2012年 11月 12日 第14回窒化物半導体応用研究会 1

◆ はじめに

◆ 窒化ガリウム研究史

◆ GaN系LED, homo, DH, QW

◆ 白色LEDの現状と将来展望

GaN系白色LEDの現状

日亜化学工業株式会社 第二部門 開発本部

向井孝志

2012年 11月 12日 第14回窒化物半導体応用研究会 2

1879～

0.5 M years

1946～ 1996～

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2012年 11月 12日 第14回窒化物半導体応用研究会 4

◆ はじめに

◆ 窒化ガリウム研究史

◆ GaN系LED, homo, DH, QW

◆ 白色LEDの現状と将来展望

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1930s GaN研究始まり 1970頃 MIS構造 青色LED 商業ベース発表（RCA） 1980頃 MIS青色 フリップチップ型（Matsusita） GaN結晶性、ｐ-GaNの壁 1983年 AlNバッファ層 , MBE（Yoshida） 1986年 AlNバッファ層 , MOCVD（Akasaki） GaN結晶性良くなる 1989年 ｐ-GaN:Mg ＋ 電子線処理（Amano） 低抵抗p-GaN第1歩

GaN研究史（Topics）

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GaN開発史(日亜化学)と実用化

1989年 GaN開発開始 1991年 GaNバッファ層で良質のGaN膜 1992年 ｐ-GaN Mgドープ＋アニール H補償の提案 1992年 良質のInGaN 1993年 青色LED発表 1995年 LD室温パルス発振 1993年 1 mW 青色LED λｐ: 450(nm) ηext 2.2(%) 1994年 2 mW 青色LED λｐ: 450(nm) ηext 4.4(%) 1995年 3 mW 青色LED λｐ: 465(nm) ηext 5.6(%) 2 mW 緑色LED λｐ: 520(nm) ηext 4.2(%) 1996年 白色LED 視感効率 7.5(lm/W) 1999年 5 mW 青紫LD 2000年 30 mW青紫LD 2001年 紫外LD、青色LD (366～470nm)

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基板の問題

・格子整合

・熱膨張係数

・耐熱性

・化学的安定性

サファイア、SiC、GaAs、Si GaN？

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Reason why hard to grow GaN BULK

基板選択

格子整合

熱膨張係数

耐熱性

化学的安定性

↓

Al2O3 , SiC, GaAs, Si

↓

Al2O3 & バッファ層

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Pioneers (MOCVD and Nitride growth)

Manasevit (1968) MOCVD

Maruska, Pankove, Akasaki Nitride Res. (around 1970)

Amano LT-buffer p-type

Nagatomo InGaN

Nishinaga, NEC Micro-Channel Epitaxy, ELO

Above and many other researches enabled practical GaN devices

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低温成長GaN-Buffer層

低キャリア濃度 → ｐ型GaN （アンドープ）

・表面平坦性の改善

・残留ドナー濃度の低減

・高移動度

効果

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GaN成長の概略 - 成長プロファイル

基板クリーニング GaN成長

GaNバッファー層成長

510 ℃

1035 ℃

N源 NH3 Ga源 TMG キャリアガス H2

成長条件

・NH3 4 ℓ/min ・TMG 27 μmol/min, buf. 54 μmol/min ・サブフローガス H2 10 ℓ/min N2 10 ℓ/min ・メインフローキャリアガス H2 2 ℓ/min

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GaNの伝導型制御

1. ｐ型GaN（AlGaN）

ドーパント Mg、Zn、Cd、Be

問題点 As Depoで高抵抗（106 Ω㎝）

解決策 電子線照射(1989,Akasaki)

アニーリング(1992,Nakamura)

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アニール処理

低抵抗ｐ型GaN

MgとHの結合 → 高抵抗

アニール

Mg－Hの解離 → 低抵抗

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GaNの伝導型制御

2. ｎ型GaN（AlGaN）

ドーパント Si、Ge、他

キャリア濃度制御性

1016 後半 ～ 1019 [cm-3 ] 前半 で直線的に制御可

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◆ はじめに

◆ 窒化ガリウム研究史

◆ GaN系LED, homo, DH, QW

◆ 白色LEDの現状と将来展望

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n-GaN/p-GaN HOMO-LED

・発光出力 ＜１００（μW） ηext ＜ 0.18（％）

・発光スペクトル: 450(nm) + 560(nm) (青白い発光)

要高出力化

1. HOMO-LEDの最適化

2. DH構造 → 活性層としてのInGaN

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InGaN ～LEDの活性層として～

良質InGaN ? ← 下地GaNの問題

原料 TMI、TMG、NH3

成長温度 GaN 1000 (℃)

InGaN 750～850 (℃)

評価

成長温度（℃） 結晶中In組成比 結晶性

830 低 良

780 高 悪

400 (nm) 以上 → 効率低

450 (nm) 以上必要

In組成比低 ＆ 不純物によるDeep発光

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InGaN ～Znによる長波長化～

1. Znドープ vs 発光強度（PL）

低濃度 → 高濃度 発光強度低下

高 → 低 キャリア濃度（n型）

2. Zn、Si 同時ドーピング

Znにより長波長化

Si添加によりキャリア濃度確保

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特性 DH-LED（InGaN:Zn+Si）

発光出力 2.4 （mW）

順方向電圧 3.6 （V）

ピーク波長 450 （nm）

スペクトル半値幅 70 （nm）

If = 20(mA) , Ta=25(℃)

