高効率・深紫外線LEDの 普及に向けて - JSTp-AlGaN + Rh HR electrode EQE=15%, 13mW at...
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高効率・深紫外線LEDの普及に向けて
理化学研究所 平山量子光素子研究室
主任研究員 平山 秀樹
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深紫外LEDの応用分野
医療、農業免疫療法(アトピー皮膚炎);
ナローバンドUVB療法商品作物の病害防止
(イチゴのうどん粉病など)
DUV光 浄水
殺菌・浄水・空気浄化
冷蔵庫
浄水器
エアコン
240 260 280 300 320 340 360
UVC UVB UVA
波長 (nm)
出力
樹脂加工・接着電子部品、UV接着、3Dプリンター、医療機器
印刷・塗装・コーティングインクジェットプリンター、
フレキソスクリーン、UV硬化インク
高密度光記録深紫外DVD
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紫外LEDの効率の予測と広がる市場
4
外部量子効率 ηext =η int ×η inj ×η lee
紫外LEDの高効率化の経緯
内部量子効率: ηint
光取り出し効率: ηlee
電子注入効率: ηinj
従来<1%程度 低転位AlNの開発、In組成変調により50~80%を実現
従来20%以下 多重量子障壁(MQB)により>80%を実現
現在8%程度 最高値20%程度 今後も、大幅な改善が必要
λ η ext η int η inj η lee
270nm 7%=
60%
0.5%×
80%
20%×
15%
8%
5
AlN、AlGaNのMOCVD成長
成長温度: AlN(1300~1500℃)、AlGaN(1100~1160℃)V/III比 : AlN(5~4000)、AlGaN(2000~4000)
1号機2号機、3号機4号機 (HVPE) 5号機6号機(建設中)7号機(建設中)SR4000
1×2”¼×2“1×2“1×2“1×2“3×2“3×2“
AlN下地、UVCLED開発UVCLED開発AlN下地UVCLED開発
AlN下地、UVCLED開発
6
「NH3パルス供給多段成長法」
高効率紫外LEDの実現が可能に
1. AlN核形成(パルス供給)
2. 横エンハンス成長による核の埋め込み(パルス供給)
3. 縦高速成長による平坦化とクラック防止(連続供給)
4. 繰り返しによる貫通転位低減、クラック防止、平坦化(パルス供給/連続供給)
アンモニアパルスフロー成長
・マイグレーションエンハンス成長・安定したⅢ族極性
0.3μ
m
0.3μ
m
1.3μ
m
1.3μ
m
クラック発生阻止・表面原子層平坦化・転位低減
貫通転位低減
TMAl
NH3
5s 3s 5s 3s 5s
TMAl
NH3
5s 3s 5s 3s 5s
サファイア基板 サファイア基板 サファイア基板 サファイア基板
AlNAlN
AlN
AlN
高品質AlNバッファーの実現
特許登録日本:2010US:2011
H. Hirayama et al, Appl. Phys. Lett. 91, 071901 (2007)
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LED Layers
Al0.76Ga0.24N;Si2.45μm
Al0.88Ga0.12N;Si
5-StepMultilayerAlN Buffer3.8μm
Sapphire 1μm
Sapphire Sub.
Nucleation AlN layer(NH3 Pulse Flow)
Al0.76Ga0.24N 2.45μm
MultilayerAlN Buffer(5-step)3.8μm
Continuous Flow AlN 0.56μm
Al0.88Ga0.12N0.2μm
NH3 PulseFlow AlN 0.18μm
〃
〃
〃
〃
AlN/サファイアの高品質結晶
TEM(透過電子顕微鏡)像
AlGaN
AlN
刃状転位密度:3×108cm-2
従来の1/100に低減サファイア
「アンモニアパルス供給多段成長」によるAlN成長
8
XRC(102)FWHM(arcsec)
λ=255nm
PL
Inte
nsit
y(a
rb.u
nit
s)
0 500 1000 1500
低転位化による紫外発光の増強
240 260 280 300 320103
104
105
106
107
501arcsec
λ=255nm
FWHM of XRC(102) ω-scan
571arcsec
1410arcsec
899arcsec
PL
In
ten
sit
y (
arb
. u
nit
s)
Wavelength (nm)
AlGaN-QW
刃状転位密度 : 1×1010cm-2 → 3×108cm-2
●発光強度 : 2桁程度増加●IQEの増加 : 従来<0.5%→ 50% (AlGaN-QW)
80% (InAlGaN-QW)
(2007年)
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Al0.77Ga0.23N;Mg(25nm)
Multi-Layer (ML)
AlN Buffer
n-Al0.77Ga0.23N;Si
Ni/Au ElectrodeGaN;Mg(60nm)
Sapphire Sub.
