1 豊田合成の GaN 系 LED の開発と製品化 豊田合成株式会社オプト E 事業部柴田直樹
Outline 2 A. TG LED チップの歴史と特性の紹介 PC タブレット向けチップ 照明向けチップ B. TG の結晶成長技術について AlN バッファ層上 GaN 層成長メカニズム C. TG の最新 LED チップの紹介 GaN 基板上 LED 非極性 m 面 GaN LED
A-1. 省エネ ( 高効率 ) 性能の実現 3 < 高効率チップの開発 > Ta=25 20mA 駆動 E1CG5 55.1% X 1.07 E1CG7 58.8% 投入電力 Output Power [ mw ] 90 36 35 34 33 G5 37 Po +1.9mW Vf -0.01V 32.6mW @20mA Vf: 2.80V Ta=25 32 ップ31 デ30 30.7mW @20mA 29 ザ325x575 270x700 Vf: 2.81V 28 (Input Power:56.2mW) イ27 ン電極配置の最適設計 50 52.3 55 60 65 Input Power [ mw ] エピ加工基板 エピ層構造の改善チOutput Power = 30.7mW, Ta=25 102 Input Power 56.2mW 100 7.0% Po 30.7mW +1.9 mw 32.6mW 98 省エネ 96 Input Power VF 2.81V -0.01V 52.3mW 2.80V 94 効率92 G7 G7 G5
A-2. 製品導入した要素技術の例 4 Ⅱ: 光取り出し向上 基板加工設計最適化 加工ドットの側面傾斜角の制御 光散乱効果 : 大 GaN 現行品 sapphire GaN sapphire 開発品 Output Power ( arb. unit ) 開発品 現行品 リニアリティーの改善 η exe. ( arb. unit ) 光取出し効率向上による外部量子効率の向上開発品現行品 0 50 100 150 電流密度 (A/cm 2 ) 0 50 100 150 電流密度 (A/cm 2 )
A-3. 照明用チップの開発について 5 毎年 6~10% の性能向上を実現 コストが厳しい領域 生産は内製と OEM を活用 12 モテ ル製品 開発中 200 6030PKG 190mW Output Power @120mA 180 160 140 120 100 600µm 117mW B3 450µm 133mW B4 OEM 製品 チップサイズ 510 1020 TG 内製品 160mW J6 145mW B5 390x520 µm 175mW J8 3030PKG J8 next 160mW B5 next 390x520 µm 80 2009 2010 2011 2012 2013
A-4. 高効率省エネチップの実現 6 < 一般照明向けチップの開発 > E1CB5 Ta=25 IF=120mA B5next Output Power [mw] 投入電力 165 160 154mW @120mA Vf: 3.08V Ta=25 Po +9.0mW B5next B5 155 Vf -0.01V 極150 レイ145 ア146mW @120mA ウ390x520 390x520 140 Vf: 3.09V ト(Input Power:370.8mW) 新電極材料の採用 135 345.7 330 340 350 360 370 380 390 400 エInput Power [mw] ピエピ層構造の改善電Output Power = 146mW, Ta=25 102 Input Power 370.8mW 6.7% Po 146mW +9 mw 154mW 100 省エネ 98 Input Power Vf 3.09V ±0V 3.08V 96 345.7mW 効94 率39.4% X 1.06 41.7% 92 90 B5 B5next
A-5. 照明用チップの特性について 7 < 高温時特性の改善 > 製品で使用する環境で 特性改善を実現 Ta-Po 特性 Ta-Vf 特性 160 B5next IF=120mA B5 B5next 3.2 IF=120mA B5 B5next Output Power [mw] 150 140 130 5% up B5 11.5% up ( 効率は10%up) VF [V] 3.1 3 B5 B5next 1.3% 120 10 25 40 55 70 85 100 Ta [ ] 照明での使用領域 2.9 10 25 40 55 70 85 100 Ta [ ] 照明での使用領域 B5next は B5 と比べ高温時特性変化が少なく優位
