名古屋大学大学院 多元数理科学研究科...まえがき 名古屋大学大学院多元数理科学研究科は、大学院重点化の流れの中、数学の一層の飛
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三重大学 大学院工学研究科 三重大学 極限ナノエレクトロニクスセンター 平 松 和 政
2012年11月12日(月)名古屋市工業研究所 ホール
2
窒化物半導体の光
デバイスの現状
•窒化物半導体
の応用デバイス
•窒化物半導体の発光デバイス
動向
LEDデバイス作製
と結晶成長の課題
•LED基板の課
題
•非極性GaNと発
光デバイス
•ボイド形成と歪
制御術
•光取出し技術
•直接遷移型
•広範囲のエネルギーギャップ(InN:0.65eV, GaN:3.4eV, AlN:6.2eV)
•ヘテロ接合、超格子構造、量子構造の利用、大きなDEc
•小さな電子親和力(AlN:負の電子親和力)
バンド構造の特徴
•高い飽和ドリフト速度 (GaN:2.7x107cm/s)
•大きな絶縁破壊電界 (GaN:2.6x106V/cm)
電気伝導の特徴
•高い熱伝導率 (AlN: 2.9 W/cm・K 、GaN 1.3W/cm・K)
•安全な材料
その他の特徴
緑、青、白色LED
• 大型ディスプレイ
• 信号灯
• 液晶バックライト
• LED照明
• 農業・漁業・医療応用
緑、青紫、紫外LD
•高精細プロジェクタ
•高密度光記憶
•表面検査
•高精細印刷
•レーザ顕微鏡
•ウェハ表面検査
紫外LED
• 殺菌
• 表面洗浄・改質
• 公害物質分解
• 光励起プロセス
• 光硬化
• 高演色LED
紫外LD
• レーザ顕微鏡
• 高精細印刷
• 高分子微細加工
• ウェハ表面検査
• リソグラフィ
• 高密度光記憶
• 蛍光・吸光分析
紫外光検出デバイス
• オゾン層検出
• 火炎センサー
• 離着陸誘導
• 燃焼制御
光エネルギー変換デバイス
• 高効率太陽電池
• 人工光合成
• 水素生成
サブバンド間遷
移光デバイス
• テラヘルツレーザ
• 超高速光通信
• 広帯域波長変換
• 微量ガス検出
• 中赤外線レーザ
超高周波デバイ
ス
• 次世代移動体通信
• 衛星通信
• マルチメディア無線アクセス
• 高度道路交通システム
パワー・耐環境デバイス
• 高温動作デバイス
• エンジン制御
• 宇宙電子システム
• 大電力高効率 インバーター・コンバーター
冷陰極電界放出デバイス
• 平面ディスプレイ
• 真空マイクロエレクトロニクスシステム
5
光の波長 [nm]
LE
D外部量子効率
hE
QE [
%]
100
10
1
0.1
0.01
200 300 400 500 600 1400 1600 1800
AlN, GaN, InGaN系LED
短波長・長波長領域での
著しい効率低下
GaN系LED発光効率
InN GaN AlN
科学研究費 特定領域研究 《代表 名西》 (2006-2010)窒化物半導体のフロンティア領域 ―未踏光分野の挑戦―
7
7 6 5 4 3 2 1 Eg(eV)
λ(nm) 200 300 400 500 600 700 1000 2000
Vacuum
UV UVB IR
UVC (Deep UV)
AlN GaN InN AlGaN InGaN
LED
InGaN AlInGaP
AlGaAs
InGaAsP
LD
536.5nm 336nm
AlGaN
InGaN
Visivle
UVA
AlGaN
Commercial
Research
Commercial
Research
520nm 370nm
InGaN
AlGaN InGaN
THz
0.1mm
Sample stage
THz Laser
8
300
350
400
450
500
550
AlN
GaN
InN
LD発振可能範囲
2006 2009 2008 2007
343nm Cree 342nm 浜ホト 336nm 浜ホト
488nm 日亜 500nm ローム 515nm 日亜
531nm 住電
482nm 日亜
536.5nm 住電
2011年特定領域公開シンポジウム 名西教授 提供
LD発振可能範囲
2010
企業 基板 波長(nm)
Jth
(kA/cm2) 出力・WPE 寿命
住友電工 ソニー
{2021}GaN
535.7 - 75mW,5.3%
住友電工 ソニー
{2021}GaN
525.1 5.9 167mW,8.9% >5,000hr
@50mW, 55oC
日亜化学 (0001)
GaN 525 1.68 1.01W, 14.1%
@1.5A, 25oC >10,000hr
@50oC
日亜化学 (0001)
GaN 450 0.64 3.75W, 38.5%
@2.3A, 25oC >30,000hr
@50oC
9
日亜化学のコメント: 極性c面GaN基板上での緑色LDの可能性は高い 極性か半極性のどちらがよいか、分からない?(コスト、プロセス)?
