。【解決手段】放熱基板２’は、金属含浸グラファイト基材２１、金属含浸グラファイト基材２１の表面に形成された金属反射層２２を備え、金属含浸グラファイト基材２１の裏面をナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダの幅の凸部及び凹部を有する凹凸構造２１ａとした。金属反射層２２により高反射作用を維持すると共に、この凹凸構造２１ａにより放熱作用を著しく向上させることができる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属含浸炭素系基材と、
該金属含浸炭素系基材の表面に設けられた金属反射層と
を具備し、
前記金属含浸炭素系基材の裏面にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダの幅の凸部及び凹部を有する第１の凹凸構造を形成した放熱基板。
【請求項２】
前記第１の凹凸構造の高さはサブミクロメートルオーダ以上である請求項１に記載の放熱基板。
【請求項３】
さらに、前記第１の凹凸構造の幅より大きい不規則的幅の第２の凹凸構造を前記金属含浸炭素系基材の裏面に形成した請求項１に記載の放熱基板。
【請求項４】
前記第２の凹凸構造はミクロメートルオーダ以上の幅の凸部及び凹部を有する請求項３に記載の放熱基板。
【請求項５】
前記第２の凹凸構造の高さはミクロメートルオーダ以上である請求項４に記載の放熱基板。
【請求項６】
金属含浸炭素系基材の表面に金属反射層を形成する金属反射層形成工程と、
前記金属含浸炭素系基材の裏面をナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダの幅の凸部及び凹部を有する第１の凹凸構造に加工する第１の凹凸構造加工工程と
を具備する放熱基板の製造方法。
【請求項７】
前記第１の凹凸構造の高さはサブミクロメートルオーダ以上である請求項６に記載の放熱基板の製造方法。
【請求項８】
前記第１の凹凸構造加工工程はプラズマエッチング工程である請求項６に記載の放熱基板の製造方法。
【請求項９】
さらに、前記金属反射層形成工程の前に前記金属含浸炭素系基材の表面を機械的表面研磨法によって鏡面仕上げする鏡面仕上げ工程を具備する請求項６に記載の放熱基板の製造方法。
【請求項１０】
さらに、前記第１の凹凸構造加工工程の前に前記金属含浸炭素系基材の裏面から前記金属反射層の残渣を取除く裏面前処理工程を具備する請求項６に記載の放熱基板の製造方法。
【請求項１１】
さらに、前記第１の凹凸構造加工工程の前に、前記第１の凹凸構造の周期より大きい不規則的周期の第２の凹凸構造を前記金属含浸炭素系基材の裏面に加工する工程を具備する請求項６に記載の放熱基板の製造方法。
【請求項１２】
前記第２の凹凸構造はミクロメートルオーダ以上の幅の凸部及び凹部を有する請求項１１に記載の放熱基板の製造方法。
【請求項１３】
前記第２の凹凸構造の高さはミクロメートルオーダ以上である請求項１２に記載の放熱基板の製造方法。
【請求項１４】
請求項１〜３のいずれかに記載の放熱基板と、
該放熱基板の前記金属反射層上に形成された蛍光体層と、
前記蛍光体層及び前記放熱基板より空間的に離れて配置された発光素子と
を具備する光半導体装置。
【請求項１５】
前記蛍光体層の代りに蛍光体含有樹脂層を具備する請求項１４に記載の光半導体装置。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は放熱基板及びその製造方法並びにその放熱基板を用いた光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光ダイオード（LED）素子、半導体レーザ（LD）素子等の発光素子と発光素子の光の一部をより長い波長の光に変換する蛍光体含有樹脂層とを組合わせた白色光半導体装置では、高輝度化が進み、一般照明、自動車のヘッドライト、プロジェクタ等の応用範囲が広がっている。
【０００３】
放熱基板が適用された第１の従来の光半導体装置は、放熱基板上に設けられた発光素子と、この発光素子上に設けられた蛍光体含有樹脂層とを備えている。すなわち、発光素子からの一部の光は蛍光体含有樹脂層に吸収されずに蛍光体含有樹脂層を通過して出光され、また、発光素子からの他の一部の光の蛍光体含有樹脂層によってより長波長の光に変換された後に出光され、これら２つの光を合わせて出光する透過方式を採用している。
【０００４】
上述の第１の従来の光半導体装置を高輝度化する方法としては、発光素子に大電流を投入して励起光強度を大きくすることである。しかしながら、この場合、実際には、蛍光体含有樹脂層で熱が発生し、この結果、蛍光体含有樹脂層において樹脂成分の変色及び蛍光体の温度消光によって蛍光強度が低下すると共に、蛍光体の劣化及び信頼性の低下を招く。従って、発光強度は飽和して減少する。
