| 研究課題/領域番号 |
24246010
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| 研究機関 | 独立行政法人理化学研究所 |
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研究代表者 |
平山 秀樹 独立行政法人理化学研究所, 平山量子光素子研究室, 主任研究員 (70270593)
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| 研究期間 (年度) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| キーワード | 深紫外LED / AlGaN / AlN / MOCVD / Si基板 / 縦型LED / 光取り出し効率 / 内部量子効率 |
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| 研究概要 |
深紫外高効率LEDは、医療、殺菌・浄水、生化学産業などへ応用において大変期待されており、その高効率化が求められている。しかし、AlGaN深紫外LEDは現在、絶縁性のサファイア基板上に形成され、横注入構造をとっているため、n型AlGaNの大きなシリーズ抵抗のため高出力化が難しい。またサファイア基板を伝搬する導波モードの発生により、光取り出し効率が低い。本研究では、Si基板上にAlGaN深紫外LEDを成長し、ヒートシンクへの直接ボンディングの後、LED層にダメージのないSi基板のリムーブを行うことで、縦型・大面積の深紫外LEDを実現する。シリーズ抵抗の低減と光取り出し効率の向上、ならびに大面積直接ヒートシンクにより、2桁程度の高出力化を実現する。
H25年度では、Si基板上高品質バッファーを形成する準備としてサファイア基板上に2次元格子状パターン加工を行いELO成長を行い良好なバッファーを形成した。サファイア基板上に三角格子状パターンを形成した基板（PSS）上にAlNを成長し、形状の制御された結合ピラーの自己形成を行い、さらに埋込み成長を行うことにより平坦なバッファーの作製を行った。作製した結合ピラー上には段差が生じやすく、その上に作製したLEDはリーク電流のため外部量子効率が上がらないことが分かった。段差の少ない表面を得るためにPSSのパターンを30°回転した三角格子として加工を行いAlNピラーを成長した結果、平坦性の高いAlNピラーの形成に成功した。本研究ではさらに、透明p型AlGaNを用いた深紫外LEDの実現に成功し、光取り出し効率の向上により外部量子効率7％の高効率深紫外LEDを実現した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究で提案・実現した結合ピラーAlNバッファー構造は、縦方向伝搬特性による光取出し効率の向上、ならびに、極低貫通転位密度による内部量子効率向上の両方の効果において、従来提案していたストライプ上のELO成長バッファーよりも優れた構造である。また、形状の制御された結合ピラーの成長方法を新たに発見したことは学術的にも意義が大きい。深紫外LEDの高効率化に有効な新しいバッファーの形成方法を見つけた点で、本研究は大きな進歩を遂げたと考えられ、AlNバッファーの開拓に関して一つの研究目標を達成したと考えられる。しかし、新たな問題点として、ピラーの埋め込み再成長が不十分でバッファー上に段差が生じLED効率劣化の原因となる事が分かってきた。この問題に関してはPSSパターンを回転させるなどの方法が有効であることが明らかになり、解決へと向かっている。今後Si基板上に同条件を移行すれば、高効率・高出力深紫外LEDの実現が可能である。
また、H25年度研究として予定していた「p型コンタクト層の改善による光取出し効率の向上」に関しては大きな成果を達成した。本研究では高Al組成p型AlGaNを用いた深紫外LEDの動作に成功しさらに、透明p型AlGaNコンタクト層と高反射p型電極を用いて光取出し効率を以前の1.7倍以上に向上させることに成功した。特に透明度の高いp-AlGaN（透過率94％以上）透明コンタクト層を用いたUVCLEDに関して成果を得て特許出願もおこなった。透明p型コンタクト層を用いれば深紫外LEDの効率を青色LEDの効率に近づけることが可能であり、Si基板を用いた高出力深紫外LED実現にとって極めて大きなブレークスルーであると考えられる。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究ではこれまでに、結合ピラーAlNバッファーと透明p型AlGaNコンタクト層を用いた高効率深紫外LEDの2つの技術開拓をサファイアを用いた結晶成長で実現した。今後はこれらの技術をSi基板上に移行することで高効率・高出力深紫外LEDの実現を進める予定である。結合ピラーAlNをSi基板上に成長し、クラックの無い貫通転位の非常に低いバッファーを形成する。結合ピラーバッファーはクラックの防止に関しても、ストライプ上ELOバッファーより優れており、より安定したバッファーを供給できると考えられる。Si基板上に形成した結合ピラーAlNバッファー上に透明p型AlGaNコンタクト層を用いた深紫外LEDを作製し、深紫外LEDを動作させる。さらに、LEDをヒートシンクにメタルボンディングし、ウェットエッチングを用いてSi基板をリフトオフし、縦型の深紫外LEDを作製する。透明コンタクト層を用いた縦型構造LEDの光取出し効率は50％以上の高い値が期待され、深紫外LEDの外部量子効率は30％程度が実現できると考えられる。H26年度では、Si基板上における結合ピラーAlNバッファーの形成と透明p型AlGaNを含むSi上深紫外LEDの結晶成長の開発を進める予定である。
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