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2016年12月15日

理化学研究所

シリコン基板上に窒化アルミニウム高品質結晶を製膜

-安価で高効率な深紫外LEDの実現に大きな一歩-

要旨

理化学研究所(理研)光量子工学研究領域テラヘルツ研究グループ テラヘルツ量子素子研究チームの平山秀樹チームリーダー、ティン・トラン国際特別研究員、前田哲利技師、定昌史研究員らの研究チームは、シリコン(Si)基板上に窒化アルミニウム(AlN)半導体[1]の高品質結晶を製膜することに成功しました。従来よりも安価、かつ高効率で発光する深紫外LED[2]の実現につながる成果です。

深紫外LED(波長200~350ナノメートル、nm、1nmは10億分の1メートル)は、殺菌・浄水、空気清浄をはじめ、医療、樹脂硬化形成・接着、印刷など非常に広い応用分野での利用が期待されています。しかし、これまでの深紫外LEDは、LED内部で発光した光を外部に取り出す効率(光取り出し効率[3])が低くかつ高価なため、普及が進んでいません。製造コストを下げるには、安価で大面積なSi基板上に半導体材料であるAINを製膜することが考えられます。しかし、AIN膜表面にクラック(裂け目)が発生し、かつ貫通転位密度[4](結晶のずれの密度)が高くなるため、LEDの発光層の発光効率が低下するといった問題がありました。

研究チームは、加工シリコン基板(PSiS)[5]上に厚膜2マイクロメートル(μm、1μmは100万分の1メートル)のAlNの結晶成長[6]を行うことにより、膜表面のクラックの発生を防ぐことに成功しました。また、貫通転位密度が大幅に低減し、発光層の発光効率の向上が可能となりました。実際に、PSiS基板上のAlN結晶の上に窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)系深紫外LED構造を作製したところ、波長325nmにおいてLED動作を確認できました。

Si基板は容易に剥離できるため、縦型LED構造[7]をとることで、LEDの光取り出し効率の大幅な向上も期待できます。今後、安価かつ高効率な深紫外LEDが実現すれば、殺菌・浄水、空気清浄をはじめ、皮膚治療などへの医療用途や、農作物の病害防止などの農業、紫外線硬化を用いた樹脂形成、紫外接着、3Dプリンター、印刷・塗装、コーティング、高密度光記録、各種計測など幅広い応用分野での普及が期待できます。

本研究成果は、英国のオンライン科学雑誌『Scientific Reports』(11月7日付け)に掲載されました。

本研究は、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業先端的低炭素化技術開発(ALCA)「水銀ランプ殺菌灯の代替となる縦型高効率・深紫外LEDの開発(研究代表:平山秀樹)」の一環として行われました。

※研究チーム

理化学研究所 光量子工学研究領域 テラヘルツ研究グループ
テラヘルツ量子素子研究チーム
チームリーダー 平山 秀樹 (ひらやま ひでき)
国際特別研究員 ティン・トラン (Tinh Tran)
技師 前田 哲利 (まえだ のりとし)
研究員 定 昌史 (じょう まさふみ)
研究員 寺嶋 亘 (てらしま わたる)
研究員 林 宗澤 (りん そうたく)

背景

深紫外LED(波長200~350ナノメートル、nm、1nmは10億分の1メートル)は、殺菌・浄水、空気清浄をはじめ、医療、樹脂硬化形成・接着、印刷など非常に幅広い応用分野での利用が期待されています。しかし、これまでの深紫外LEDは、LED内部で発光した光を外部に取り出す効率(光取り出し効率)が低くかつ高価なため、普及が進んでいません。

製造コストを下げるには、安価で大面積であるSi基盤上に半導体材料である窒化アルミニウム(AIN)を製膜することが考えられます。しかし、Si基板上にAlNを製膜すると、Si基板とAlNの熱膨張差によってAlN膜の表面にクラック(裂け目)が入ることが問題でした。また、クラックを防止するためにAlN層を薄くすると、結晶成長時に発生する結晶のずれを表す貫通転位密度が大きくなり、深紫外LEDの発光層の発光効率を低下させるという問題もありました。

そこで研究チームは、加工シリコン基板(PSiS)上でAlNの結晶成長を行うことで、AIN表面のクラックを防ぎ、かつ貫通転位密度を低減させることを目指しました。これを実現することで、安価で高効率な深紫外LED用の半導体が作製できると考えました。

研究手法と成果

研究チームはまず、PSiS上に一辺が6マイクロメートル(μm、1μmは100万分の1メートル)の三角格子状に並んだドット状のパターンを形成しました。その上に有機金属気相成長法(MOCVO法)[6]によってAlNの結晶を成長させることで、クラックの入らない厚膜(~2μm)のAlN層の製膜に成功しました(図1)。

また、PSiSのパターン上に製膜したことにより、横方向にAlN結晶が成長した部分には貫通転移は発生しません。そのため、貫通転移密度は従来の1×109cm-2以上から1×108cm-2以下まで低減し、発光層の発光効率の向上が可能となりました。これによって、発光効率が低下するため実用レベルでの実現は難しいとされてきたPSiS基板上での深紫外LED構造の作製が可能になりました。

さらに、PSiS基板上AlN結晶の上に窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)系深紫外LED構造を作製し、波長325nmにおいてLED動作を確認しました(図2)。

