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 … · 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

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

• 大型ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲ

• 信号灯

• 液晶ﾊﾞｯｸﾗｲト

• LED照明

• 農業・漁業・医療応用

緑、青紫、紫外LD

•高精細ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾀ

•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

• ｵｿﾞﾝ層検出

• 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

• ﾃﾗﾍﾙﾂﾚｰｻﾞ

• 超高速光通信

• 広帯域波長変換

• 微量ｶﾞｽ検出

• 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

• ﾏﾙﾁﾒﾃﾞｨｱ無線ｱｸｾｽ

• 高度道路交通ｼｽﾃﾑ

パワー・耐環境デバイス

• 高温動作ﾃﾞﾊﾞｲｽ

• ｴﾝｼﾞﾝ制御

• 宇宙電子ｼｽﾃﾑ

• 大電力高効率ｲﾝﾊﾞｰﾀｰ・ｺﾝﾊﾞｰﾀｰ

冷陰極電界放出デバイス

• 平面ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲ

• 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

ﾌﾘｯﾌﾟﾁｯﾌﾟ

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

ﾊﾞｯｸﾗｲﾄ用

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

高ｽﾙｰﾌﾟｯﾄ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


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：







蛍光体の改良




歪制御：歪






太枠が発表内容

19


基板

エピ技術

加工技術

照明技術


8ｲﾝﾁ


GaN代替基板：







蛍光体の改良




歪制御：歪






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


基板

エピ技術

加工技術

照明技術


8ｲﾝﾁ


GaN代替基板：







蛍光体の改良




歪制御：歪






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


基板

エピ技術

加工技術

照明技術


8ｲﾝﾁ


GaN代替基板：







蛍光体の改良




歪制御：歪






•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


基板

エピ技術

加工技術

照明技術


8ｲﾝﾁ


GaN代替基板：







蛍光体の改良




歪制御：歪






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

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