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ゆあひきぎ
5 years ago
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1 半極性バルク GaN 基板上への LED の開発実用レベルの発光効率と面内偏光の実現船戸充講師, 川上養一助教授, 上田雅也 (D1) 京都大学工学研究科電子工学専攻成川幸男, 小杉卓生, 高橋正良, 向井孝志日亜化学工業株式会社謝辞 : 京都ナノテク事業創造クラスター

2 背景 III 族窒化物半導体 :AlN,GaN,InN 紫外域 (AlN) から可視域 (GaN) を通って赤外域 (InN) までをカバー InGaN Ⅲ 族混晶組成比によってバンドギャップが近紫外 (GaN:3.4 ev) から赤外 (InN:0.7eV) まで変化可視域をカバー可能 InGaN を発光層に用いた LED, LD が実用化実用化されたデバイス LED 紫外から緑 LED フルカラーディスプレイ LD 紫外から青 Blu-ray Disc,PS

3 今回の開発の特徴発光効率の改善の可能性原理的には内部量子効率 (= 注入キャリアのうち光生成に寄与するキャリアの割合 ) を 100% に近づけることが可能 ( 従来品では,70% 程度といわれている ) 面内偏光特性を持つ液晶など光のスイッチを利用した装置の効率改善

4 発光効率に関して 1 従来の発光素子構造 : c 軸配向した歪み量子井戸構造格子不整合 (GaN/AlN 2%, GaN/InN 11%) 歪ピエゾ電界再結合確率の低下波動関数ピエゾ電界なし GaN InGaN GaN 伝導帯重なり積分価電子帯 GaN InGaN GaN sapphire(0001) c 軸 + Ⅲ - N 厚さ数 nm. ここに歪が入る - N + Ⅲ + Ⅲ - Ⅲ + N - N P 伝導帯ピエゾ分極の原因あり重なり積分価電子帯電界 : 増加電子正孔の重なり減少それに比例する再結合確率も減少光りにくい

5 発光効率に関して 2 Transition Probability 理論的検討 GaN/InGaN(3nm)/GaN on sapphire(0001) In Composition 閉じ込めの増大による再結合確率の増大ピエゾ分極による再結合確率低下 External Quantum efficiency (%) Grown directly on sapphire その結果 ( デバイス特性 ): Reduction of EPD by the selective growth Wavelength(nm) 少 In 組成多

6 発光効率に関して 3 他の材料系 (AlGaInP 系 : 赤 ) も合わせてみると... External Quantum Efficiency (%) AlGaInP InGaN 視感度曲線 Wavelength (nm) グリーンギャップ InGaN 系 LED の発光効率向上の必要性

7 η int = 1+ τ 発光効率に関して 4 傾斜 GaN による発光効率の向上 : 発光効率の傾斜角依存性 rad 1 / τ ピエゾ電界 (MV/cm) nonrad 発光強度 ( 任意単位 ) GaN/InGaN(3nm)/GaN In=10% θ C 理論的検討 c 軸からの傾き θ ( ) C 面 ( 極性面 ) 半極性面六角柱を傾けると電界がゼロになり効率が高くなる傾き θ C が存在する {11-22} plane (θ = 56º) θ C =39 :Takeuchi, et al.: Jpn. J. Appl. Phys. 39, (2000). θ C =55 : Park, S-H. : J. Appl. Phys. 91, (2002). A 面,M 面など無極性面

8 電子の波動関数伝導帯 e つつらい e h 楽チン h 正孔の波動関数価電子帯 GaN InGaN GaN 極性面発光遷移確率が低い半極性面発光遷移確率が高い高品質の結晶成長が可能発光効率低下の要因発光効率を高くできる

傾斜 GaN の作製 ( 本研究グループの提案 ) (a) GaN c-axis (b) conventional c-oriented QW InGaN/ GaN QW sapphire(0001) (c) photolithography SiO 2 stripe mask (d) re-growth (0001) 面 {11-22} 面 MOVPE による結晶再成長を利用

