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しおりしんまつ
5 years ago
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1 AlGaN 系深紫外 LED の開発 ( 独 ) 理化学研究所平山秀樹

2 内容 1. 背景 2. AlGaN 系深紫外 LED の高効率化高品質 AlN の結晶成長内部量子効率の向上電子注入効率の向上光取り出し効率の向上実用レベル高出力 LED 3. まとめと今後の展望

3 半導体発光素子の未開拓領域と開発目標 Frecuency (THz) Wavelength λ(μm) UV IR AlGaInP 系 AlGaInAs 系 QCL (Quantum Cascade Laser) QCL InAlGaN 系ワイドギャップ半導体材料の限界領域紫外 LED レーザ開発目標 : nm ( 理研 : 和光 ) GaInNAs 系緑橙黄色 LD ( nm) InGaAsP 系 GaInAlSb 系 LO フォノン散乱の影響で QCL ができない領域 THz-QCL 現状 : THz 目標 : 周波数拡大室温発振 ( 理研 : 仙台 )

半導体発光素子の未開拓領域と開発目標本研究 : 理研 Frecuency (THz) 100 50

5 1 5 10 50 100 500 UV IR 最短波長領域ワイドギャップ半導体材料の限界領域

GaInNAs 系 QCL InGaAsP 系 (Quantum Cascade Laser)

4 半導体発光素子の未開拓領域と開発目標本研究 : 理研 Frecuency (THz) Wavelength λ(μm) UV IR 最短波長領域ワイドギャップ半導体材料の限界領域 AlGaInP 系 AlGaN 深紫外 LED InAlGaN 系 AlGaInAs 系 GaInNAs 系 QCL InGaAsP 系 (Quantum Cascade Laser) QCL 最長波長領域 THz - QCL 3.56THz (84μm) GaAs/AlGaAs 緑橙黄色 LD ( nm)

5 深紫外光源の性能比較 ( ガス固体 vs 半導体 ) 従来ガスレーザー大型 :1~3m 波長 :248, 325nm---( 固定 ) Power:~200mW (He-Cd) 効率 :~0.01% 寿命 :~1000Hour ( 性能向上 ) 小型 : mm (1 チップ ) 波長 : nm( 選択可能 ) Power:100mW(1 チップ ), 10W( アレイ ), 1KW( スタック ) 効率 :50~80% 寿命 : 1~10 年低価格メンテナンスフリー

6 半導体深紫外光源の応用分野の広がり殺菌: 波長 270nm 皮膚治療レーザメス細胞選別細胞組織癌細胞等酸化チタン ( 光触媒反応 ) 公害汚染物質 ( 汚水 ) UV-LED アレイ nm ( 浄化水 ) 汚染物質 : ダイオキシン PCB 環境ホルモン等の浄化波長 ~250nm 深紫用 DVD その他の応用分野 : UV-LD 集光スポット高密度化レーザーの短波超化高密度化家庭用殺菌浄水空気清浄機自動車排気ガスの高速浄化 ( 無公害車 ) 必要波長 : 340nm ( 蛍光帯の吸収 ) UV-LED アレイ高輝度白色光高効率 :~40% 長寿命 : 数十年白色蛍光体電源装置蛍光灯に置き換わる光源各種光情報センシング ( 蛍光分析表面分析紫外線センサー等 ) 紫外硬化樹脂生化学産業

7 深紫外線の分類と深紫外 LED の実現領域本研究で実現した深紫外 LED オゾン層で吸収地上にない光オゾン層を透過地上に届く光

8 AlGaN 系半導体の有用性広い紫外波長範囲 ( 波長 :200nm~360nm) 量子井戸を用いた高効率発光が可能 p 型 n 型伝導が可能ハード材料である ( 長寿命素子の実現が可能 ) 砒素鉛水銀フリー材料である ( 環境に無害 ) エキシマレーザー紫外ガスレーザの波長深紫外 LED LD の実現に最有力波長 200nm 300nm 400nm 500nm 700nm 1μm 1.5μm 紫外赤外バンドギャップエネルギー (ev) GaN AlN 紫外未拓領域 InN 格子定数 (A )