【０００５】
ここで、蛍光体含有樹脂層における樹脂成分の変色とは、蛍光体含有樹脂層が蛍光体粉末を樹脂成分と混練してペースト状に調整し、印刷法等を用いて塗布形成して再現性ある一定の形状にしてあり、この樹脂成分が加熱されて200℃程度以上になると変色する現象をいう。樹脂成分が本来透明であるので、樹脂成分に変色が起こると、変色樹脂成分は発光素子から励起光及び蛍光体樹脂層からの蛍光の一部を吸収する。従って、高輝度化が困難であった。
【０００６】
尚、蛍光体含有樹脂層の樹脂成分の変色を防止するために、樹脂を含まない蛍光体層を用いたものもある（参照：特許文献１）。しかしながら、この場合でも、蛍光体層で熱が発生すると、蛍光体の温度消光によって蛍光強度が低下する。
【０００７】
図１０は放熱基板が適用された第２の従来の光半導体装置を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）の放熱基板が設けられている部分の平面図である(参照：特許文献２)。
【０００８】
図１０において、発光素子１と、放熱基板２に接合剤３によって接合された樹脂成分を実質的に含んでいない蛍光体層４とが空間的に離れて配置されている。尚、発光素子１はたとえばGaN系材料よりなる波長約440nm〜470nmの青色光を発生する青色LED素子であり、接合剤３は、有機接着剤、無機接着剤、低融点ガラス、金属（ろう付けによる）等よりなる。蛍光体層４の蛍光体はY3Al5O12:Ce3+（YAG: Ce3+）などの黄色蛍光体を用い、樹脂成分が５重量％以下とする。この場合も、発光素子１からの一部の光は蛍光体層４に吸収されずに通過して放熱基板２によって反射されて蛍光体層４から出光され、また、発光素子１からの他の一部の光R2は蛍光体層４によってより長波長の光に変換された後に蛍光体層４から直接出光されもしくは放熱基板２によって反射されて蛍光体層４から出光され、これら２つの光が合わされて出光する反射方式を採用している。
【０００９】
放熱基板２が、発光素子１からの直接光及び蛍光体層４によって変換された光を反射させる反射作用と、蛍光体層４から熱を放散して放熱する放熱作用と、蛍光体層４を支持する支持作用とを必要とするので、放熱基板２は、高反射特性、高放熱特性及び高加工性を有する金属、アルミナ等の酸化物セラミックス、窒化アルミニウム等の非酸化セラミックスよりなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−５３６７号公報
【特許文献２】特開２０１１−１２９３５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述の第２の従来の光半導体装置の金属等よりなる放熱基板２の反射作用及び放熱作用が十分でないので、高輝度化できず、また、蛍光体層の蛍光体も高熱で温度消光によって蛍光強度が低下すると共に、蛍光体の劣化及び信頼性の低下を招くという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の課題を解決するために、本発明に係る放熱基板は、金属含浸炭素系基材と、金属含浸炭素系基材の表面に設けられた金属反射層とを具備し、金属含浸炭素系基材の裏面にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダの幅の凸部及び凹部を有する凹凸構造を形成したものである。これにより、金属含浸炭素系基材の裏面の表面積が増加する。この結果、放熱特性が向上する。
【００１３】
また、本発明に係る放熱基板の製造方法は、金属含浸炭素系基材の表面に金属反射層を形成する金属反射層形成工程と、金属含浸炭素系基材の裏面をナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダの幅の凸部及び凹部を有する凹凸構造に加工する凹凸構造加工工程とを具備する。
【００１４】
