大口径電子デバイス用エピ基板の開発

(1)

GaN/Si LEDの研究・開発動向

江川孝志

名古屋工業大学

極微デバイス機能システム研究センター

e-mail:egawa.takashi@nitech.ac.jp

発表内容

１．目的

２．MOCVDを用いたヘテロエピタキシャル成長

1. Si基板上のGaNヘテロエピタキシャル成長～厚膜化および高品質化～

2. 各種基板上のGaNの比較～Si基板の利点～

３．GaN/Si LEDの特性

1. 電流‐電圧特性、光出力特性

2. 活性層の形成（擬量子ドット構造の形成）

3. 低コスト化、高出力化

４．Si基板上LEDの利点、問題点

４．まとめ

平成24年11月12日第14回窒化物半導体応用研究会

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材料的特長：

１．大きなバンドギャップ：3.4 eV

２．大きな破壊電界：2x10

6

_V/cm

３．大きな飽和速度：2.7x10

7

_cm/s

４．ヘテロ構造(AlGaN/GaN)の作製

５．大きなシートキャリア密度(Ns):

Ns~1x10

13

_cm

-2

６．Asを含まない(cf. GaAs)

応用分野：

１．紫外、青、緑、赤の発光デバイス

１）白色ランプ：蛍光灯の代替え

（水銀無し、省エネ）

２）DVD用のレーザー：４倍の記録密度

２．高周波・高出力・高温動作の電子デバイス

_{１）携帯電話用基地局}

２）スイッチング用電源

（パワーデバイス）

３．紫外線、ガスセンサー

窒化物(GaN)系半導体材料の特徴

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GaN/Siデバイス開発の意義

CO2削減効果：デバイスとして既存のSi半導体に対し70-90％減

日本国内のCO2 排出量約13.5億㌧に対し4％減(2025)、6％(2030)

海外分:日本のCO2排出換算で70％減に相当）

（新機能素子研究開発協会「次世代省エネデバイス技術調査報告書」 H20年3月

パワーデバイスのマーケット

国内デバイス：2000－5000億円

／年システム：2-5兆円

海外デバイス：5-10兆円

／年

システム：50-100兆円

一次エネルギー消費量

（国内）

4.70 億t （石油換算）

電力消費量_{2.02億t (1.03兆kWh)}

照明以外（パワー

デバイス利用）

1.70億t

照明：

0.32億t

（

GaN LED）

一人当たりのＣＯ２発生量

37ｋｇ/日

海外

約２５倍

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GaN/Siの動向～LED～

白色ＬＥＤ素子の量産開始について加賀東芝エレクトロニクスに量産ラインを構築 2012年07月25日当社は、ＬＥＤ照明や液晶テレビのバックライトなどに利用される白色ＬＥＤ素子の量産を開始することを決定しました。白色ＬＥＤ素子の量産ラインを、ディスクリート製品の量産拠点である加賀東芝エレクトロニクス株式会社（以下、加賀東芝）の２００ｍｍウェハー対応の製造棟内に構築し、今年１０月から量産を開始する計画です。近年、白色ＬＥＤは低消費電力、長寿命という特性により照明や液晶テレビのバックライト向けなど、様々な用途での使用が拡大しており、白色ＬＥＤ素子の市場規模は２０１１年度の７，０００億円から２０１３年度には1兆円になると予測されています。このような中、当社は、GaN-on-Silicon注1技術を使用したＬＥＤチップの開発を進めており、今年１月からは、米国の白色ＬＥＤ製品メーカーであるブリッジラックス社と白色ＬＥＤ素子を共同で開発しています。ブリッジラックス社の結晶成長技術とＬＥＤチップ構造に、東芝の高い製造技術を組み合わせることにより、両社共同開発の成果として、最高で６１４ｍＷの光出力を実現したチップの試作に成功しています。今回、この成果を生かして、白色ＬＥＤ素子の量産を開始するものです。 http://www.toshiba.co.jp/about/press/2012_07/pr_j2501.htmより Si基板を使用したGaN LEDです。低熱抵抗で長寿命、コストパフォーマンスに優れています。サージ保護素子内蔵の高ESD耐量製品です。緑～青色、白色系もラインアップしています。 http://www.sanken-ele.co.jp/prod/semicon/led/より名工大との共 同研究成果

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海外の研究開発動向

EU

MORGaN プロジェクト 11ヶ国24企業・機関による共同研究

AIXTRON, MicroGaN, Gooch&Housego，THALES，SWEREAなど、研究費 € 9.2 million（2009より３3年間）狙い：厳しい環境で使用可能な GaNｾﾝｻ、 RFﾄﾗﾝｼﾞｽﾀの開発

LAST POWER プロジェクト 42ヶ月間、欧州多国間14企業参加

STMcroelectronicsが中心となり、先進的なSiC及びGaN/Siのコスト効率と信頼性の統合を開発, NEULAND プロジェクトドイツの企業6社（Aixtronなど）が参加

研究費 €4.2 million（2010より3年間）GaN/SiやSiCなどを使い、エネルギー効率が高く、低コストのパワーデバイスを開発。 G2_{REC STMicroelectroncsが中心、Sitronics, Novasicなど4社、2大学参加。 6ｲﾝﾁSi上に耐圧600VのSBDを開発、}

2007年より4年計画で€15 million

STMicroelectronics社狙い：低損失GaNダイオード（2013年の製品化を狙う）

Freescale社 CNRS-CREHAとの共同研究狙い：高出力 GaN/Si MOSHEMT(ﾊﾞｲｱﾎｰﾙによる縦型デバイス) IMEC 2012年までにGaN/Siの8インチ化を計画（Applied Material, Dow Corning, Samsung, Intel?)

