<4D F736F F F696E74202D2091E F BB95A894BC93B191CC899E97708CA48B8689EF E9197BF>

2012/11/12

「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

2012/11/12

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

Outline

2012/11/12 90 92 94 96 98 100 102 G5 G7 投入電力 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 50 55 60 65 Input Power [ mW ] O u tp u t P o w e r [ m W ] G7 G5 52.3

A-1. 省エネ（高効率）性能の実現

E1CG5

30.7mW 2.81V 55.1% +1.9 mW -0.01V X 1.07 32.6mW 2.80V 58.8%

E1CG7

_{32.6ｍＷ @20mA} Vf: 2.80V Po +1.9mW Vf -0.01V 30.7ｍＷ @20mA Vf: 2.81V Input Power 56.2mW Po VF 270x700 325x575 Ta=25℃

Output Power = 30.7mW, Ta=25℃

Input Power 52.3mW （Input Power:56.2mW） ＜高効率チップの開発＞ Ta=25℃、20mA駆動 電極配置の最適設計 加工基板、エピ層構造の改善 チ ッ プ デ ザ イ ン エ ピ 効率

7.0%

省エネ

2012/11/12 0 50 100 150 電流密度(A/cm2) O u tp u t P o w e r ( a rb. u n it ) 0 50 100 150 電流密度(A/cm2) η e xe . ( a rb . u n it )

A-2. 製品導入した要素技術の例

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

現行品

開発品

光取出し効率向上による 外部量子効率の向上

sapphire

GaN

リニアリティー の改善 現行品 開発品 開発品 現行品

sapphire

GaN

2012/11/12 チップサイズ 510×1020

A-3. 照明用チップの開発について

Output Power @120m A

200

180

160

140

120

100

80

2009

2010

2011

2012

2013

B3 B4 450µm□ 390ｘ520 µm□ B5 OEM製品 J6 B5 next J8 next 117mW 133mW 160mW 145mW J8 175mW 190mW 160mW 390ｘ520 µm□ TG内製品 6030PKG 3030PKG

’12 ﾓﾃﾞﾙ

製品

600µm□ ✓ 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 ✓ 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

_開発中

2012/11/12 90 92 94 96 98 100 102 B5 B5next 投入電力 135 140 145 150 155 160 165 330 340 350 360 370 380 390 400 Input Power [mW] O u tp ut P o w er [ mW ] B5next B5 ＜一般照明向けチップの開発＞

E1CB5

146mW 3.09V 39.4% +9 mW ±0V X 1.06 154mW 3.08V 41.7%

B5next

154ｍＷ @120mA Vf: 3.08V Po +9.0mW Vf -0.01V 146ｍＷ @120mA Vf: 3.09V Input Power 370.8mW Input Power 345.7mW Po Vf 390x520 390x520 Ta=25℃、IF=120mA Ta=25℃

Output Power = 146mW, Ta=25℃

（Input Power:370.8mW） 345.7

A-4. 高効率 省エネチップの実現

新電極材料の採用 エピ層構造の改善 電極レ イ ア ウ ト エ ピ 効率

6.7%

省エネ

2012/11/12 2.9 3 3.1 3.2 10 25 40 55 70 85 100 Ta [℃] VF [ V] B5 B5next 120 130 140 150 160 10 25 40 55 70 85 100 Ta [℃] Ou tp u t P ow e r [ m W ] B5 B5next IF=120mA IF=120mA B5next B5 _B5 B5next

A-5. 照明用チップの特性について

Ta-Po特性 Ta-Vf特性 ＜高温時特性の改善＞ B5nextはB5と比べ高温時特性変化が少なく優位 ✓ 製品で使用する環境で、特性改善を実現 ✓ 製品で使用する環境で、特性改善を実現 5% up 11.5% up 1.3% 照明での使用領域 照明での使用領域 （効率は10%up）

2012/11/12 0 50 100 150 電流密度(A/cm2) η e xe . ( a rb . u n it ) 0 50 100 150 電流密度(A/cm2) O u tp u t Po w e r ( a rb . u n it )

A-6. 製品導入した要素技術の例

Vピット発生 _{Vピット低減}

現行品

開発品

Ⅰ：発光効率向上

・ 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 転位 高温動作時の明るさ低下：少 高電流密度での使用に有利 現行品 開発品 開発品 現行品 Droop特性 改善 リニアリティー の改善

2012/11/12

B. TGの結晶成長技術について

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

2012/11/12

B1. GaN系LEDの高輝度・高効率化の為には

-LED発光効率：η

_p

=

= ①η

_int.

× ②η

_extr.

× ③η

_Vf

②③n電極

②③p電極

②③透明電極

②加工基板

①③

①③

①

②光取出し効率η

extr.

⇒設計的要素大

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}

③電流注入効率η

_inj.