さらに、本発明に係る光半導体装置は、上述の放熱基板と、放熱基板の金属反射層上に形成された蛍光体層と、蛍光体層及び放熱基板より空間的に離れて配置された発光素子とを具備するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、金属含浸グラファイト基材の裏面の表面積にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダの幅の凸部及び凹部を有する凹凸構造が形成されるので、可視光を含む領域及び遠赤外領域の反射率が低くなり、輻射による放熱性を高くできる。この結果、光半導体装置に適用された場合、蛍光体層の蛍光強度を向上できると共に、蛍光体の劣化及び信頼性の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る放熱基板が適用された光半導体装置の実施の形態を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）の放熱基板が設けられた部分の平面図である。
【図２】図１の放熱基板の拡大断面図である。
【図３】図１、図２の放熱基板の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】図３のステップ３０１によって得られる金属反射層の反射率特性を示すグラフである。
【図５】図３のステップ３０３に用いられるプラズマエッチング装置を示す図である。
【図６】図３のステップ３０３によって得られる金属含浸グラファイト基材の裏面の凹凸構造の走査型電子顕微鏡（SEM）写真である。
【図７】図３のステップ３０３によって得られる金属含浸グラファイト基材の裏面の反射率特性を示すグラフである。
【図８】図３のフローチャートの変更例を示すフローチャートである。
【図９】図１の光半導体装置の変更例を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）の放熱基板が設けられた部分の平面図である。
【図１０】従来の放熱基板が適用された光半導体装置を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）の放熱基板が設けられた部分の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は本発明に係る放熱基板が適用された光半導体装置の実施の形態を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）の放熱基板が設けられた部分の平面図である。図１においては、図１０の放熱基板２の代りに放熱基板２’を設けてある。
【００１８】
蛍光体層４には、樹脂成分を含んでいるものや、ガラス封止のものを用いることができ、また、樹脂成分を含んでいないもの（蛍光体セラミックスなど）を用いることもできる。
【００１９】
蛍光体層４は放熱基板２’に接合剤３によって接合される。ここで、接合剤３には高熱伝導性を有する材料が好ましく、たとえばシリコーン樹脂などの高い透明樹脂を用いることができる。すなわち、接合剤３には、たとえば、シリコーン樹脂などの高い透明樹脂中に蛍光体粒子を分散、塗布させたものを用いることができる。また、蛍光体層４には接合剤３を用いずに放熱基板２’に直接形成しても良く、たとえば印刷法などを用いて蛍光体層４を放熱基板２’に直接形成しても良い。
【００２０】
図２は図１の放熱基板２’の拡大断面図である。図２において、放熱基板２’は、金属含浸グラファイト基材２１、金属含浸グラファイト基材２１の表面に形成された金属反射層２２を備え、金属含浸グラファイト基材２１の裏面をナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダの幅Ｗ１、Ｗ２の凸部及び凹部を有する凹凸構造２１ａとした。尚、凹凸構造２１ａの高さＨはサブミクロメートルオーダ以上である。金属反射層２２により高反射作用を維持し、この凹凸構造２１ａにより放熱作用を著しく向上させることができる。従って、光半導体装置に適用した場合、蛍光体層の蛍光体の劣化及び信頼性の低下を招かない。また、金属基材に比べ金属グラファイト基材は比重が小さいので、金属含浸グラファイト基材２１を用いることで放熱基板２’を軽量化できる。さらに、金属含浸グラファイト基材２１はその靭性が大きくなるので、放熱材料としての加工性、金属反射層２２との密着性が向上し、金属反射層２２との間の空隙がなくなる。
【００２１】
次に、図２の放熱基板２’の製造方法を図３を参照して説明する。
【００２２】
始めに、ステップ３０１を参照すると、金属含浸グラファイト基材２１の表面側にたとえば２重量％の腐食防止用のNd添加のAlよりなる金属反射層２２を形成する。含浸金属はアルミニウム、アンチモン、錫、鉛、亜鉛、銅等のいずれでもよく、またはこれらの合金でもよい。この場合、予め金属含浸グラファイト基材２１の少なくとも表面側はバフ研磨等の機械的表面研磨法を用いて鏡面仕上げされている。尚、金属含浸グラファイト基材２１に金属が含浸していなければ、この鏡面仕上げが困難となる。金属含浸グラファイト基材２１をスパッタリング装置に投入し、アルゴン（Ar）ガスを用いたスパッタリングを行う。このスパッタリングの条件は次のごとくである。