A-6. 製品導入した要素技術の例 8 Ⅰ: 発光効率向上 現行品 開発品 V ピット低減技術による表面平坦性向上 発光層界面急峻化 (In 組成揺らぎ低減 ) ( 結晶品質の向上 ) V ピットからのリーク抑制 ( 電流注入効率向上 ) 転位 V ピット発生 転位 V ピット低減 高温動作時の明るさ低下 : 少高電流密度での使用に有利 Output Power ( arb. unit ) 開発品 現行品 リニアリティーの改善 η exe. ( arb. unit ) 開発品 現行品 Droop 特性改善 0 50 100 150 電流密度 (A/cm 2 ) 0 50 100 150 電流密度 (A/cm 2 )
B. TG の結晶成長技術について 9 1. 背景 2. 目的 3. 結果 (1):AlN バッファ層 4. 結果 (2):AlN バッファ層上 GaN 層
B-1. - GaN 系 LED の高輝度 高効率化の為には - 10 LED 発光効率 :η p = 23p 電極 23n 電極 + ー 23 透明電極 13 発光出力投入電力 = 1η int. 2η extr. 3η Vf 1 内部量子効率 η int. 結晶品質が鍵 ( 現状 ) 転位密度が大きい :1 10 9 cm -2 改善の余地大 1 13 2 加工基板 2 光取出し効率 η extr. 設計的要素大 3 電流注入効率 η inj. 設計的要素大 高輝度 GaN 系 LED にとって 結晶品質改善がキーポイント 貫通転位の低減は必須
B-2. - 研究の目的 (TG 技術のバックグランド )- 低温 AlN 緩衝層技術を用いて a 面 c 面サファイア上に GaN を同時成長 結晶品質と表面状態に差 層構成 11 ( ) ( ) n-gan:5um AlN buffer sapphire Po ( a.u. ) LED on a-sapphire LED on c-sapphire 発光特性も a 面サファイア上の方が良好 0 10 20 30 40 50 If ( ma ) 同様の報告も有 : Electrochem. Solid-State Lett. 10, H5 (2007) サファイア上に低転位 GaN 層を得る為には低温 AlN 緩衝層 GaN 層成長初期の比較をa 面 c 面上で行い低転位 GaN 層を得る為のメカニズムを明確にする必要有
B-3-1. - AlN 緩衝層の AFM 観察結果 - 12 アニール後の AlN 結晶粒の大きさは a 面 c 面サファイア上で差有り on a-sapphire ( ) on c-sapphire ( ) ( 層構成 ) 低温 AlN buffer sapphire 1 as-deposited AlN 粒密度 = 2.3 10 11 /cm 2 アニール前後の比較 アニールによって AlN 結晶粒が大きくなる 10.0nm a 面と c 面上 AlN の比較 アニール前では 差無し 2 annealed AlN 粒密度 = 5.6 10 10 /cm 2 AlN 粒密度 = 7.9 10 10 /cm 2 5.0nm 0.0nm アニール後では a 面上の AlN 結晶粒の方が c 面上よりも大きい AlN の粒成長に差有り 結晶粒 密度 : 少 < 大 サイズ : 大 (3.7nm) < 小 (2.9nm)
B-3-2. - AlN 緩衝層の平面 TEM 観察結果 - 13 モアレ縞 ( サファイアとAlNからの反射電子線の干渉 ) が観察 on a-sapphire ( ) on c-sapphire ( ) ( 層構成 ) 低温 AlN buffer sapphire 1 as-deposited モアレ縞の乱れ : 大 モアレ縞の乱れ減少 アニール前後の比較 熱処理によって モアレ縞の乱れが減少 AlN 緩衝層の原子配列が改善 ( 固相成長 ) 2 annealed Fourier filtered images Fourier filtered images a 面と c 面上 AlN の比較 a 面上の方が c 面上より モアレ縞の乱れ少 AlN の固相成長に差有り a 面と c 面サファイアと AlN との格子不整合差が理由 モアレ縞乱れ 少 (5.4 10 11 /cm 2 ) < 多 (7.9 10 11 /cm 2 ) 貫通転位は a 面上 AlN の方が少ない モアレ縞の乱れ 貫通転位の存在 Phys. Rev. B 64, 195329 (2001)