EQE of AlGaN DUV-LEDs AlGaN InGaN RIKEN Nichia

8%@247 UV- Nitek Craftory (2-3%) EQE:5% Nichia

8% 226-365nm Crystal IS (2-3%) Shortest LD 336nm

9 EQE of AlGaN DUV-LEDs AlGaN InGaN RIKEN Nichia RIKEN: nm NTT 210nm UV- Nitek Craftory (2-3%) EQE:5% Nichia SET(2-3%) EQE:2.8% nm Crystal IS (2-3%) Shortest LD 336nm (Hamamatsu Photonics) DOWA EQE:6% Meijo Univ. Next Target: nm High-Efficiency LED, LD

10 研究目標高効率 (>30%) 深紫外 LED 実現高効率化への問題点深紫外 LED ( nm) p 電極 n 電極 p-algan 発光層 n-algan AlNバッファー層サファイア基板コンタクト層深紫外光 AlGaN の発光効率が低い貫通転位により発光が著しく減少 AlN 低転位化が難しい内部量子効率 <1% AlGaN の p 型化が難しい ( ホール濃度が極めて低い ) 電子注入効率 <20% 光取り出し効率が低い ~8%

11 本研究における DUV-LED の効率改善外部量子効率 η ext =η int η inj η ext λ η ext η int η inj η ext 270nm 3.8 = 60% 80% 8% 内部量子効率 : η int 従来 <1% 程度電子注入効率 : η inj 従来 20% 程度光取り出し効率 : η ext 現在 8% 程度低転位 AlN の開発により 50~80% を実現多重量子障壁 (MQB) により ~80% を実現高反射電極 PC 導入で改善今後大幅な改善が必要

12 本研究において過去 5 年間に達成した事項 340nm 帯 InAlGaN 系深紫外 LED の高出力動作 (>8mW) (2006) アンモニアパルス供給多段成長法の考案と AlN 刃状転位密度の大幅低減 cm cm -2 (2007) AlGaN 量子井戸の IQE の飛躍的向上 (0.5% 30%) (2007) InAlGaN 量子井戸の 280nm 帯における高い IQE 実現 (~80%) (2008) InAlGaN 深紫外 LED で実用レベル (>10mW) 高出力を世界初達成 (2008) 最短波長 AlGaN 深紫外 LED(222nm) 実現 (2008) Al 組成 83% の AlGaN 量子井戸 LED で垂直放射確認 (2009) MQB による nm 帯深紫外 LED の電子注入効率の大幅向上 (2010) 高反射 Al 電極と薄いコンタクト層を用いた光取り出し効率改善 (2010) EQE>3%, 30mW 以上出力深紫外 LED を実現 (2011)

13 低貫通転位 AlN の結晶成長高い IQE の実現 nm 帯 LED の実現

(1012) (arcsec) 1000 800 600 高品質 AlN 実現従来方法サファイア窒化 + HT-AlN 初期核サイズ制御と低 V/III

140 120 100 80 60 40 (0002) (arcsec) 転位密度が十分に下がらない (~3 10 9 cm -2 ) クラックが発生

14 (1012) (arcsec) 高品質 AlN 実現従来方法サファイア窒化 + HT-AlN 初期核サイズ制御と低 V/III 比高品質成長 XRC FWHM of AlN 560 arcsec Nitridation time (min) (0002) (arcsec) 転位密度が十分に下がらない (~ cm -2 ) クラックが発生極性反転による異常核画多数発生 AlN (3.3um) Sapphire 試料構造窒化条件 : 温度 :1270 NH 3 流量 :50cc 雰囲気 : H 2

15 高品質 AlN バッファーの実現 ( 新手法 ) NH 3 パルス供給多段成長法高効率深紫外 LED の実現が可能に

X 線回折の半値幅 XRD(102)ω-scan FWHM (arcsec) AlN の貫通転位低減原子層平坦性を実現 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Multi-Layer AlN 4

3μm Nucleation AlN layer Sapphire Sub. 世界最高レベル AlN を実現 XRC(10-12):~250arcsec 刃状転位密度 <3 10 8 cm -2 平坦性 :RMS=0.