RFパワー：700W
スパッタガス（Ar）圧力：1Pa
Ar流量：約50sccm
スパッタ時間：6分
この結果、厚さ約1500ÅのAlよりなる金属反射層２２が形成される。これにより得られる平均反射率は、図４に示すごとく、可視領域波長400〜800nmで約90％で高く維持できる。金属反射層２２の形成後、必要に応じて、金属反射層２２の表面に、増反射、腐食防止を目的としたコーティングを施してもよい。
【００２３】
尚、ステップ３０１における金属反射層２２の形成方法は、スパッタリング法以外に、真空蒸着法、イオンアシスト蒸着法、イオンプレーティング法等の物理的蒸着（PVD）法、化学的蒸着（CVD）法、あるいはディッピング法でもよい。また、金属反射層２２の材料としては、Alの単体以外に、Cu、Ti、Si、Ag、Au、Ni、Mo、W、Fe、Pd、Nd等の単体でよく、さらに、これらの単体金属２種以上含む合金でよい。
【００２４】
次に、ステップ３０２を参照すると、金属含浸グラファイト基材２１の裏面の前処理つまりステップ３０１にて金属含浸グラファイト基材２１の裏面に析出したアルミニウムを取除く。すなわち、金属反射層２２が形成された金属含浸グラファイト基材２１をプラズマエッチング装置に投入し、塩素ガス（Cl2）及び三塩化ホウ素（BCl3）ガスを用いたプラズマエッチングを行う。このプラズマエッチングの条件は次のごとくである。
RFパワー：250W
エッチングガス圧力：3.39Pa（30mTorr）
Cl2流量：70sccm
BCl3流量：20sccm
エッチング時間：15分
この結果、金属含浸グラファイト基材２１の裏面における残渣Alは取除かれる。この場合、金属反射層２２がエッチングされるのを防止するために、レジスト等よりなるマスクを金属反射層２２上に形成してもよい。
【００２５】
尚、エッチングガスとしては、塩素ガス及び三塩化ホウ素ガス以外に、臭化水素（HBr）ガス、臭化ホウ素（BBr）ガス等あるいはこれらの混合ガスでもよい。また、プラズマエッチング法の代り、塩酸、燐酸、硝酸等のエッチング液を用いたウェットエッチング法を用いてもよい。
【００２６】
次に、ステップ３０３を参照すると、ステップ３０２にてアルミニウム残渣を取除かれた金属含浸グラファイト基材２１の裏面にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダの幅Ｗ１、Ｗ２の凸部、凹部を有する凹凸構造２１ａを形成する。尚、凹凸構造２１ａの高さＨはサブミクロメートルオーダ以上である。すなわち、裏面を上にして金属含浸グラファイト基材２１をプラズマエッチング装置に投入し、金属含浸グラファイト基材２１を酸素（O2）ガスを用いたプラズマエッチング法によってエッチングを行う。
【００２７】
図５のプラズマエッチング装置を説明すると、真空チャンバ５０１内において、金属含浸グラファイト基材２１は基板ホールダ５０２に密着されている。基板ホールダ５０２は高周波電源５０３に接続され、カソード電極として作用する。また、真空チャンバ５０１にはO2ガスを導入するガス導入口５０４が設けられ、必要な流量の反応ガスを真空チャンバ５０１に導入することで反応ガス密度を適当な値に設定することができる。さらに、真空チャンバ５０１には真空ポンプ（図示せず）に接続されたガス排出口５０５が設けられており、真空チャンバ５０１内を適当な真空度に維持することができる。真空チャンバ５０１の壁及びガス導入口５０４は接地され、アノード電極として作用する。
【００２８】
図５においては、ガス導入口５０４からのO2ガスは矢印で示すごとく金属含浸グラファイト基材２１全体に流れるようにされている。
【００２９】
図５のプラズマエッチング装置の条件は、たとえば、次のごとくである。
RFパワー：500W
圧力：6.65Pa（50mTorr）
O2流量：150sccm
エッチング時間：30分
である。
【００３０】
図５のプラズマエッチング装置では、金属含浸グラファイト基材２１はO2ガスによってエッチングされる。最終的には、図６に示すごとく、高アスペクト比のナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダの幅Ｗ１、Ｗ２の凸部、凹部を有する凹凸構造２１ａとなる。尚、凹凸構造２１ａの高さＨはサブメートルオーダ以上である。
【００３１】
尚、ステップ３０３でのプラズマエッチング法は、電子サイクロトロン共鳴（ECR）エッチング法、反応性イオンエッチング（RIE）法、大気圧プラズマエッチング法等のいずれでもよく、また、処理ガスは、O2ガス以外のArガス、CO2ガス、H2ガス、CF4ガス等、及びこれらの混合ガスのいずれでもよい。