IWN2012、APEX2012より
10
紫外LEDの応用
•殺菌
•表面洗浄・改質
•分光・蛍光・吸光分析
•光硬化
•光化学反応(光CVD)
•光治療
紫外レーザの応用
• リソグラフィ
•光記憶
•レーザ顕微鏡
•高精細印刷
•微細加工
•パーティクル検査
•ウェハ表面検査
11
LED maker Wavelength タイプ
日亜化学(日本) 365~405nm 砲弾型、表面実装型
ナイトライドセミコンダクタ(日本)
355~400nm 砲弾型、表面実装型、フラット型、エピウエハ
LED ENGIN (USA) 365~400nm 表面実装型
SiBDI(台湾) 365~420nm 表面実装型
SemiLEDs(台湾) 360-375nm チップ、表面実装型
光出力:数mW~数100mW
企業 基板 波長(nm)
効率・出力 寿命
UV Craftoly AlN on Sap 285 14.3% @2mA 10% @60mA
38mW @150mA >12,000hrs
SET AlN on Sap 281 EQE>11% WPE>7%
34mW@80mA
Crystal IS AlN Sub 270 8.2% ,38mW
@100mA >1,200hrs @100mA
12
光出力: 数10mW 1万時間以上寿命 ⇒ 実用化の段階に来ている コストは? ニーズは本当にあるのか?
AlGaN on
GaN/Sapphire
High
TD density
in AlGaN
High
resistivity
of p-AlGaN
■ ★
★
LED
E-beam ★
■
★ ★
14
効率 (lm/W) 0 50 100 150
光束あたりの価格
(円/lm
)
100
10
1
0.1 白熱電球
クリプトン球
電球型蛍光灯
LED電球(Warm)
2007年
2012年
50倍
2017年?
5倍
性能も上昇・コストも減少 ⇒ 正にLED照明はイノベーション途上
材料 チップ パッケージ モジュール 照明器具 応用分野
16
GaN基板
サファイア基板
点灯回路
屋外照明
住宅照明
産業・交通
医療福祉
デザイン
農業・水産
伝統照明
防犯・非常
LED電球
調光回路
調光回路
蛍光体
放熱材料
拡散・反射板
封止材料
照明計測 蛍光体分散
放熱配線
面発光実装
放熱基板
フリップチップ
樹脂封止
エピ技術
研磨技術
電極付け
切断・割断
レンズ樹脂
実装基板
PSS基板
看板用
バックライト用
LED投光器
直管形LED 高性能・低コスト化への課題
高付加価値、新規マーケットの開拓
17 高性能 低コスト
基板
エピ技術
加工技術
照明技術
大口径サファイア基板 6,
8インチ
大口径Si基板8-12インチ
GaN代替基板:
低欠陥、高熱伝導
高スループットMOVPE
高スループット リソグラフィ
LEDチップ多数実装化
GaN非極性基板, PSS
選択成長:低欠陥、素子構造
蛍光体の改良
ナノコラム: RGB LED
フォトニック結晶
色温度不均一抑制
歪制御: 歪
超格子、ボイド構造
ドループ現象の抑制
(円/lm) (lm/W、演色性)
演色性の向上 放熱技術
表面構造化: 高光取出し
18 高性能 低コスト
基板
エピ技術
加工技術
照明技術
大口径サファイア基板 6イ
ンチ
大口径Si基板8インチ
GaN代替基板:
低欠陥、高熱伝導
高スループットMOVPE
高スループット リソグラフィ
LEDチップ多数実装化
GaN非極性基板, PSS
選択成長:低欠陥、素子構造
