新技術説明会　様式例

殺菌用・深紫外LEDの開発

国立研究開発法人理化学研究所

平山量子光素子研究室

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

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

外部量子効率

η

_ext

＝

η

_int

×

η

_inj

×

η

_lee

紫外LEDの高効率化の経緯

内部量子効率： η

_int

光取り出し効率： η

_lee

電子注入効率： η

_inj

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%

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

「NH

₃

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 ・ﾏｲｸﾞﾚｰｼｮﾝｴﾝﾊﾝｽ成長 ・安定したⅢ族極性 0.3 μm 0.3 μm 1.3 μm 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 AlN AlN AlN AlN

高品質AlNバッファーの実現

特許登録 日本：2010 US：2011

LED Layers Al0.76Ga0.24N;Si 2.45μm Al0.88Ga0.12N;Si 5-Step Multilayer AlN Buffer 3.8μm Sapphire 1μm Sapphire Sub.

Nucleation AlN layer (NH3Pulse Flow) Al0.76Ga0.24N 2.45μm Multilayer AlN Buffer (5-step) 3.8μm

Continuous Flow AlN 0.56μm

Al0.88Ga0.12N 0.2μm NH3 Pulse Flow 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：

3×10

8

_cm

-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

XRC(102)FWHM（arcsec） λ=255nm PL In tensity (ar b. un its) 0 500 1000 1500

低転位化による紫外発光の増強

240 260 280 300 320 103 104 105 106 107 501arcsec λ=255nm FWHM of XRC (102) ω-scan 571arcsec 1410 arcsec 899 arcsec PL In te n sit y ( arb . u n it s) Wavelength (nm) AlGaN-QW

刃状転位密度

： 1×10

10

_cm

-2

_{→ 3×10}

8

_cm

-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）

Al0.77Ga0.23N;Mg

(25nm)

Multi-Layer (ML) AlN Buffer

n-Al0.77Ga0.23N;Si

Ni/Au Electrode GaN;Mg(60nm)

Sapphire Sub. Ni/Au UV Output Al0.62Ga0.38N(1.5nm)/ Al0.77Ga0.23N(6nm) 3-layer MQW Emitting Layer Al0.95Ga0.0.5N;Mg/ Al0.77Ga0.23N;Mg 6-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 0 100 200 300 400 0 2 4 6 8 Current (mA) O u tp u t P o w er ( m W ) _MQB Single-EBL 0 100 200 0 0.5 1 1.5 E Q E ( % ) Current (%) MQB Single-EBL 150 200 250 300 350 400 Wavelength (nm) E L I n te n si ty ( ar b .u n it s) MQB messured at cw 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,

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） 200 250 300 350 400 450 Wavelength (nm)

No

rm

ali

ze

d I

nt

en

sit

y

AlGaN-QW DUV LEDs Measured at RT 222nm Pulsed 227nm Pulsed 234nm CW 240nm CW 248nm CW 255nm CW 261nm CW InAlGaN-QW DUV LED 282nm CW 342nm CW 351nm 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

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) O u tp u t p o wer (m W ) V o lt ag e (V ) 200 300 400 Wavelength (nm) EL in ten sity (a. u .) =273nm at 20mA DC RT

商品化

2014年

UVC光がバクテリア、ウィルスのＤＮＡを破壊、

増殖を防止.

99.9％ 除菌

大腸菌

UV

(λ=260nm)

紫外LED照射の例

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

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

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

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）

FC-AとFC-Bの特性比較

P-AlGaN P-AlGaN＋lens P-AlGaN P-GaN ＋lens P-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 30 0 10 20 Current I (mA) E Q E η e q e ( % ) 0 5 10 0 10 20 30 Voltage V (V) C u rr e n t I ( m A ) 0 10 20 30 0 10 20 Current I (mA) O u tp u t P o w e r L ( m W) 0 10 20 30 0 5 10 Current I (mA) WP E η w p e ( % )

Springer “III-Nitride Ultraviolet Emitters”, Michael Kneissl et al AlN/AlGaN GaN/InGaN RIKEN UVC-LED 20.3％@275nm (2017)

外部量子効率

世界最高EQE：

20.3％

の実現

260 280 300 320 340 0 5 10 RIKEN-DOWA DOWA Nikkiso Nichia LG Innotek Seoul Biosys Crystal IS Tokuyama

RIKEN；10.8％

Wall Plug Efficiency of UV LED

Wavelength(nm) W a ll Plug Effic ienc y (WPE) (% )

電力変換効率で

世界

トップ

を実現

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=0.40 0.000 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/2n_eff ●横方向ブラッグ条件式

m×λ/n

_eff

=2a sinθ

（m：次数、 λ：波長、 n_eff：実効屈折率、 a:周期） ●垂直共振条件

発光層からの距離＝

λ/2n

_eff

を満たすとき、

垂直放射が得られる。

発光層 PhC

反射フォトニック結晶LED

(HR > 90%)

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）

●フォトニック結晶（PhC）と金属の反射率比較

p-AlGaN PhC

（ほぼ完全反射）

R ＞90%

HR p-electrode Ni(1nm)/Al

R～70％

Rh（rodium）

R～70％

★PhCで高い光取り出しが得られる。

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

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 20 0 2 4 6 8 10 Current[mA] O u tp u t p o w er [m W ] with PhC w/o PhC 0 10 20 0 2 4 6 8 10 Current[mA] E Q E [% ] with PhC w/o PhC 260 280 300 320 340 Wavelength[nm] In te ns it y [a .u.] RT 20mA 283nm Sapphire Substrate MQW MQB EBL p-AlGaN Contact Layer

HR electrode (80%) emission emission AlN Buffer n-AlGaN with PhC w/o PhC

Ni/Mg HR Electrode(80%) vs

PhC

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

【プロセス】

①2インチサファイア基板に結晶成長 ②p型GaNコンタクト層に二層レジストコート ③ナノインプリントでPhCパターニング ④ICPドライエッチングでwith/wo PhCを形成 ⑤レジスト剥離・洗浄 ⑥斜め蒸着電極形成 ⑦ベアウエハ状態で測定 【TEM断面観察】 R/a=0.32 残膜：5.48nm

25

p-GaN＋反射PhC（低電圧動作）

【ベアウエア計測】

p-GaN＋反射PhC（低電圧動作）

p-GaN反射フォトニック

結晶の効果

＊I-V特性

低電圧駆動を維持。

＊I-EQE特性

LEEは1.75倍向上した。

駆動電圧比較

●

p型GaNコンタクトLEDで駆動電圧が低い。

●

PhC有りで駆動電圧の上昇がない。

立ち上がり電圧：

約20V

立ち上がり電圧：

約10V

ベアウェファーチェック ベアウェファーチェック

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

実用化に向けた課題

• 反射PhCによる光取り出し効率（LEE）の向上

の実証。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

と複合効果でLEEをさらに向上。

• 反射PhC/電極間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

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。

本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：深紫外LED及びその製造

方法

• 出願番号

：特許第5757512号

• 出願人

：理研、丸文、東芝機械、

東京応化、アルバック、

産総研

• 代表発明者 ：平山秀樹

お問い合わせ先

国立研究開発法人理化学研究所

イノベーション事業本部 ライセンス部

実用化コーディネーター 半田 敬信

ＴＥＬ 048－467－ 9729

e-mail keishin.handa＠riken.jp