9 傾斜 GaN の作製 ( 本研究グループの提案 ) (a) GaN c-axis (b) conventional c-oriented QW InGaN/ GaN QW sapphire(0001) (c) photolithography SiO 2 stripe mask (d) re-growth (0001) 面 {11-22} 面 MOVPE による結晶再成長を利用 InGaN/GaN QW 傾斜 {1122} 面側面を利用した発光効率の向上を確認各結晶面における異なる発光色多色化 {11-20} 面 (A 面 ) K. Nishizuka, M. Funato, Y. Kawakami, Y. Narukawa, T. Mukai, and S. Fujita, Applied Physics Letters, Vol. 85, pp (2004). K. Nishizuka, M. Funato, Y. Kawakami, Y. Narukawa, and T. Mukai, Applied Physics Letters, Vol. 87, /1-3 (2005).

10 マイクロファセット現行のデバイスプロセスの適用難傾斜した GaN を平面的に作る 1. 半極性面 (1013), (1011) University of California, SB, 中村教授グループ MgAl 2 O 4 基板を利用青色 LED, 外部量子効率 0.41% [Jpn. J. Appl. Phys. 42, L1039 (2005).] 緑色 LED, 最大外部量子効率 0.052% [Appl. Phys. Lett. 87, (2005).] External Quantum efficiency (%) Reduction of EPD by the selective growth Grown directly on sapphire Wavelength(nm) 側面 = 無極性面は結晶成長が難しく高効率デバイスの実現に至っていない 2. 無極性 A 面 GaN on r-sapphire H. M. Ng. Appl. Phys. Lett. 80, 4369 (2002). 3. 無極性 M 面 GaN on LiAlO2 (100) P. Weltereit, et al. Nature 406, (2000). 本研究 : 半極性 {11-22} 面バルク GaN 基板上への LED 作製 (HVPE 成長 C 面 GaN から切り出し &CMP)

11 今回の開発の特徴発光効率の改善の可能性原理的には内部量子効率 (= 注入キャリアのうち光生成に寄与するキャリアの割合 ) を 100% に近づけることが可能 ( 従来品では,70% 程度といわれている ) 面内偏光特性を持つ液晶など光のスイッチを利用した装置の効率改善

12 偏光を利用したデバイス : 液晶ディスプレイ偏光板液晶 ON 液晶 OFF 偏光板光源 : 蛍光灯白色 LED RGB LED すべてランダム偏光偏光板による光のロスもともと偏光した光源に置き換えることができたら光の利用効率向上

13 半極性面上での偏光 GaN: c 軸 : 強 //c 軸 :( 極端に ) 弱 c 軸現行 LED: ランダム偏光 ( 無偏光 ) {11-22} 面 c 軸強い偏光強い偏光が期待! 理論的には,4:1. 液晶に使うと, 偏光板でのロスが減り約 50% の省エネ

14 {11-22}GaN 基板上での成長条件の確立 ( 京大 ) 有機金属気相成長 (MOVPE) 量産性, 界面, 組成の制御性に優れ, III 族窒化物の結晶成長法として一般に用いられている GaN の成長条件の確立 InGaN(3nm)/GaN(10nm) 5 周期の量子井戸の成長条件の確立 InGaN/GaN 量子井戸 GaN ( 無添加,3 µm) GaN ( 無添加,3 µm) GaN{1122} 基板 GaN{1122} 基板 (0001) 面とは異なる最適成長条件第 67 回応用物理学会学術講演会発表予定.2006 年 8 月 29 日 ~9 月 1 日立命館大学

