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化学気相によるAlN単結晶微粒子の合成と応用

研究者：静岡大学電子工学研究所

教授 原 和彦

説明者：原 和彦

新技術説明会 ２０１１年６月１０日

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本説明内容（研究あるいは技術）の背景

１．III族窒化物半導体（AlN、GaNなど）の微粒子化

ー III族窒化物発光材料の新たな応用展開にむけてー

２．気相法を駆使した高機能微粒子材料の開発

ー GaN粒子の2段階気相合成法に関する研究を基盤としてー

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ディスプレイ

ハイパワーランプ（紫外、可視）

発光材料の形状と応用

ー III族窒化物半導体の蛍光体応用ー

エピタキシャル薄膜

コンパクトなデバイス(半導体レーザ、LEDなど)

粉体大面積デバイス

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蛍光体材料としてのIII族窒化物半導体

1. ワイドバンドギャップ （ AlN: 6.2 eV, GaN: 3.4 eV）

2. 発光効率が高い

3. 不純物中心による発光制御が可能

R: Eu

G: Tb, Er

B: Zn, Tm など

4. 物理的・化学的に安定 強励起下における信頼性

5. 化学的に活性な元素を含まない デバイスを害さない

6. 低抵抗化が可能（GaN） 帯電の抑制

7. 混晶化（GaInN, AlGaN） 発光波長、吸収端の制御

8. 環境に有害な元素を含まない

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これまでの蛍光体 均質な材質

提案する蛍光体 半導体ナノ構造の導入

GaN系ナノ構造埋込型粒子の概念

AlNコア

AlN表面層

GaN量子井戸 GaN量子ドット

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ナノ構造埋込型粒子に期待される効果

キャリア局在効果

・ キャリア再結合の促進

I f・p・n n2 (for n = p)

f : 振動子強度

・ 非発光再結合の抑制

量子閉じ込め効果

・ 発光領域のサイズによる発光エネルギーの制御

En L-2 (for QW)

・ 励起子再結合効率の増大

f L-1 (for QW), L-3 (for QD)

3.4eV6.2eV

AlN AlNGaN

L

CB

VB

AlN

GaN

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GaN粒子の二段階気相合成

ー作製法の概念と特徴ー

① Ga + NH3 GaN + 3/2 H2

GaN粒子の生成、低い反応効率

② GaCl + NH3

GaN + HCl + H2

高い反応効率、不均一核発生

NH3

Ga

GaCl

粒子成長

GaN+NH3

種粒子生成

・ 連続プロセス

・ 高い反応効率

・ 合成条件を広範囲に設定可

・ 多原料の供給が容易

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NH3

排気

N2

Ga

フィルタ

管状炉 N2 + NH3

HCl + N2

ヒーター( 1300 C)

GaN 種粒子

900 C

700 C

反応領域 1

1100 C

Ga + HCl GaCl + 0.5H2

合成装置と作製条件例

反応領域 2

1000 C

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粒子形状と粒径

第１プロセス（種粒子生成）後

第２プロセス（粒子成長）後

1 m

GaCl供給量と粒径の関係

0 50 1001.0

1.5

2.0

Flow Rate of HCl

for Generating GaCl (sccm)

D5

0 (m

)

・ 粒子成長過程における新たな核発生はない

・ ガス流量の制御で精密な粒径制御

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300 400 500 600 700

PL

In

tensi

ty (

a.

u.)

Wavelength (nm)

exc. 325 nm

RT

undoped

GaN

[Zn] =

2.3×1019 cm-3

不純物添加による発光特性制御

例 Zn添加GaN粒子

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ー GaN系ナノ構造埋込型粒子の作製プロセスー

① AlN コア粒子の生成

② GaN発光領域の形成

③ AlN 表面障壁層の形成

ナノ構造埋込型粒子の開発に向けて

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排気HCl

Ga

フィルタ

NH3

AlN コア

HCl

Al

①

③②

① AlNコア【単結晶AlN微粒子】生成

② GaN発光領域形成

③ AlN 表面層形成

GaN/AlN AlN/GaN/AlN

HCl

Al

NH3

AlN/GaN/AlN型粒子の作製装置

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HCl

金属Al

(Al + 3HCl

AlCl3 + 3/2H2)

NH3 + N2

フィルター

管状炉（1450 C）

排気

AlCl3 + NH3 AlN + 3HCl

要 点

１．塩化アルミニウムを原料とする化学気相法

２．合成パラメータの制御による粒子の単結晶化と高品質化

技術内容の紹介

化学気相法によるAlN単結晶微粒子の合成

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実験データ ー粒子形状ー

1 m

0.13 atm 0.25 atm

0.38 atm 0.50 atm

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0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

0.2

0.3

0.4

0.5

FW

HM

of

XR

D P

eak (

deg.)