今後の期待

今回基板として用いたSi基板は容易に剥離できるため、縦型LED構造をとることで、LEDの光取り出し効率の大幅な向上も期待できます。今後、本成果の高品質AlN基板を用いて、高効率な深紫外LEDを安価に供給できるようになれば、殺菌・浄水、空気清浄をはじめ、皮膚治療などへの医療用途や、農作物の病害防止などの農業、紫外線硬化を用いた樹脂形成、紫外接着、3Dプリンター、印刷・塗装、コーティング、高密度光記録、各種計測など非常に幅広い応用分野での普及が期待できます。

原論文情報

  • Binh Tinh Tran, Noritoshi Maeda, Masafumi Jo, Daishi Inoue, Tomoka Kikitsu and Hideki Hirayama, "Performance Improvement of AlN Crystal Quality Grown on Patterned Si(111) Substrate for Deep UV-LED Application", Scientific Reports, doi: 10.1038/srep35681

発表者

理化学研究所
光量子工学研究領域 テラヘルツ光研究グループ テラヘルツ量子素子研究チーム
チームリーダー 平山 秀樹 (ひらやま ひでき)
国際特別研究員 ティン・トラン (Tinh Tran)
技師 前田 哲利 (まえだ のりとし)
研究員 定 昌史 (じょう まさふみ)

平山秀樹チームリーダーの写真

平山 秀樹

ティン・トラン国際特別研究員の写真

Tinh Tran

前田哲利技師の写真

前田 哲利

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定 昌史

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補足説明

  1. 窒化アルミニウム(AlN)半導体
    窒化物半導体の中で最もバンドギャップ(電子が存在できないエネルギー帯)が大きい半導体。バンドギャップは6.2eVであり、波長205nm付近で発光する直接遷移型半導体である。AlN結晶の上に、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)混晶半導体を用いた深紫外LEDを作製することができ、理研でこれまでの研究で220~350nm波長帯の深紫外LEDを実現している。
  2. 深紫外LED
    深紫外波長で発光する発光ダイオード(LED)。紫外光(UV、波長200~400nm)は、UVA(320~400nm)、UVB(280~320nm)、UVC(200~280nm)に分類され、UVAは樹脂硬化・接着や速乾印刷・塗装、コーティング、3Dプリンターなどに、UVBは、アトピー治療などの皮膚治療、農作物の病害防止、UVCは殺菌・浄水などに用いられる。半導体発光素子では、深紫外波長とは200~350nmを一般的に指す。本研究では、殺菌用途の270nmで発光するLEDを主に開発している。LEDはlight emitting diodeの略。
  3. 光取り出し効率
    LED内部で発光した光のうち、外部に取り出せる光の割合。深紫外LEDの光取り出し効率は、LED内部に光吸収層が存在するため非常に低く、通常は8%程度である。理研では、素子の透明化と縦型構造の導入で最大で70%程度を目標に研究を進めている。
  4. 貫通転位密度
    結晶成長時に発生する結晶欠陥(結晶のずれ)の密度のこと。貫通転位はいったん発生すると基板の表面まで到達し、消去することは難しい。発光層の発光効率は貫通転位密度に大きく依存するため、高効率深紫外LEDを実現するためには貫通転位密度を低減する必要がある。
  5. 加工シリコン基板(PSiS)
    表面上に数μm周期の凹凸構造を形成したシリコン基板。凹凸構造はフォトリソグラフィーとドライエッチングを用いて形成した。PSiS はpatterned Si substrateの略。
  6. AINの結晶成長、有機金属気相成長法(MOCVO法)
    AlN結晶などの窒化物半導体は、有機金属気相成長法(MOCVD法)を用いて結晶成長を行う。トリメチルアルミニウム(TMAl)やアンモニアガスを材料とし用い、1,400℃程度の高温で成長することによって高品質結晶が得られる。
  7. 縦型LED構造
    基板を剥離してn型電極を裏面に形成することにより、縦方向に電流を流して動作させるLED。n型、p型電極の両方を基板表面に形成した横型LEDと比べ、電圧ロスが少ないばかりでなく、基板裏面からの光取り出し効率を大幅に向上させることができる。

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加工Si基板(PSiS)の鳥瞰写真(左)とPSiS上窒化アルミニウム(AlN)層の断面写真(右)

図1 加工Si基板(PSiS)の鳥瞰写真(左)とPSiS上窒化アルミニウム(AlN)層の断面写真(右)

左:PSiS上に一辺が6μmの三角格子状に並んだドット状のパターンが形成された様子を撮影した二次電子像(SEI)。

右:左の PSiS上にAlNの結晶を成長させ、クラックの入らない厚膜(~2μm)のAlN層製膜したものの断面図。クラックのない平坦に成長したAlN層(Coalescence layer)が2μm程度積まれていることが分かる。

Si/AlN基板上に作製した深紫外LEDの構造、動作スペクトルと発光の様子

図2 Si/AlN基板上に作製した深紫外LEDの構造、動作スペクトルと発光の様子

左:作製したPSiS基板上AlN結晶の上に、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)系深紫外LED構造を作製し、波長325nmにおいてLED動作することが確認できた。横軸は波長、縦軸は発光強度の任意単位(同様の環境で行われた複数の測定を比較するための代用単位)。

右:製作した深紫外LED構造の写真。右上の拡大写真の通り、発光している様子が分かる。

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