蛍光体の改良
ナノコラム: RGB LED
フォトニック結晶
色温度不均一抑制
歪制御: 歪
超格子、ボイド構造
ドループ現象の抑制
(円/lm) (lm/W、演色性)
演色性の向上 放熱技術
表面構造化: 高光取出し
太枠が発表内容
19
20 高性能 低コスト
基板
エピ技術
加工技術
照明技術
大口径サファイア基板 6,
8インチ
大口径Si基板8-12インチ
GaN代替基板:
低欠陥、高熱伝導
高スループットMOVPE
高スループット リソグラフィ
LEDチップ多数実装化
GaN非極性基板, PSS
選択成長:低欠陥、素子構造
蛍光体の改良
ナノコラム: RGB LED
フォトニック結晶
色温度不均一抑制
歪制御: 歪
超格子、ボイド構造
ドループ現象の抑制
(円/lm) (lm/W、演色性)
演色性の向上 放熱技術
表面構造化: 高光取出し
21
2005 2010 2015 2020
サファイア
Si
GaN
2
2
6
4
4 6
8
8
12
LED価格
蛍光ランプ価格
クリプトン球価格 (円/lm)
6
20 2 0.5
0.3
0.5
口径:インチ
22
108
貫通転位密度 (cm-2)
106 103 1010
Buffer
ELO
HVPE
Bulk crystal
- Ammonothermal
- Na flux
- PVT (for AlN)
Epitaxial growth
Bulk growth
3 order gap
•標準技術、TDD~106cm-2 、高純度
•高コスト、大型バルク化難
HVPE法
•TDD~102cm-2 、高コスト、大口径化難、厚膜化難
高圧成長法
•TDD<102cm-2 、高品質
•低コスト化(HVPE以下?)、着色(窒素空孔)
Naフラックス法
•TDD<102cm-2 、高品質
•低コスト化(?)、着色(酸素不純物)
アモノサーマル法
23
○ 結晶面が任意 ⇒ 極性面、非極性面
○ 転位密度 低い <104 cm-2 、LED IQE 90% EXE 73%
○ 伝導性 ⇒ 裏面電極、縦型デバイス構造
✕ コスト高額 : 4インチ7万円以下でサファイアと競合 (松本氏 Cry. Lett.)
✕ 口径が小 : 2インチ 主流
✕ 手法が発展途上:Naフラックス法、アムノサーマル法
24
25
2005 2010 2015 2020
サファイア
Si
GaN
2
2
6
4
4 6
8
8
12
20 LED価格 2 0.5
蛍光ランプ価格
クリプトン球価格 (円/lm) 0.3
0.5
¥2.8k ¥3.4k
¥4k
¥200k ¥1M?
<¥70k?
6
口径:インチ
26
27 高性能 低コスト
基板
エピ技術
加工技術
照明技術
大口径サファイア基板 6,
8インチ
大口径Si基板8-12インチ
GaN代替基板:
低欠陥、高熱伝導
高スループットMOVPE
高スループット リソグラフィ
LEDチップ多数実装化
GaN非極性基板, PSS
選択成長:低欠陥、素子構造
蛍光体の改良
ナノコラム: RGB LED
フォトニック結晶
色温度不均一抑制
歪制御: 歪
超格子、ボイド構造
ドループ現象の抑制
(円/lm) (lm/W、演色性)
演色性の向上 放熱技術
表面構造化: 高光取出し
InxGa1-xN系LED/LD
[1] Takeuchi et al., Jpn. J. Appl. Phys. 39 (2000) 413.
[2] J. Wu, J. Appl. Phys. 106 (2009) 011101.