16 X 線回折の半値幅 XRD(102)ω-scan FWHM (arcsec) AlN の貫通転位低減原子層平坦性を実現 Multi-Layer AlN Continuous Flow AlN 1μm NH 3 pulse flow AlN 0.3μm Continuous Flow AlN 1μm NH 3 pulse flow AlN 0.3μm Nucleation AlN layer Sapphire Sub. 世界最高レベル AlN を実現 XRC(10-12):~250arcsec 刃状転位密度 < cm -2 平坦性 :RMS=0.15nm Continuous flow AlN Introducing nucleation AlN layer AFM( 原子間力顕微鏡 ) 像 Introducing nucleation AlN 原子ステップを確認

17 アンモニアパルス供給多段成長法による高品質 AlN LED Layers Al 0.76 Ga 0.24 N;Si 2.45μm Al 0.88 Ga 0.12 N;Si 5-Step Multilayer AlN Buffer 3.8μm 貫通転位密度 : 従来の 1/80 程度に低減 Sapphire TEM( 透過電子顕微鏡 ) 像 1μm

18 ELO-AlN on wide trench (14μm) stripes Terrace/trench : 5 μm /3 μm いずれもサファイア上 4.7 times wider trench Terrace/trench : 6.4 μm/14 μm 6.3μm 14μm SEM images of ELO-AlN layers

19 ELO-AlN の断面 TEM 増 ( ストライプ周期 :20μm) 貫通転位密度 ( 刃状転位 ) 上部 : cm -2 下地 AlN: cm -2 サファイア基板

20 AlGaN量子井戸の断面TEM 透過電顕像 p-al0.97ga0.03n 電子ブロック層 Al0.84Ga0.16N バリア層(21nm) Al0.74Ga0.26N(1.3nm)/ Al0.84Ga0.16N(7nm) 3層量子井戸 i-al0.84ga0.16n層波長227nmDUV-LEDの量子井戸部分の断面TEM 薄い量子井戸 1.3 nm を使用ピエゾ電界効果を低減するため原子１層オーダーの量子井戸ヘテロ界面の平坦性を実現

21 結晶転位密度の低減による AlGaN 発光効率の飛躍的増加 λ=255nm PL Intensity (arb.units) XRC(102)FWHM(arcsec) 刃状転位密度 : ~ cm -2 ~ cm -2 発光強度 : 100 倍程度に増加内部量子効率 : 従来 <0.5% ~50%

22 AlGaN 系量子井戸で高い内部量子効率 InAlGaN/InAlGaN 3-Layer MQW 仮定 T<20K ( 低温 ) Rrad>>Rnonrad 47% at RT AlGaN HT-AlN Sapphire Excited with Ar-SHG Laser (λ=257nm) 500W/cm -2 内部量子効率 η int :47% (λ=338nm)

23 In 混入効果による高い発光効率を実現 In 組成変調領域へのキャリア局在により高効率発光深紫外で高い内部量子効率 TDD In-Rich area CL Image of InAlGaN I (RT) /I (77k) =86%

内部量子効率の向上 2008 年 4 月推定される内部量子効率 PL(RT) / PL(LT) (%) InAlGaN-QW ( 低欠陥 AlN 上 ) AlGaN-QW ( 低欠陥 AlN 上 ) 低欠陥 AlN: TDD(edge)~7 10 8 cm

24 内部量子効率の向上 2008 年 4 月推定される内部量子効率 PL(RT) / PL(LT) (%) InAlGaN-QW ( 低欠陥 AlN 上 ) AlGaN-QW ( 低欠陥 AlN 上 ) 低欠陥 AlN: TDD(edge)~ cm -2 高欠陥 AlN: TDD(edge)~ cm -2 InAlGaN-QWs ( 高欠陥 AlN 上 ) InGaN-QW ( 高欠陥 GaN 上 ) 発光波長 (nm) 発光波長 280nm 30% (AlGaN) 86% (InAlGaN)

25 短波長高輝度 LED の実現 ( nm) AlGaN-LED InAlGaN-LED 電極側から見た様子パルス多段成長 AlN サファイア基板側から見た様子殺菌波長で実用輝度を実現 (2007 年 9 月 21 日朝日新聞掲載 ) ( デジカメで撮影実際の深紫外光は観測されないが数百倍の強度で光っている )

26 AlGaN 系深紫外 LED ( nm)

27 オール InAlGaN 組成高出力深紫外 LED 2008 年 7 月世界初実用レベル 10mW 以上達成 InAlGaN 量子井戸超高効率発光 (IQE>80%) p 型 InAlGaN 高いホール濃度 n 型 InAlGaN 原子層平坦へテロ界面酸素不純物濃度低減最高出力 :10.6mW( 室温連続 )EQE:1.2%

