成果報告書詳細
管理番号20150000000776
タイトル平成23年度-平成25年度成果報告書 「次世代照明等に向けた窒化物半導体等基盤技術開発 次世代高効率・高品質照明技術の基盤技術開発プロジェクト」
公開日2015/12/26
報告書年度2011 - 2013
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
和文要約三菱化学は、本プロジェクトで大型HVPE装置を開発し、4インチc面GaN基板を低コストで量産する技術を確立した。従来製法技術に対して、基板の製造コスト(面積単価)を28% (72%コストダウン)に削減することに成功した。これにより、次世代高効率・高品質照明用に大口径のc面GaN基板を安価に提供できる目処がついた。また要素技術開発としてm面基板の大型化、高品質化に取り組んだ。m面基板の課題となっている積層欠陥の発生機構や分布を明らかにし、1×103cm-1以上あった積層欠陥密度を1×101cm-1以下に低減させることに成功した。また、成長条件によって残留応力や格子定数が大きく異なることを見出し、クラック密度を1/10以下に減少させることに成功した。
東北大学は、時間空間同時分解陰極線ルミネッセンス(STRCL)装置をはじめとする種々の先端計測手法を用いc面及びm面GaN基板の評価を行った。成果は以下に集約される。1.局所計測におけるバンド端発光強度が非輻射再結合寿命に完全に比例しており、それが点欠陥の存在に対して敏感に変化することを明らかにした。特に、局所的に欠陥が殆ど無い領域では等価内部量子効率が20%を越える部分もあった(この値は世界最高値である)。2.有機金属気相エピタキシャル成長(MOVPE)法を用いたGaNのホモエピタキシャル成長、AlGaN/GaNヘテロ構造成長、およびAlInN混晶薄膜成長を通じてエピタキシャル成長基板としての実力評価を行い、優れた界面特性が得られる事を示した。3.GaN基板を用いたショットキーダイオードの逆方向漏れ電流が、サファイヤ上GaNテンプレート基板に形成した場合よりも数桁低い事を明らかにした。
三菱樹脂は、LEDフォルダ一体型基板、高熱伝導アルミ合金を用いた2種類のヒートシンク、GaN-BlueとnUV LED用の高反射リフレクタを製作し提供した。また、高熱伝導絶縁材料を検討し、厚み方向の熱伝導率が目標の10(W/mK)に達する技術的目途を得た。
シチズン電子では、光放熱かつ高光取出し効率のLEDデバイス開発を実施した。GaN on GaNチップを用いたLEDデバイスの発光効率を向上させるために、光学シミュレーション、試作検証により、デバイス構造、青素子のドミナント波長、蛍光体種類、配合比の最適化を実施した。結果、高効率化を実現することができ、通常の電流密度での駆動において、発光効率203lm/W、Ra>80に到達するデバイスを開発することが出来た。また、高演色性(Ra>95)のLEDデバイスの開発も実施し、n-UV素子を用いたLEDデバイスにおいて116lm/W、青素子を用いたLEDデバイスにおいて151lm/Wの発光効率に到達した。
NECライティングは、高効率・高市場適合点灯回路、高効率・高品位光学設計技術、高効率放熱構造設計技術を開発した。その結果、冷却ファン内蔵ミニクリプトン代替LED電球、調光器適合性の高いハロゲン代替LED電球、側面発光ハロゲン代替LED電球、GaN基板使用LED-PKG搭載大光量モジュールを試作し、GaN基板使用LED-PKG搭載高効率LED電球の試作品では、総合効率83%、発光効率133.8lm/Wを達成した。
英文要約MITSUBISHI CHEMICAL CORPORATION: The technology for mass production of 4” c-plane GaN substrate at low cost has been established. We have succeeded in reducing to 28% production cost of the GaN substrates compared with conventional production cost. We also improved the quality of 2” m-plane substrate. The stacking fault density of m-plane GaN substrate was dramatically reduced to 1 × 101cm-1 or less. The crack of m-plane substrate was reduced to 1/10.
TOHOKU UNIVERSITY: We have characterized c- and m-plane freestanding GaN substrates themselves, GaN homoepitaxial films, and AlGaN/GaN heterostructures grown by MOVPE on them using a variety of methods including the spatio-time-resolved cathodoluminescence (STRCL) technique. We correlated the local nonradiative recombination lifetime, which limits the emission intensity, for the near-band-edge (NBE) emission and the distribution of structural defects. Using the GaN substrate, MOVPE of atomically smooth, high quality GaN and coherent AlGaN/GaN heterostructures was realized. The AlGaN/GaN heterostructure exhibited clear signature of the presence of 2DEG. Finally, reverse leakage current densities of Schottky diodes fabricated on GaN homoepitaxial layers grown on the GaN substrates were shown to be a few orders of magnitude lower than those of the diodes fabricated on conventional GaN templates grown on Al2O3 substrates.
MITSUBISHI PLASTICS, INC.: We developed and supplied all-in-one folder type printed wiring boards, two types of heat sink using high thermal conductivity aluminum alloy, and high reflection reflectors for GaN-Blue and nUV LED. We have also studied high thermal conductive and insulating materials, and achieved 10 (W/mK) as thermal conductivity along thickness direction.
CITIZEN ELECTRONICS Co., Ltd.: We developed high efficiency of light extraction and high heat radiation LED devices. To improve luminous efficacy of LED devices using GaN on GaN chips, we optimized packaging structure, dominant wavelength of Blue chip and phosphor’s combination. We achieved luminous efficacy of 203 lm/W with Ra>80 at typical current density. And we also developed high efficiency and high color rendering LED devices (Ra>95). We achieved 116 lm/W using n-UV GaN on GaN chip, and 151 lm/W using Blue GaN on GaN chip.
NEC LIGHTING, LTD.: We developed “Efficient and high market conformable electrical circuit”, “Efficient and high replaceable optical design” and “Efficient heat dissipation structure”. As a result, we have produced various types LED lamp such as “LED lamp with built-in cooling fan replacing mini-krypton lamp” experimentally, and prototype of “High efficiency LED lamp using LED-PKG with GaN chips” achieved total efficiency of 83% and luminescence efficiency of 133.8lm/W.
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