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量子井戸(QW)構造 InGaN･LED

1. コンセプト

・GaN/InGaN ミスフィットの問題

InGaN層を薄く → 格子歪み

（2.5～3 nm）ミスフィット転位防止

↓↓

高Inモル分率

（青色LEDの高性能化/緑色InGaN･LED）

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量子井戸(QW)構造 InGaN･LED

2. 青、緑色 SQW･LED

・構造

InGaNの薄膜化 (その他同じ)

高Inモル分率

アンドープInGaN

・構造の確認

ガス切替

合金化 TEM、SIMSで確認

Si、Mgの拡散

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Wavelength vs. Efficiency

350 450 550 650

Wavelength (nm)

Effic

ien

cy (

a.u

.)

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◆ はじめに

◆ 窒化ガリウム研究史

◆ GaN系LED, homo, DH, QW

◆ 白色LEDの現状と将来展望

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Theoretical Limit of Luminous Efficiency Calculation from∫I(l)KmV(l)S(l）dl

I(l): Spectrum intensity of a white light source

KmV(l): Spectral luminous efficacy（683 lm/W @l=555nm）

S(l): Stokes Loss

∫I(l)dl=1W i.e. WPE of excitation source is 100%.

405nm-based White LED

203 lm/W Blue-based White LED(YAG)

263 lm/W

Tri-Phosphor FL

154 lm/W

Full LED system has the highest potential. Blue-based White LED is practically best way.

Full LED system

B:445nm, G:555nm, R:600 (line spectrum)

402 lm/W (Ra not considered)

Flat spectrum

180 lm/W

Other than YAG

(closed-door)

306 lm/W

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2012年 11月 12日 第14回窒化物半導体応用研究会 27

Recent result in Nichia High Power White LED

Single chip type:

v: 203 lm

L: 183 lm/W

WPE: 48.3 %

at 350mA, 3.18 V

chromaticity coordinates (x, y)=(0.36, 0.39)

Tcp: 4700 K

Multi chip type:

v: 1913 lm

L: 135 lm/W

WPE: 37.1 %

at 1 A, 14.16 V (4-series)

chromaticity coordinates (x, y)=(0.35, 0.38)

Tcp: 4700 K

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Energy conversion of white LED

0%

20%

40%

60%

80%

100%

100% Elec. input 64%

32%

4%

Blue light

Loss in chip

14%

36%

14%

Blue light

Yellow light

Loss in package

50% 160 lm/W

Heat emission

（to outside of chip） (to outside of package)

-nonradiative

-absorb

L=160lm/W, Tcp=5,600K, If=20mA, Vf=2.8V

-stokes loss

-absorb

50%

-series R

-contact R

White light

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Light Extraction: Past Blue LED Structure

Absorption

60% of generated light

travels in nitride films.

Low η ext

Sapphire Substrate

Ni/Au Translucent

p-Electrode

Epi-Layer

Conventional Type

Reducing optical absorption at p-electrode is very important.

Low Transmittance & Large Optical Absorption

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Light Extraction: Current Blue LED Structure

Patterned Sapphire Substrate

NEW Structure

Epi-Layer

ITO p-Electrode ITO: Low Optical Absorption

&

PSS: Efficiently scatter the light

Generated light is

efficiently extracted.

(High ext ) Using ITO & PSS

Ref: Y. Narukawa et al. Jap. J. Appl. Phys. Vol.45, No.41, 2006, L1084

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Vf reduced Blue LED

0 10 20 302

2.5

3

3.5

2

2.5

3

3.5

Current (mA)

Vf(V

)

@DC

HE-Blue2

HE-Blue1

0 10 20 300

20

40

60

80

100

0

20

40

60

80

100

Current (mA)

ex (

%)

@DC

WP

E (

%)

①Optimizing Epi-wafer for lower Vf.

②Applying current spreading electrodes.

Vturn-on (V) Rs (W) Vf (V) fe (mW) ex (%) WPE (%)

unoptimized 2.72 16 3.08 42.2 75.5 68.6

optimized 2.65 7.4 2.81 39.7 71.0 70.6

int: slight drop

ext: slight drop

2.81V 2.65 V

2.72 V 16 W

7.4 W

Side effects

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2012年 11月 12日 第14回窒化物半導体応用研究会 33

2012年 11月 12日 第14回窒化物半導体応用研究会 34

What should be improved?

・EQE drops with increasing current

carrier overflow(band structure)

auger recombination

carrier de-localization at high injection

(increase of defect’s negative affect)

,and so on

Reducing chip size can decrease total cost of LED

2012年 11月 12日 第14回窒化物半導体応用研究会 35

What should be improved?

・EQE drops at high junction temperature

common use of LED: junction temperature is 70-120

Accepting high temperature operation easy lamp designing

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・White LEDs

249, 183, 135 lm/W Next target: 300, 200, 150 lm/W

at 20, 350, 1000 mA

・Green LEDs: Efficiency problem

・Deep UV LEDs: Efficiency, Voltage problem

まとめ、今後の課題

GaN-based LED

Truly required improvement for ultimate W-LEDs

・High efficiency at high current density

・High efficiency at high junction temperature

・Higher Phosphor’s color conversion efficiency