成果報告書詳細
管理番号20140000000303
タイトル平成23年度-平成25年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 実用化開発 実用化開発 実用化開発 高効率LED 用高品質GaNテンプレート基板の研究開発
公開日2014/7/5
報告書年度2011 - 2013
委託先名古河機械金属株式会社
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約InGaN系LEDは近年電球の代替、フルカラーの大型ディスプレイや液晶のバックライト等に使用されているが、今後さらに高出力化が進むことで蛍光灯代替の本格的照明用として期待が寄せられている。InGaN系LEDは一般的にはサファイアを用いて、その上にMOCVD法を用いてGaNをエピ成長させるため、エピ膜には、下地基板との格子定数の違いにより転位密度は極めて高い(108-1010cm-2)。この転位の影響による内部量子効率の低下を防ぐためには、自立GaN基板が理想的であるが、まだ高価であり、大面積化もこれからである。そこで本研究開発ではLED作製に用いられる低転位GaNテンプレート基板の研究開発を進めた。GaN基板の転位密度は106cm-2程度と低いが、LED用途としては、5x107cm-2程度であれば十分効果が得られ、またGaN基板が高価なこともあり、このような低転位化が実現できればより低価格で販売できるGaNテンプレート基板の優位性が高い。
本研究開発ではnano-FIELO法によるGaNテンプレート基板の開発を行った。nano-FIELO法とは、サファイア基板上に形成された高い転位密度(108-109cm-2)を有するGaN薄膜上にSiO2などでマスクを施し、ナノインプリント技術を用いてnmサイズの開口部を形成して、その開口部を種としてHVPE法により転位削減のためのファセット構造を作製する方法で、引き続いて20μm程度のGaN結晶成長を行うこと平坦なテンプレート基板を実現しようとするものである。開発項目は、(1)nano-FIELOに適したマスクパターン形成技術の開発、(2)nano-FIELO成長技術の開発、(3)低転位化、(4)GaNテンプレート基板上のエピ膜、LED構造の光学特性評価であり、平成23年度の事前研究を経て、平成24年度(中間年度)においては、2インチ全面へのnano-FIELOマスクパターンの形成技術の確立、HVPE成長においては大面積成長下における転位密度を削減するためのファセット構造形成条件、その後の埋め込み・平坦化プロセス条件の最適化、および転位評価を行い、5x107cm-2の低い転位密度を有する2インチnano-FIELO GaNテンプレート基板を開発した。平成25年度ではさらに4インチnano-FIELO GaNテンプレートの作製に取り組んだ。表面活性化処理、ナノインプリント成型圧力の最適化、ドライエッチング条件の最適化で4インチウエファ全面に均一なナノマスク構造を作製できるプロセスを確立し、LED用に適した鏡面4インチGaNテンプレートを実現した。さらに、テンプレート基板上にMOCVD法によりInGaN LED構造を試作し、光励起によりドループ現象を精度よく測定することにも成功し、nano-FIELO GaNテンプレート基板上のInGaN量子井戸試料では、サファイア基板上のInGaN LED構造に比して、ドループ現象が顕著になる高励起強度領域で約2倍の発光強度増加が観察でき、開発したGaNテンプレート基板のLED応用における優位性を実証できた。
英文要約Development of high quality GaN template toward high-power LED's

InGaN LEDs are widely used as the substitution of electric bulbs, in addition to back light sources of LCDs. LED business, and would expand by substituting fluorescent lighting system with the progress of high-power LED development near future. Since InGaN LED structures are generally epitaxially grown on the sapphire substrate. Due to the difference of the lattice constant between GaN and the sapphire, the dislocation density in the epitaxial layers is usually very high (108-1010 cm-2). To prevent the decrease of the internal quantum efficiency by the influence of such high dislocation density, the use of GaN substrate is ideal but being still expensive, and the development of large area GaN substrate has started just now. Although the dislocation density of the GaN substrate is quite low with 106 cm-2, however, the dislocation density of mid. 107 cm-2 would be enough for the LED use. If such dislocation density can be realized in low cost GaN template, the advantage could be high. This project aims to develop such a GaN template with the dislocation density of mid. 107 cm-2. To reduce the dislocation density, a novel method, named "nano-FIELO" was developed. The nano-FIELO is a method of making facet structures for the dislocation reduction from the nm-size openings formed on SiO2 mask deposited on conventional GaN template (DD:108-109 cm-2). The openings was fabricated by using the nanoimprint lithography and dry etching. Subjects to be done in this project were as follows; 1) development of nanometer-size mask pattern fabrication process, 2) development of GaN growth with the nano-FIELO method, 3) proof of dislocation reduction effect, 4) growth of epitaxial layers on the GaN template, and optical characterization of LED structures on the GaN template. In 2012, fabrication process of the nano-FIELO mask pattern to 2-inch-diameter wafer surface was established and the condition of the facet structure formation to reduce the dislocation density in 2-inch-diameter wafer was studied. After embedding facet structures, 2-inch-diameter nano-FIELO GaN templates with the dislocation density of 5 x107 cm-2 were realized. In 2013, the nano-FIELO GaN template with 4-inch diameter was developed. In the nano-mask fabrication process, the wafer surface treatment before the nanoimprint was carefully studied and the optimization of dry etching process and the nanoimprint process to apply uniform pressure over the wafer were performed. As a result, 4 inch-diameter GaN templates with mirror surface were realized. Moreover, InGaN LED structures were grown by MOCVD on the GaN template and a droop phenomenon was precisely measured by the optical-pumping. The InGaN quantum-well sample on the nano-FIELO GaN template had about twice of increase of the light emitting power in the high excitation intensity region where the droop phenomenon becomes remarkable, as compared with the InGaN LED structure on the conventional GaN template. This would prove an advantage of the developed GaN template over the conventional template in the high power LED application.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る