アメリカ

TRIQUINT社 BAE Systems, IQE-RF Corp., Lockheed Martin; II-VI Inc. との共同研究

研究費（ Phase III） $31.7 million.（2009より2年間）、狙い：48V駆動でのﾃﾞﾊﾞｲｽ信頼性、寿命の向上

Northrop Grumman社 University of California Santa Barbara, Arizona State University and Pennsylvania State University 研究費（PhaseⅠ） $12.4 million 、狙い：高耐圧で500GHｚ駆動可能なGaNデバイスの開発

Nitronex社 GaN/Si技術を活用したHEMT構造ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀを販売（2007～）

Efficient Power Conversion社 GaN/Si (6ｲﾝﾁ）技術を使って40～200V耐圧のﾊﾟﾜｰﾄﾗﾝｼﾞｽﾀを開発し、販売開始（2010～） International Rectifier社 GaN/Siを使い、ﾊﾟﾜｰMOSFETを量産中、売上10億ﾄﾞﾙ規模

Cree 社 GaN/Siのヘテロエピタキシャル技術、パワーデバイス

シンガポール

A-Starプロジェクト GaN/Siに関して、 Nanyang Technological University, Standard Chartered(ｸﾞﾛｰﾊﾞﾙﾌｧﾝﾄﾞﾘｰ) 8インチのGaN/Siパワーデバイス(4月より立ち上げ)

台湾 TSMC社 GaN/Siパワーデバイス、LED計画

(6)

(7)

4インチ対応MOCVD装置



Source gas



Group III : TMG, TMA



Group V : NH

₃ 

Dopant

: SiH

₄



Carrier gas



H

₂

, N

₂



Growth temperature



1080-1130ºC



Horizontal MOCVD system (Nippon Sanso, SR-4000)

Substrate

Laminar

flow region

Diffusion region

Fused quartz flow channel

Stainless steel reactor

Resistive heater

(Temperature

≈

1100℃)

Group V + carrier gas

Group III + carrier gas

Nitrogen gas

アンモニアとTMAの気相反応の制御

が重要！！

(8)

(9)

(10)

(11)

on sapphire sub.

DSD=5x10

8 cm

-2

on Si sub.

DSD=4x10

9 cm

-2

(12)

(13)

(14)

(15)

InGaN MQW LED on n-Si

T. Egawa et al., Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 41, p. L663 (2002).

(16)

Comparison of I-L characteristic of LEDs on sapphire and Si

(17)

Aging results of green LED on Si at various temperatures

(18)

Cross-sectional TEM of InGaN LED on Si

200 nm n-Si sub. p-GaN/p-AlGaN → InGaN MQW → n-GaN → AlN/GaN SLS → AlGaN/AlN →

(19)

Cross-sectional TEM of InGaN LED on Si

T. Egawa et al., IEEE EDL, 26, 169 (2005)

30 nm

n

+

_-GaN

p

+

_-GaN/p-AlGaN

擬量子ドット構造

電子

_電子

正孔

_正孔

(20)

4-inch n

+

-Si sub.

n-AlGaN/n-AlN (20/5 nm) SLS (2.5 µm) n-GaN

MQW (10 pairs)

InxGa1-xN /InyGa1-yN (4/8 nm) P+-GaN (100 nm) p-AlGaN (20 nm) Sample A: 1.0 µm Sample B: 1.5 µm Sample C: 2.0 µm L. Lu et al., JAP. 109, 113537 (2011)

厚膜化による高品質化

⇒赤、緑、青の積層による白色LED

(21)

Sample A

Sample B

Sample C

L. Lu et al.

JAP. 109, 113537 (2011)

断面TEM観察

(22)

Sample C @ DC 20 mA

Y. Zhu et al., JJAP. 50,04DG08 (2011)

光出力特性

(23)

LED process flow

(a)

form p-type ohmic contact and deposit an Al/Au metal reflector

(b)

bond onto the copper carrier

(c)

thin substrate by mechanical polishing

(d)

remove substrate selectively by wet-chemical etching

(HF:HNO

₃

:CH

₃

COOH=1:1:1)

Cu

Si

In

Si

LED epilayers Ni Al/Au reflector

(a)

(b)

(c)

Cu

Polyimide

(d)

Cu

Lift-off region

(24)

Surface morphology after bonding and etching

500 µm

Si substrate

Epi layer

(25)

Comparison of I-V characteristic

 before (dashed line) and after

(solid line) substrate removal.

 The inset shows an emission

image of the LED fabricated on

the substrate removal region.

The image was taken at 0.5 mA

under room light and

microscope light conditions.

 The emission wavelength is

about 518 nm.

0

1

2

3

4

5

6

0

10

20

30

40

50 C

u

rre

n

t (m

A

)

Voltage (V)

before after

(26)

Comparison of L-I characteristic

0

50

100

150

200

0

50

100

150

200 O

pt

ic

al

p

ow

er

(

µW)

Current (mA)



50 % increase in optical

power

after before

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