Ni/Au
UV Output
Al0.62Ga0.38N(1.5nm)/Al0.77Ga0.23N(6nm)3-layer MQWEmitting Layer
Al0.95Ga0.0.5N;Mg/Al0.77Ga0.23N;Mg6-layer Multiquantum Barrier (MQB)
Al0.77Ga0.23N;Mg(25nm)
100nm
MQBを用いることで電子注入効率が 20% ⇒ 80% に増加
AlGaN-MQWおよびMQBの断面TEM像
0 100 200 300 4000
2
4
6
8
Current (mA)
Ou
tpu
t P
ow
er (
mW
) MQB
Single-EBL
0 100 2000
0.5
1
1.5
EQ
E (
%)
Current (%)
MQB
Single-EBL
150 200 250 300 350 400Wavelength (nm)
EL
Inte
nsi
ty (
arb.u
nit
s)
MQB
messured atcw 20mA
EQE=1.8%
247nm 4倍
MQBによる電子注入効率の向上
H. Hirayama et al, Appl. Phys. Express,
3, 031002 (2010).
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AlGaN-LED
実用レベルDUV-LED(波長:222-351nm)
●殺菌用波長で30mW級のLEDを実現(2007年,朝日新聞、2010年,毎日新聞などに掲載)
200 250 300 350 400 450Wavelength (nm)
Nor
mal
ized
Inte
nsity
AlGaN-QWDUV LEDs
Measured at RT
222nm Pulsed227nm Pulsed234nm CW240nm CW248nm CW255nm CW261nm CW
InAlGaN-QWDUV LED282nm CW342nm CW351nm CW
p-Al0.77Ga0.23N;Mg
多重AlNバッファー層(NH3パルス供給成長法)
n-Al0.77Ga0.23N;Si
バッファー層
Ni/Au p電極 p-GaN;Mgコンタクト層
サファイア基板
Ni/Au
n電極
UV 放射出力
Al0.62Ga0.38N(1.5nm)/Al0.77Ga0.23N(6nm)3層 量子井戸発光層
Al0.95Ga0.05N;Mg(4nm)/Al0.77Ga0.23N;Mg(2nm)5層 多重量子障壁電子ブロック層
Al0.77Ga0.23N;Mg
短波長・高効率紫外LEDの実現
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殺菌用270nm UVC-LEDモジュール
波長:273nm、 出力>10mW
EQE=2.6%
素子寿命:~10000時間0 20 40 60 80 100
0
5
10
0
5
10
Current (mA)
Ou
tpu
t po
wer (m
W)
Vo
ltag
e (V
)
200 300 400Wavelength (nm)
EL in
ten
sity
(a.
u.)