B-4-1. - 成長初期 GaN 層の AFM 観察結果 - 14 GaN 結晶粒の大きさは c 面よりも a 面サファイア上の方が大きい GaN 結晶粒の大きさと アニール後の AlN 結晶粒の大きさには相関有り ( 層構成 ) 成長初期 n-gan AlN buffer on a-sapphire ( ) on c-sapphire ( ) sapphire GaN : 40 nm GaN : 640 nm GaN 結晶粒 RMS:15nm RMS:15nm RMS:40nm RMS:67nm 密度 : 9 10 7 /cm 2 < 2 10 8 /cm 2 サイズ : 100nm > 60nm 平坦性 : 良好 悪い 300nm 150nm 0nm 40nm 厚 GaN 層の結晶粒サイズ (nm) 140 120 100 80 60 40 20 0 c 面上 a 面上 1 2 3 4 5 アニール後のAlN 結晶粒サイズ (nm) 平坦な GaN 層を得る為には AlN 結晶粒を大きくすることが重要
B-4-2. - GaN 層の XRC 評価結果 - a 面サファイア上 GaN 層の XRC FWHM は c 面上よりも小さい GaN 層の結晶品質は アニール後の AlN 緩衝層の結晶品質と相関有り ( 層構成 ) n-gan 400~6400A AlN buffer sapphire 15 FWHM of (10-10)GaN XRC (arcsec) 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 on c-sapphire on a-sapphire 0 200 400 600 800 Thickness of GaN films (nm) GaN 成長層 AlN buffer 層 結晶品質 (XRC 結果 ) @GaN:40nm 貫通転位密度 (TEM 解析結果 ) a-sapphire ( ) 2600 arcsec ( 小 ) 5.4 10 11 /cm 2 ( 少 ) GaN 成長層は 低温 AlN 緩衝層の結晶品質を引き継いでいる c-sapphire ( ) 3300 arcsec ( 大 ) 7.9 10 11 /cm 2 ( 多 )
B-4-3. - 結晶品質の良い GaN 成長層を得る為には - 刃状転位成分を持つ貫通転位密度を計算 16 AlN 緩衝層の高品質化の為には AlN 結晶粒の密度を少なくする必要有り 高品質 GaN 層を得る為には 熱処理により AlN 緩衝層を固相成長させ 原子配列の揃った AlN 結晶粒を大きくすることが重要 EDD of GaN with 40nm (/cm 2 ) 4.E+10 3.E+10 2.E+10 1.E+10 ( ) on c-sapphire ( ) on a-sapphire 4.E+10 6.E+10 8.E+10 1.E+11 Density of annealed AlN islands (/cm 2 ) EDD = F 2 / ( 9 b 2 ) F : FWHM of (10-10) GaN b : Burger s vector
C-1. GaN 基板上 LED の開発について 17 a) GaN LED on sapphire sub. b) GaN LED on GaN sub. GaN 基板上青色 LED の電流 - 光出力特性 ( GaN 基板上, サファイア基板上 ) 貫通転位 Sapphire Sub. GaN Sub. 1A 2A(1mm ) サファイア基板上 GaN 層中の貫通転位密度 :~ 10 9 /cm 2 GaN 基板上 GaN 層中の貫通転位密度 :~ 10 6 /cm 2 GaN 基板上 GaN 薄膜の X-TEM 像 a) サファイア基板上 GaN 層 b) GaN 基板上 GaN 層 Chip size 346 μm 高電流密度域での光出力改善 1μm 1μm
C-2. 無極性 m 面 GaN 薄膜の成長と LED の開発について 18 3 インチサファイア基板上に平坦な表面を持つ m 面 GaN エピタキシャル層の成長に成功 m 面 GaN 層は 20% の効率改善のポテンシャル有り APEX2 (2009) 031002 APEX2 (2009) 041001 3 インチサファイア基板上 m 面 GaN 薄膜 X 線解析結果 (2θ-ω) Intensity (arb.unit) m-plane sapphire No c-plane GaN signal m-plane 30 35 40 45 50 55 60 65 70 2θ m 面 GaN 上 LED の特性 高出力 m 面 GaN 上 LED の課題 結晶層の高品質化 偏光特性 無極性面の為のデバイス構造の最適化
19 ご清聴ありがとうございました