28 AlGaN 最短波長 LED (222nm) AlGaN MQW DUV-LED on AlN/Sapphire RT Pulsed λ=222nm RT Pulsed 222nm Pmax=14μW EQE: 0.003%

29 AlN で横方向放射 AlN-LED では光取り出し効率が著しく低下 AlN では発光が垂直に出ない (NTT 谷保ら APL 2007) 問題点 C 面上 AlN の PL 特性 ( 横方向放射 )

30 220nm 帯 AlGaN LED の放射特性 (AlGaN: 垂直放射 ) (AlN: 横放射 ) 参考 :AlN 発光の放射角度依存性 (APL, NTT, Taniyasu et al.2007) 222nm AlGaN 量子井戸 LED で通常の垂直放射 AlGaN バンドの入替わりポイントは Al:83% 以上

31 ローコスト Si 基板上 DUV-LED の試み問題点 AlN/Si 基板でクラック発生 ( 熱膨張による ) そのため貫通転位の低減が十分行えない (XRD(10-12) 半値幅 :AlN/ サファイアで arcsec vs AlN/Si で arcsec) 解決策 : パルス供給多段成長法 ELO 法の利用 Si 基板上のパルス供給多段成長法

32 Si 基板上深紫外 LED の実現 Si 基板上の LED 構造図 EL スペクトルのシングル発光 2.0μm 2.2μm パルス多段成長 AlN を使用 ( 転位低減 ) InAlGaN 発光層を利用 ( 高 IQE) 世界初の Si 基板上 280nm 帯深紫外 LED の実現低コストの深紫外 LED の実現可能性を示唆

33 注入効率の向上 (MQB) 光取り出しの向上 (Al 系電極 )

34 電子ブロック層による注入効率の改善 AlN~Al 0.95 Ga 0.05 N を電子ブロック層に使用 E-Blocking Layer p-gan MQW n-algan AlN Buffer 短波長 nm で世界最高効率を実現 (2008 年 6 月 ) 注入効率の改善はまだ不十分

35 電子注入効率改善の必要性 η ext =η int η ext η inj 外部量子効率内部量子効率光取り出し効率電子注入効率 (EQE)η ext (IQE)η int (LEE)η ext (EIE)η inj UV-LED( 理研 ) ( 波長 280nm) 1.2% 50% 8% 30% ( 波長 250nm) 0.43% 25% 8% 22% 高効率がすでに実現 50-80% 改善が必要今後の課題 P 型 AlGaN のホール濃度が低いため改善が困難

36 多重量子障壁 (MQB) の効果距離 (nm) エネルギー E(eV) 電子紫外線発光従来注入効率 <20% 電子距離 (nm) 多重量子障壁 (MQB) 電子ブロック層従来のシングルバリア電子ブロック層電子の多重反射効果により実効的な電子ブロック高さが 2~3 倍に発光層への電子注入効率が飛躍的に改善 (4 倍以上 ) エネルギー E(eV) 紫外線発光 ( 本研究 ) 窒化物半導体素子において初めて MQB を導入

37 Simulation of Reflection Effects of MQB Energy E (ev) Al 0.95 Ga 0.05 N /Al 0.70 Ga 0.30 N Modulated MQB (barrier/well) 3.8/0.5/2.5/0.5/2.5/0.5/2.5/0.5/2.5/0.5/ 1.8/0.5/1.8/0.5/1.8/0.5/1.8/0.5/1.8/0.5/ 1.3/0.5/1.3/0.5/1.3/0.5/0.8/0.5/0.8/0.5/0.8/0.5/ (nm) Transmittance T Distance (nm) Effective barrier height increases by 2 times

38 Deep-UV LED with MQB Cross-sectional TEM image of AlGaN MQW & modulated MQB

39 MQB structure dependences Grown by LP-MOCVD GaN;Mg AlGaN;Mg MQB-EBL AlGaN/AlGaN MQW AlGaN;Si AlN Sapphire(0001) Experimental contents 1 Periodic number dependence1 2 Comparison with Single-EBL 3 Periodic number dependence2 4 Period dependence 5 Block/Valley ratio dependence Block(Al 0.95 Ga 0.05 N;Mg) Valley(Al 0.7 Ga 0.3 N;Mg) Electron Period MQW Periodic Number

40 Investigation of 2QBs effect 20nm Block / Valley = 7nm / 4nm Single 2QBs ; total=18nm RT CW 20mA MQB effects (multi-reflection) can be observed even for 2QBs

41 Periodic number Dependence Block / Valley = 7nm / 4nm Single ; 7nm 2QBs ; total=18nm 5QBs ; total=51nm RT CW 20mA 2QBs>5QBs Coherent length for multi-reflection ; ~40nm

42 Modulated-MQB Block ; 7 / 5.5 / 4 / 4 / 4 (nm) Valley ; 4 / 4 / 2.5 / 2.5 (nm) Total ; 37.5 nm Modulated-MQB realized high efficiency DUV-LED (EQE=2.25%,@267nm) without improvement of LEE.

