成果報告書詳細
管理番号20110000001371
タイトル平成21年度~平成22年度成果報告書 次世代高効率・高品質照明の基盤技術開発 LED照明の高効率化・高品質化に係る基盤技術開発
公開日2011/12/13
報告書年度2010 - 2011
委託先名三菱化学株式会社 シチズン電子株式会社 NECライティング株式会社
プロジェクト番号P09024
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約三菱化学では「(1)大型HVPE装置の開発」、「(2)バルク成長技術の開発」を実施した。(1)では、反応・流体シミュレーションを利用して、GaN結晶成長条件及び装置配置の最適化を行い、Ga利用効率、及び結晶成長速度の向上を達成した。本検討結果をベースに、GaN基板の製造コストを大幅に削減することを可能とする次世代の大型HVPE装置の設計に着手した。(2)では、GaN大型バルク結晶実現において重要な要素技術となる下地基板径拡大、成長中の応力制御、寄生成長対策の検討を実施し、HVPE法において外形89mm(実効径76.2mm以上)・13mm厚GaNバルク結晶を実現した。なお、成長した結晶の完全性について以下のとおりの評価法を確立した。1)ラマン散乱による非破壊残留応力評価法 2)微小領域測定可能なX線回折によるGaN基板の異方性のある局所歪の観察手法 3)液相エッチングによるGaN基板の転位分布と転位種の評価技術 さらにGaN結晶の結晶品質改善に必要な熱処理を検討し、格子欠陥再配列及び残留応力の低減を確認した。 東北大学では、時間・空間同時分解分光計測法や陽電子消滅法等の先端科学計測技術を用いて、局所的な非輻射再結合寿命が欠陥の存在に対し敏感に変化し、それがバンド端発光の強度と強い相関をもつことを明らかにした。また、有機金属気相エピタキシャル成長によりAlGaN/GaNヘテロ構造などを成長し、エピ成長基板としての実力評価を行った。原子層レベルで平坦なヘテロ界面を得ることができ、二次元電子ガスに起因する発光の観測を可能とした。以上の手法を用いて、本開発によるHVPE法GaNの優位性を示すことができた。 シチズン電子ではGaNチップの性能を最大限に活かすデバイス化技術の開発を行った。目標の発光効率はRa>80において175lm/W。最適なGaNチップ形状、実装方法の検証、蛍光体の組合せとパッケージ形状も含めた蛍光体配置の最適化を行った結果、Ra=80において180lm/Wの発光効率を達成することが出来た。 NECライティングでは、LEDチップの発熱を効率良く大気に放出させる「(1)高効率放熱構造設計技術の開発」、投入電力を効率良くLEDデバイスにインプットし効率良く発光させる「(2)高効率・高密度実装点灯回路の開発」、LEDデバイスから放出される可視光を効率的に対象空間へ導く「(3)取り出し高効率光学設計技術の開発」の検討を進めた。(1)では、各種制御方式の電源を試作し、出力安定化のための電流検出部位をLEDの順方向電流とする新規制御回路を採用することで85~89%の電源効率を実現した。(2)では、ハロゲン電球代替LED電球に使用するレンズの最適設計を実施し、配光角27 にて87%の光学効率を得ることができた。また、ミニクリプトン電球代替では、H23年度以降に実施する広配光角化に繋げる研究を始めた。(3)では、アルミ板に直接LEDチップを実装する「LED基板一体型ホルダー」の開発や、各種放熱材料を用いたヒートシンクを試作することにより、75~88%の放熱効率を実現した。 三菱樹脂では、ヒートシンクと配線基板材料を提供した。 三菱樹脂では、ヒートシンクと配線基板材料を提供した。ヒートシンクは三菱樹脂固有の高熱伝導率アルミニウムダイカスト合金(DMS)で製作した。配線基板は三菱樹脂保有の耐熱信頼性・耐光信頼性のあるWhiteKTM材料を用いて、通常のパッケージ実装型とホルダ一体型の2種類を製作した。ホルダ一体型は放熱性に優れ発光効率向上に寄与した。
英文要約Title : Fundamental Technology Development of Next Generation Highly Effective and High-quality Lighting. Fundamental Technology Development Related to Highly Effective and High-quality LED Lighting. Fundamental Technology Development Concerning Upgrade of Nitride Crystal Growth Technique. (FY2009-FY2010) Final Report
MITSUBISHI CHEMICAL CORPORATION : [Development of Large-Scale HVPE Growth System] Improvements in Ga efficiency and crystal growth rate were achieved by optimizing growth conditions and reactor configuration. We have started to design a large scale HVPE reactor, which would reduce the production cost of GaN substrate. [Development of Bulk Crystal Growth Technology] Fundamental technologies for realizing the HVPE-GaN bulk crystals, such as enlarging crystal diameter, stress control during the growth and elimination of parasitic growth were investigated. We have grown the HVPE-GaN bulk crystal with the dimension of 89mm in diameter and 13mm in thickness. The microscopic analysis of annealed GaN crystals revealed re-arrangement of lattice defects, and the residual stress was largely reduced by the optimized annealing treatment conditions. TOHOKU UNIVERSITY : Structural and point defects in semiconductor substrates, as well as the wafer bowing affect the overall qualities of epitaxial layers. HVPE GaN substrates and epitaxial layers grown by MOVPE were characterized using the spatio-time-resolved cathodoluminescence and positron annihilation. Using the HVPE GaN substrate, MOVPE of atomically smooth GaN and coherent AlGaN/GaN heterostructures was realized. By utilizing those evaluation methods we have proved the high quality performances of our grown crystal in this study. CITIZEN ELECTRONICS CORPORATION, LTD. : We developed a new LED device utilizing GaN chip performance. The target luminous efficacy was 175lm/W with color rendering index Ra > 80. Optimization of GaN chip shape and packaging method, optimized phosphor's combination and arrangement including package shape were carried out. As the result, we achieved luminous efficacy 180lm/W with Ra >80. NEC LIGHTING, LTD. : [Development of high efficiency heat dissipation structure design technology] we realized heat dissipation efficiency of 75~88% by developing “integrated holder with LED and substrate” in which chips are directly mounted on aluminum plate and produced heat sink using various kinds of materials. [Development of high efficiency and high density mounted light-on circuit] we have produced power supplies with various kinds of control methods. As the result, we have realized power supply efficiency of 85~89% by employing “new regulation circuit whose current detection region for output stabilization is forward direction of LED”. [Development of high efficiency light extraction optical design technology] optimum lens was designed for LED lamp and realized optical efficiency of 87% at distribution angle of 27°, and started study on wide range distribution angle to replace mini krypton lamp from this year., By combining the above achievements we produced LED lamps whose outer diameter and total length are identical to the current lamps. MITSUBISHI PLASTICS, INC. : Both heat sinks and printed wiring boards were supplied . Heat sinks were made of die-casting Aluminum alloy; DMS which has high thermal conductivity. Printed wiring board is made of WhiteKTM which has outstanding resistance against heat and light. Two printed wiring boards, normal type and all-in-one folder type, were composed by using the above materials. As the result, all-in-one folder type showed excellent heat dissipation and improvement of luminescence efficiency.
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