InxGa1-xN covers full visible range (380 ~ 780 nm)
内部電界による緑色領域における発光効率の低下が課題
CB
VB
[00
01
]
GaN
GaN
InxGa1-xN
Large electric field[1]
(0001) c-plane Electrons
Holes
Green gap[2]
自立GaN基板はHVPE で成長したc面 GaN結晶から切り出したもの。
29
-15 o
15 o
-10 o
0 o
無極性GaN
• {10-10}(m面)、{11-20}(a面)
•◎ ピエゾ電界(最小) ○ m面-VCSEL(偏波面揃う)
•☓ Inの取込み小 ☓積層欠陥が発生しやすい
半極性GaN
• {11-22}
•○ Inの取込み大
•☓ ミスフィット転位が発生しやすい
• {20-21}
•◎最短波長緑色LD、○ Inの取込み大
•○ミスフィット転位少、○波長シフト小
• {20-2-1}
•◎ Inの取込み大、○ミスフィット転位少、○波長シフト小
• {30-3-1}
•○ Inの取込み大、◎ミスフィット転位少、○波長シフト小
(20-21) (20-2-1) (30-3-1) (10-10)
c-plane-like
sapphire sidewall
a-sapphirecm
a
m-GaN
ca
m
c
57.6o
a
{1122}
GaN
c58.4o
c-plane-like
sapphire sidewall
5 mm<0001>Sapphire
<1010>Sapphir
e
<1120>Sapphire
<0001>GaN
<1120>GaN
<1010>GaN
m
a
c
m
ac
Ga
N
5mmsapphire
(11-22)
m-GaN on a-PSS {11-22} GaN on r-PSS
山口大学 只友教授 提供
PSS = Patterned Sapphire Substrate
The angle between {22-43} plane and c-plane of sapphire:61.22°
The angle between {20-21} plane and c-plane on GaN is 61.96°.
山口大学 只友教授 提供
33
34 高性能 低コスト
基板
エピ技術
加工技術
照明技術
大口径サファイア基板 6,
8インチ
大口径Si基板8-12インチ
GaN代替基板:
低欠陥、高熱伝導
高スループットMOVPE
高スループット リソグラフィ
LEDチップ多数実装化
GaN非極性基板, PSS
選択成長:低欠陥、素子構造
蛍光体の改良
ナノコラム: RGB LED
フォトニック結晶
色温度不均一抑制
歪制御: 歪
超格子、ボイド構造
ドループ現象の抑制
(円/lm) (lm/W、演色性)
演色性の向上 放熱技術
表面構造化: 高光取出し
•サファイア基板上GaN: 圧縮歪み
• Si基板上GaN: 引張歪み ⇒ クッラク発生
• HVPE-GaN基板: HVPE厚膜の歪により格子歪が存在
基板/エピ層との熱膨張係数差
• GaN上のInGaN :圧縮歪み ⇒ ミスフィット転位発生、ピエゾ電界効果発生
• GaN上のAlGaN :引張歪み ⇒ クラック発生
• AlN上のAlGaN:圧縮比歪み ⇒ ミスフィット転位発生
エピタキシー層間の格子不整合
•低温バッファ層上のGaNの成長 ⇒ 基板反り
• AlNテンプレート基板上のAlNの成長 ⇒ クラック
島状結晶合体に伴う引張歪み
• n型不純物Si添加に伴う引張歪み ⇒ クラック、ミスフィット転位
不純物添加
35
GaN Sapphire
GaN Sapphire
トレイと基板の間に隙間が発生
高温 低温 低温
基板面内で温度分布
基板の反りの発生
基板の大口径化
Inを含む混晶の成長 大きな面内分布の発生
問題点
36
37
• AlN/GaN超格子 ⇒ GaNの引張り歪み低減
歪超格子層
• AlN中間層 ⇒ GaN on Si の引張り歪み低減
AlN中間層
• FACELOによるボイドの導入 ⇒ GaN、AlN歪み低減
•加工基板上にボイドを導入 ⇒ GaN、AlN歪み低減
ボイド構造
•2レーザビーム法、X線回折法
その場観察
• GaN基板、AlN基板、InN基板?