15 Jpn. J. Appl. Phys. 46, no.26 (2006) 掲載予定 LED 構造の試作 ( 日亜 ) と発光の様子有機金属気相成長 (MOVPE)+ デバイスプロセス n 電極 p 電極 n 型 GaN (Si 添加,4.5 µm) p 型 GaN (Mg 添加,150 nm) p 型 AlGaN (Mg 添加,10 nm) GaN ( 無添加,25 nm) InGaN 単一量子井戸活性層 (3 nm) GaN ( 無添加,25 nm) GaN ( 無添加,1.5 µm) GaN{1122} 基板

16 LED 出力特性 [ 日亜 ( 京大 )] Jpn. J. Appl. Phys. 46, no.26 (2006) 掲載予定 20mA 駆動時 ( 定格 ) 出力 (mw) 外部量子効率 (%) 青色 LED 緑色 LED 琥珀色 LED 参考資料 : サファイア上緑色 LED ( ほぼ同じ構造 ) 半極性青色 LED 半極性緑色 LED ( 以上 UCSB)

17 Jpn. J. Appl. Phys. 46, no.26 (2006) 掲載予定偏光特性 ( 京大 ) C 面上 ( 従来技術 ) 1.0 sample Normailized Intensity λ = 429 nm 発光偏光子偏光子の回転角 angle Angle (degree) 基準となる方向今回は GaN[1-100] 5:1 の強度比 ( 理論予測 :4:1) 液晶への応用が期待される

開発の流れ ( まとめ ) 半極性面 {11-22} 面を提案 ( 日亜, 京大 ) 再成長による {11-22} InGaN / GaN マイクロファセット量子井戸の作製 ( 日亜 ) と高効率発光の実証 ( 京大 ) Appl. Phys. Lett. 85, p.3122 (2004). Appl. Phys. Lett. 87, #231901 (2005).

18 開発の流れ ( まとめ ) 半極性面 {11-22} 面を提案 ( 日亜, 京大 ) 再成長による {11-22} InGaN / GaN マイクロファセット量子井戸の作製 ( 日亜 ) と高効率発光の実証 ( 京大 ) Appl. Phys. Lett. 85, p.3122 (2004). Appl. Phys. Lett. 87, # (2005). (nature, 438, p.892 (2005), research highlights に取り上げられる ) InGaN 200nm 半極性面 {11-22}GaN バルク基板の利用の提案および基礎成長特性の理解 ( 京大 ) 基板メーカに GaN{11-22} 基板の作製依頼. 有機金属気相成長法により GaN ホモエピタキシャル成長の条件解明および InGaN / GaN 量子井戸構造の作製に成功第 67 回応用物理学会学術講演会発表予定年 8 月 29 日 ~9 月 1 日立命館大学半極性面 {11-22}InGaN/GaN LED の試作および基礎デバイス特性の評価 ( 日亜 ) InGaN/GaN 単一量子井戸を活性層とした発光ダイオードを試作し, そのスペクトル, 出力などを基本的なデバイス特性を測定. 青 ~ 琥珀色の発光を実現 Jpn. J. Appl. Phys. 46, no.26 (2006) 掲載予定 1µm {11-22} 面に特有の偏光特性, 内部電界強度を光学的に評価半極性面 {11-22}InGaN/GaN LED の詳細な発光特性の評価 ( 京大 )

19 今回の開発の結果発光効率実用レベルの効率 : 従来の半極性 LED に比べれば桁違いによいただし, 現行の LED にはまだ及ばない構造など最適化の必要性面内偏光特性ほぼ理論どおりの偏光特性が確認された. 液晶に利用すれば約 50% の省エネが期待される.

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PowerPoint プレゼンテーション加工 Si 基板上への非極性 GaN 結晶成長 1) 名古屋大学工学研究科赤崎記念研究センター 2) 愛知工業大学工学研究科 1) 本田善央 1) 谷川智之 1) 鈴木希幸 1) 山口雅史 2) 澤木宣彦豊田講堂時計台赤崎研究センター auditorium Akasaki research center 常圧 MOVPE 減圧 MOVPE (2inch) HVPE MOVPE #3 MOVPE