=273nmat 20mA DCRT
商品化2014年
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投入電力
内部量子効率<60%
光取出し効率70%
光取出し効率<6%
電圧効率80%
光出力:2~3%
光出力:30~40%
電圧効率80%
内部量子効率70%
損失(発熱)>98%光出力10Wに対し
500W以上の損失
損失(発熱)~60%光出力10Wに対し
15Wの損失
現在の深紫外LED 将来の目標
投入電力
電力損失1/30へ
光取出し効率向上の重要性
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光吸収コンタクト層透明コンタクト層+高反射電極
+縦光取出し構造
目標
LEE=4~8% LEE=12% LEE=25% LEE=35% LEE=74%
発光層
AlGaN/AlNバッファー層
サファイア基板
高反射フォトニック結晶
透明コンタクト層
ピラー光取出し構造
吸収コンタクト層
光散乱構造
光取出し効率の高効率化の構想
「素子の透明化」、「高反射光帰還」、「ピラー光取出し」の3つの相乗効果で10倍の光取出し
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縦型・高光取出し・深紫外LEDの構想
Ni/Au電極 (低反射率25%)
p-GaNコンタクト層(UV光をすべて吸収)
n-AlGaN
AlN
高反射フォトニック結晶
透明p-AlGaNコンタクト層
AlGaN量子井戸
サファイア基板 (縦導波特性)AlN結合ピラー
光取出し効率 <6%効率 1 ~2%
光取出し効率>70%効率~40%
現在の構造 新規構想
AlN
n-AlGaN
メッシュ電極
●縦型構造で10倍以上の光取出し効率向上を実現
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現在の深紫外LED
効率 1~2%将来の殺菌灯深紫外LED
目標効率 40%
水銀ランプ:効率20%
水俣条約:2020年までに水銀の使用を廃止
効率向上
深紫外LEDによるランプ殺菌灯の置き替え
水銀ランプの置き替え
2024年頃、深紫外LEDの普及予想: 10万KW電力ロスの低減: 300万KW (効率2%→30%を想定)年間CO2削減量: 1650万トン (日本の全CO2排出量の約1/80)
CO2削減量
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レンズ接合のためのフリップチップ(FC)ホルダー
FC-A● p-GaN + Ni/Au● EQE=3.2%, 50mW at 350mA, 6.5V● Large FC : 1.2×1.2 mm
● p-AlGaN + Rh HR electrode● EQE=15%, 13mW at 20mA, 9.1V● Small FC : 0.78×0.56 mm
FC-B
2タイプのフリップチップ深紫外LED提供:DOWAエレクトロニクス社
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FC-A + lens FC-B + lens
①Cytop S レンズ (旭硝子社) (φ3mm)Cytop S ペレットで接合
②サファイアレンズ (φ3.2mm) Cytop A(液体)で接着
レンズ接合による高効率化
Cytop S (旭硝子社)フッ素系樹脂UVCに光に耐性ありn=1.34 (サファイア: n=1.83)
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FC-AとFC-Bの特性比較
P-AlGaN
P-AlGaN+lensP-AlGaNP-GaN +lensP-GaN
V-I I-L
EQE
WPE
● p-AlGaNコンタクトLEDで動作電圧は増加。 (5.5V 9.1V).● LEE はp-AlGaNコンタクトLEDの方が3.5倍向上した。● レンズ効果で1.3-1.6倍効率が向上した。● EQEは3.5倍、WPEは2.1倍、p-AlGaNコンタクトLEDで向上した。
EQE max
=20.1%
WPE max
=10.8%
0 10 20 300
10
20
Current I (mA)
EQ
E η
eqe
(%)
0 5 100
10
20
30
Voltage V (V)
Cu
rre
nt
I (m
A)
0 10 20 300
10
20
Current I (mA)
Ou
tpu
t P
ow
er
L (
mW
)
0 10 20 300
5
10
Current I (mA)
WP
E η
wp
e (%
)
19
260 280 300 320 3400
5
10
RIKEN-DOWADOWANikkisoNichiaLG InnotekSeoul BiosysCrystal ISTokuyama
RIKEN;10.8%
Wall Plug Efficiency of UV LED
Wavelength(nm)
Wall
Plu
g E
ffic
ien
cy (
WP
E)
(%)
電力変換効率で世界トップを実現
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反射フォトニック結晶でLEE向上