自立基板
Sapphire(0001)
超格子構造を用いたGaN成長とその場観察
GaN
GaN
AlN(5nm)/GaN(20nm)超格子×20
GaN
38
2000 4000 6000 8000 10000-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
昇温後の反り(km
-1 )
Time (sec)
① GaN[1μm] ② AlN[5nm]/GaN[20nm] 超格子×20ペア ③ GaN[4μm]
① ② ③
超格子上成長 -35 (km-1)
通常GaN成長 70 (km-1)
反り量
領域② 超格子堆積中は反りが大きく増大
領域③ 超格子堆積後は反りが減少
通常
超格子上
39
ストライプに垂直・平行方向による(0004)回折
ボイド無 ボイド有
Underlying GaN
SiO2
Underlying GaN
X-ray X-ray
ボイド形成により、マスク層との界面で歪みが発生しない
Sapphire基板上へのAlN成長
成長初期にAlN成長層に引張応力が
生じクラックが発生する
周期溝加工基板上へのAlN成長
成長時に形成するボイドが応力を緩和
(0001)Sapphire
HVPE c-AlN
(0001)Sapphire
HVPE法によるAlN成長
・高温で成長を行うことにより表面平坦性の良いAlN膜の作製に成功
厚膜化
表面
断面
50mm
クラック
ボイド HVPE c-AlN
20mm
<1-100>AlN
<11-20>AlN
AlN
Sapphire 10mm
<1-100>AlN
<11-20>AlN
AlN
Sapphire 10mm
50mm
溝幅 5mm 溝幅 15mm
溝幅:広い ⇒ ボイド形成位置:高い ⇒ クッラクフリー
50mm
クラック
43
44 高性能 低コスト
基板
エピ技術
加工技術
照明技術
大口径サファイア基板 6,
8インチ
大口径Si基板8-12インチ
GaN代替基板:
低欠陥、高熱伝導
高スループットMOVPE
高スループット リソグラフィ
LEDチップ多数実装化
GaN非極性基板, PSS
選択成長:低欠陥、素子構造
蛍光体の改良
ナノコラム: RGB LED
フォトニック結晶
色温度不均一抑制
歪制御: 歪
超格子、ボイド構造
ドループ現象の抑制
(円/lm) (lm/W、演色性)
演色性の向上 放熱技術
表面構造化: 高光取出し
GaN 2. PSS
(界面凹凸構造)
3. 裏面凹凸構造
(モスアイ構造)
5. エピ光伝導
1. 表面凹凸構造 4. プラズモニクス、ナノフォトニクス
100%の光取出し効率は可能か?
45
IWN2012 Rump Session – Light Extraction
サファイア 5. エピ光伝導
1. 表面凹凸構造 4. プラズモニクス、ナノフォトニクス
6. チップ構造設計
7. パッケージ設計
山口大学 只友教授 提供のデータを引用
IWN2012 Rump Session – Light Extraction
46
Cost 技術 物理 コスト 開発状況
LEE 効果 将来性
表面凹凸 光散乱 低 生産 >50% now
PSS 光散乱 中 生産 30-50% now
基板ナノ凹凸 光散乱+ 回折 高 研究 30-60% med
ナノロッド 表面発光 + 光散乱 中 研究 30-50% med
フォトニック結晶 光子バンド構造制御 高 研究 20-40% long
プラズモニクス プラズモン + 光子 結合 中 研究 20-40% long
エピ光伝導 反射 中 研究 40-50% near
結晶構造 回折 中 研究 30-50% near
パッケージ設計 反射、屈折 低 生産 30-50% now
山口大学 只友教授 提供のデータを引用
展望
•低コスト高性能 照明用LED
• 紫外光 AlGaN LED・LD
• RGB InGaN系 高精細LD
• 高効率太陽電池
• 光変換デバイス(人工光合成)
• テラヘルツデバイス
課題
•高品質大口径基板(非極性)
• p型伝導性 ⇒ 注入効率
• 結晶性 ⇒ 内部量子効率
• デバイス表面・界面構造
• ⇒ 光取り出し効率
• 偏光特性 ⇒ 光学的特性
47