⇒設計的要素大

投入電力

発光出力

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

ー

＋

2012/11/12

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

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

（◎）

（○）

※ 同様の報告も有

： Electrochem. Solid-State Lett. 10, H5 (2007)

0

10

20

30

40

50

If ( mA )

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。

n-GaN：5um AlN buffer sapphire 層構成

2012/11/12

B31. AlN緩衝層のAFM観察結果

-① as-deposited ② anneale d on a-sapphire on c-sapphire 10.0nm 0.0nm 5.0nm AlN粒密度 = 5.6×1010_/cm2 AlN粒密度 = 7.9×1010_/cm2 ・ 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。 結晶粒 密度： 少 ＜ 大 サイズ： 大（3.7nm） ＜ 小（2.9nm） 低温AlN buffer sapphire （層構成） AlN粒密度 = 2.3×1011_/cm2 【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。 【a面とc面上AlNの比較】 アニール前では、差無し。 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 （◎） （○）

2012/11/12

B32. AlN緩衝層の平面TEM観察結果

-・ 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 ① as-deposited ② anneale d 【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 【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） Fourier filtered images ⇒ Fourier filtered images ⇒ モアレ縞の乱れ：大 モアレ縞の乱れ減少 モアレ縞 乱れ 少（5.4×1011_/cm2_{） ＜ 多（7.9×10}11_/cm2_） ⇒ 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) 低温AlN buffer sapphire （層構成） （◎） （○）

2012/11/12

B41. 成長初期GaN層のAFM観察結果

-GaN : 40 nm

on a-sapphire 300nm 0nm 150nm

GaN : 640 nm

・ 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。 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 on c-sapphire GaN 結晶粒 密度： 9×107_/cm2 _{＜ 2×10}8_/cm2 サイズ： 100nm ＞ 60nm 平坦性： 良好 悪い 成長初期 n-GaN AlN buffer sapphire （層構成） RMS：15nm RMS：67nm RMS：15nm RMS：40nm （◎） （○） 0 20 40 60 80 100 120 140 1 2 3 4 5 アニール後のAlN結晶粒サイズ (nm) 40nm 厚 Ga N 層の 結晶 粒 サ イ ズ (n m ) a面上 c面上

2012/11/12

B42. 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。 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 200 400 600 800 Thickness of GaN films (nm)

FWHM of (10-10)GaN XRC (arcsec)

on a-sapphire

on c-sapphire

n-GaN 400～6400Å AlN buffer sapphire （層構成） GaN成長層は、 低温AlN緩衝層の結晶品質 を引き継いでいる。 a-sapphire （◎） c-sapphire （○） GaN 成 長層 結晶品質 (XRC結果) ＠GaN：40nm 2600 arcsec (小) 3300 arcsec （大） A lN b u ffe r層 貫通転位密度 (TEM解析結果) 5.4×1011 /cm2 （少） 7.9×1011 /cm2 （多）

2012/11/12

1.E+10 2.E+10 3.E+10 4.E+10

4.E+10 6.E+10 8.E+10 1.E+11 Density of annealed AlN islands (/cm2 )

E D D of G aN w it h 40nm ( /c m 2 )

on a-sapphire

on c-sapphire

B43. 結晶品質の良いGaN成長層を得る為には

-EDD = F 2 _{/ ( 9 b} 2 ₎ F : FWHM of (10-10) GaN b : Burger’s vector

・ 刃状転位成分を持つ貫通転位密度を計算

○ 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。』

（◎） （○）

2012/11/12 １Ａ ２Ａ（１ｍｍ□） ※Chip size □346 μm 1μm 1μm 高電流密度域での光出力改善

C-1. GaN基板上LEDの開発について

C-1. GaN基板上LEDの開発について

サファイア基板上GaN層中の 貫通転位密度：～ 109_/cm2 GaN基板上GaN層中の 貫通転位密度：～ 106_/cm2 Sapphire Sub. 貫通 転位

a) GaN LED on sapphire sub. b) GaN LED on GaN sub.

【GaN基板上GaN薄膜のX-TEM像】

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 )

2012/11/12 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 55 60 6 5 7 0 ２θ Intensity (arb.unit) m-plane m-plane _sapphire

Noc-plane GaN signal

【X線解析結果（2θ-ω）】

C-2. 無極性

m

面GaN薄膜の成長とLEDの開発について

C-2. 無極性

m

面GaN薄膜の成長とLEDの開発について

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。 【3インチサファイア基板上m面GaN薄膜】 高出力m面GaN上LEDの課題 ・結晶層の高品質化 ・無極性面の為のデバイス構造の最適化 偏光特性 【m面GaN上LEDの特性】 APEX2 (2009) 031002 APEX2 (2009) 041001

2012/11/12