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 0.2 0.4 0.6 0.8
ρ(ω)
ωa/2πc
光子の状態密度
R/a=0.20 R/a=0.400.000
0.200
0.400
0.600
0.800
1.000
1.200
ωa/2π
c
Ka/2π
TE光2Dフォトニックバンド構造
Γ M K
Γ
フォトニックバンドギャップ
λ/2neff
●横方向ブラッグ条件式
m×λ/neff=2a sinθ
(m:次数、 λ:波長、 neff:実効屈折率、 a:周期)
●垂直共振条件
発光層からの距離=λ/2neff
を満たすとき、垂直放射が得られる。
発光層
PhC
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PhCで90%以上の反射率が可能
w/o PhC with PhC
QW Emitter
n-AlGaN Buffer
p-AlGaN PhC
QW Emitter
n-AlGaN Buffer
Flat p-AlGaN
E-field mapping (FDTD)
●反射率(R)の比較
PhC R >90%
Metal Ni(1nm)/Al R~70%Ni(1nm)/Mg R~80%Rh(rodium) R~70%
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クリーニング後
●ナノインプリント●ICPドライエッチング●クリーニング周期 : 280nm, 深さ : 85nm
ナノインプリントを用いたPhCの作製
傾斜蒸着法による電極形成(Ni、Rh)
●低ダメージエッチングが特に重要
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反射PhCを用いたUVC LED
200nm
●反射PhCを用いたUVC LEDでLEEの向上を確認 (EQE=10%)
3QW Emitter MQB-EBL
0 10 200
2
4
6
8
10
Current[mA]
Ou
tpu
t p
ow
er[m
W]
with PhC
w/o PhC
0 10 200
2
4
6
8
10
Current[mA]
EQ
E[%
]
with PhCw/o PhC
260 280 300 320 340Wavelength[nm]
Inte
nsi
ty[a
.u.]
RT20mA
283nm
Sapphire Substrate
MQW
MQB EBL
p-AlGaN Contact Layer
HR electrode (80%)
emission emission
AlN Buffer
n-AlGaN
with PhCw/o PhC
Ni/Mg HR Electrode(80%) vs PhC
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EQE= 6%Ni (R=25%)
+PhC
EQE= 4.8%Ni (R=25%)
EQE= 10%Ni/Mg (R=80%)
+PhC
EQE= 8%Ni/Mg (R=80%)
p-Electrode:Ni(R=25%) vs Ni/Mg(R=80%)
反射フォトニック結晶で高効率化
●反射PhCで90%以上の高い実効反射率を確認
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AlGaN系深紫外LEDの開発
(まとめ)・高品質AlN結晶による高い発光効率を実現・高い電子注入効率を実現・光取出し効率を向上
世界最高効率、EQE:20.3%、WPE:10.8%の殺菌用LEDを実現
・反射フォトニック結晶でさらなる高効率化
(今後の展望)光取出し効率の向上とともに効率30~40%の実現が期待される。殺菌・医療などの広範な応用に大きな期待
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実用化に向けた課題
• 上記説明した方法による光取り出し効率(LEE)の向上。透明コンタクト層、高反射電極、PSS、反射フォトニック結晶、サファイア基板リフトオフを用い、LEEを60%程度まで向上させること。
• P型AlGaNへのコンタクト抵抗の低減による動作電圧の低減
• 素子の信頼性の向上
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企業への期待
• 深紫外LEDの未解決課題(光取り出し向上、動作電圧低減、素子の信頼性の向上)に向け、結晶成長を含めた総合的な開発で共同研究を行ってくれる企業を募集しております。
• 未解決課題の一部に関する共同研究、及び、深紫外LEDの応用分野開拓へ向けた共同研究を行ってくれる企業を募集しております。
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称 :紫外発光ダイオードおよびそれを備える電気機器
• 出願番号 :特許第9153741号
• 出願人 :理化学研究所
• 発明者 :平山秀樹
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お問い合わせ先
国立研究開発法人理化学研究所
産業連携本部、実用化コーディネーター半田 敬信
TEL 048-467- 9729
e-mail keishin.handa@riken.ac.jp