43 Efficiency Enhancement by MQB AlGaN MQW LEDs on AlN/Sapphire λ=250nm 15mW EQE:1.5% Measured at RT CW Modulated MQB Single Barrier Single Barrier Output Power 7 times EQE 4 times by MQB EIE 20% 80% by using MQB

44 Increase of EQE using MQB 10 5 with MQB EQE η ext(%) with Single-Barrier EBL RT CW AlGaN DUV LEDs Wavelength (nm) EQE: 235nm で 6 倍 250nm で 4 倍 270nm で 3 倍程度向上

45 短波長 LED(237nm) で連続 5mW 出力動作世界を大きくリード

46 光取り出し効果の改善 Al 系高反射 p 電極 + 薄い p-gan コンタクト層の導入 Ni/Au 電極 p-gan 層で反射率 :20% 程度薄いp-GaN 層ほとんど吸収低い吸収 <10% absorption p-gan p-algan Al 系電極反射率 :80% 以上 In emission 発光層 In emission n-algan AlN Sapphire 光取り出し効率 : 8% 30~40% 3~4 倍に向上

47 Al 系高反射電極による LED の高効率化 Ni(1nm)/Al(100nm) 電極による EQE 向上 Al 系電極反射率 :64% ( 従来 :30%) p-gan 吸収率 : 35% ( 従来 >80%) λ=270nm Al 系電極 Ni/Au 電極 RT CW Al 系電極 1.3 倍 EQE:2.75% Ni/Au 電極 RT CW 反射効果により光取り出し効率が 1.3 倍に増加最高 EQE:2.75% 出力 12mW@100mA を実現

48 光取り出し効率改善への取り組み深紫外 LED ( nm) p 電極コンタクト層 n 電極 p-algan n-algan AlNバッファー層サファイア基板深紫外光高反射 p 型電極と低吸収 p-gan コンタクト層の導入 (LEE:4 倍へ ) サファイア基板裏面への 2D フォトニック結晶形成 (LEE:2 倍へ ) p 側新規光り取り出し構造の導入 ( 今後構造を提案 ) (LEE: 最大で 70% 以上へ ) 現在 8% の光り取り出し効率を 50-70% に向上

49 Max. LED Output の最高出力 Power (mw) (mw) 深紫外 LED の出力向上 ( 理研 ) 多重量子障壁の導入 (2010) 貫通転位密度 < cm -2 電子オーバーフローの抑制 (2008) 最短波長 LED 210nm (NTT) Wavelength 波長 (nm) (nm) CW Power: 図 15 貫通転位密度 cm -2 (2007) 殺菌用途波長貫通転位密度 > cm -2 : 発光が弱いシングルピークにならず (2006) 年

50 ( まとめ ) AlGaN 深紫外 LED の高効率化低転位 AlN 成長法を開拓アンモニアパルス供給多段成長法高い内部量子効率を実現 IQE : 50-80% MQB 効果で注入効率を向上 EIE : 80% 高反射電極を用いて光取り出し向上高出力高効率深紫外 LED を実現 EQE: Power: nm

51 今後の目標外部量子効率 η ext =η int η inj η ext λ η ext η int η inj η ext 270nm 30% = 80% 80% 50% 内部量子効率 : η int AlN の更なる低転位化電子注入効率 : η inj 多重量子障壁 (MQB) 80% 以上を維持 80% 以上を維持光取り出し効率 : η ext 2D フォトニック結晶高反射電極などで改善 50% 以上を目指す EQE:30% 以上の深紫外 LED 深紫外 LD を目指す

スライド 1

スライド 1 深紫外高効率 LED の開発と応用 ( 独 ) 理化学研究所平山秀樹 ( 内容 ) 1 背景新規波長光素子開発の重要性深紫外 LED の応用分野 2 高効率 AlGaN 系深紫外 LED の開発結晶成長技術の進展発光効率の飛躍的向上高出力 LED の実現 3 まとめと今後の展望半導体レーザ LED 殺菌浄水医療高密度光記録 (DVD) 照明装置化学工業バイオ産業半導体光デバイス未開拓波長の開発と応用分野