Partial Pressure of NH3 (atm)

AlN (100)

30 40 50 60

XR

DIn

tensity

(a.u.)

2q (deg.)

0.50 atm

0.38 atm

0.25 atm

0.13 atm

: AlN

実験データ

ー結晶性ー

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1100 1200 1300 1400 1500

0.2

0.3

0.4

Al + NH3

Al + N2

AlCl3 + NH

3

FW

HM

of A

lN (

10

0)

(de

g.)

反応温度 (C)

1350 C

1 m

1200 C

実験データ

ー他の原料との比較ー

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従来技術とその問題点

これまでAlN粉末は、電子デバイスの基板や高温・高耐食性構造材用

セラミックスの原料に用いられてきた。その主な製造法は、還元窒化法

と燃焼法であるが、これらにより得られるAlN粒子は多結晶である。

ヒーター

Al粉末

着火 伝播

反応帯（> 2000 C）

完了

AlN粉体N2

圧力容器

燃焼法

(Al(s) +1/2N2(g)

AlN(s))

還元窒化法 アルミナと黒鉛の混合粉を窒素雰囲気中で加熱

(Al2O3(s) + 3C(s) + N2(g) 2AlN(s) + 3CO(g), 1800 C）

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従来技術との比較・新技術の特徴

• 本発明では、塩化アルミニウムを原料とする化学気相法により、

単結晶のAlN微粒子の作製を達成

• 結晶面が発達した六角柱または六角鼓状の対称性の高い粒子

形状のAlN粒子

• 連続合成が可能な気相法をベースとした製造法であり、量産へ

の応用が容易、他原料ガス同時供給で不純物による特性制御

が容易

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想定される用途

AlN粒子の応用

• 我々が提案するナノ構造埋込型粒子のコア

• AlNを母体とする蛍光体

• 大型AlN単結晶育成用の種結晶

→ 電子デバイス（発光ダイオード、半導体レーザー、パワーデバイス、高周波デバイスなど）用基板として

製造法の応用

• 化学気相プロセスを利用した微粒子材料開発

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300 400 500 600 700 800

300 400 500 600 700 800

波長 (nm)

Mn

Sm

Eu

Tb

Tm

発光強度

(規格化

)

AlN蛍光体の発光スペクトルの例

粒子の多結晶化により発光効率の改善が見込まれる

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実用化された場合の産業への影響

本技術をベースにした高効率紫外蛍

光体は、次世代の水銀フリー紫外ラ

ンプの開発につながる。

Ushio, Inc Hg 放電灯

Hgフリー化コンパクト化波長制御

Ushio, Inc エキシマランプ

大面積フラットパネル紫外光源

e-

ガラス基板

グリッド AlN系紫外蛍光体冷陰極

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企業との連携

• AlN単結晶粒子、その製造のためのプロセス共に、これらだけでは

新たな産業に結びつきません。

• AlN（およびGaN）微粒子の応用のアイデアを求めています。その

ために必要な特性制御手法を開発します。

• 応用が明確になった場合、生産能力を上げるための装置のスケー

ルアップが欠かせません。ここでも企業との連携が不可欠です。

個別でのご相談を歓迎いたします。

本技術に関する産業化および企業との連携については、次のように

考えています。

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本技術に関する知的財産権

・発明の名称：窒化アルミニウム単結晶微粒子およびその製造方法

（未公開）・管理番号：9078C-HR05・発明者：原 和彦・出願人：国立大学法人 静岡大学

◎共同研究および関連する特許については、静岡大学知的財産本部にお問い合せください。コーディネータ：出崎、橋本TEL:053-478-1701Email：shin2011@cjr.shizuoka.ac.jp