【００３２】
図７の実線に示すように、可視光を含む領域の波長0.4-2.4μmの全域に亘る平均反射率は約2％と低くなる。しかも、遠赤外領域の平均反射率も同程度と低くなる。この場合、放射温度計（KEYENCE FT-H20、商標名）を用いて測量した。表面温度が150℃のときに、金属含浸グラファイト基材の放射率は0.97と高かった。尚、一般に、放熱材料においては、反射率が低下すると、放射率が上昇し、逆に、反射率が上昇すると、放射率が低下するという関係が成立する。従って、理想的には、放熱材料としてたとえば可視光を含む領域及び遠赤外領域の反射率ができるだけ０に近いものを用いると、放熱効率が大きくなることが分かる。この結果、エッチングされた金属含浸グラファイト基材をそのまま高放熱材料として用いることができる。
【００３３】
図８は図３のフローの変更例を示し、図３のプラズマエッチングステップ３０３の前に、サンドブラスト等の機械的表面研磨及び／またはCO2レーザ、YAGレーザ、エキシマレーザ等のハイパワーレーザ照射による表面研磨によるさらなる前処理、つまり、不規則周期のミクロメートル凹凸加工を行う。これにより、不規則的周期のたとえばミクロメートルオーダ以上の幅の凸部及び凹部を有する凹凸構造を形成する。尚、この凹凸構造の高さもミクロメートルオーダ以上である。従って、金属含浸グラファイト基材２１の凹凸構造２１ａの表面積が増大して放熱効率が高くなる。
【００３４】
尚、図８の不規則的周期のミクロ凹凸加工ステップ８０１において、金属含浸グラファイト基材２１の裏面に不規則的周期のミクロメートルオーダ以上の幅及び深さを有する凹みを多数形成して表面積を増大させてもよい。たとえば、レジスト層を塗布し、次いで、不規則的周期パターンを有するフォトマスクを用いたフォトリソグラフィによりレジスト層のパターンを形成し、このレジスト層のパターンを用いて金属含浸グラファイト基板をH2ガス及びO2ガスを用いたプラズマエッチングたとえばRIEを行い、その後、レジスト層のパターンを除去する。また、機械的ルーリングエンジン等を用いた切削方法によって不規則的周期のミクロメートルオーダ以上の幅及び深さを有する剣山型凹凸構造を形成して表面積を増大させることもできる。この剣山型凹凸構造はエッチングで逆剣山型の金型を形成し、これに液体状の金属含浸グラファイト材料、例えばカーボンブラック等を流し込んでも形成できる。これらの場合、プラズマエッチングによるナノ凹凸加工ステップ３０３は、基材裏面に形成された不規則的周期のミクロメートルオーダ以上の幅の凹部または凸部を有する凹凸構造上に形成する。
【００３５】
ここで、規則的周期のミクロメートルオーダの幅及び高さを有する凹凸構造は２次元フォトニック結晶的効果を起こし、遠赤外領域の反射率を高めるので、放熱効率が低くなる逆効果となり、好ましくない。
【００３６】
図９は図１の変更例を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）の放熱基板が設けられた部分の平面図である。
【００３７】
図９においては、図１の放熱基板２’、接合剤３及び蛍光体層４を円形状にすると共に、これらを回転駆動部５と連結することにより回転させることができる。
【００３８】
尚、図９においては、１種類の蛍光体層だけが用いられているが、２種以上の蛍光体層たとえば赤色蛍光体層、緑色蛍光体層、黄色蛍光体層を円周方向に分別して配置してもよい。また、２種以上の蛍光体層を垂直方向に配置してもよい。
【００３９】
また、上述の実施の形態においては、蛍光体層の代りに、樹脂成分が５重量％を超えた蛍光体含有樹脂層を設けてもよい。また、上述のグラファイト基材の代りに、他の炭素系基材たとえばガラス状炭素基材、ダイヤモンド基材等を用いることができる。
【００４０】
さらに、上述の実施の形態におけるナノメートルオーダとは約10〜500nmの範囲を示し、サブミクロメートルオーダとは約0.5〜10μmの範囲を示し、ミクロメートルオーダとは約10〜500μmの範囲を示す。
【符号の説明】
【００４１】
１：発光素子
２、２’：放熱基板
３：接合剤
４：蛍光体層
５：回転駆動部
２１：金属含浸グラファイト基材
２１ａ：凹凸構造
２２：金属反射層
５０１：真空チャンバ
５０２：基板ホールダ
５０３：高周波電源
５０４：ガス導入口
５０５：ガス排出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図６】
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