藤原 康文

大阪大学大学院工学研究科

マテリアル生産科学専攻・教授

fujiwara@mat.eng.osaka-u.ac.jp

波長超安定・狭帯域窒化物半導体

赤色発光ダイオード

http://www.mat.eng.osaka-u.ac.jp/mse6/

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キーテクノロジー：「希土類添加半導体」

「半導体薄膜作製～基礎物性評価～デバイス作製～デバイス評価」まで一気通貫で対応可能

希土類添加半導体（GaAs, GaN, ZnO）

量子井戸レーザ 青色発光ダイオード

上記一気通貫システムを実現する世界で唯一の研究室

「希土類蛍光体」と「半導体」のハイブリッド材料（新材料）＜両者の利点を融合することが可能です＞

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社会の要請

Society5.0ではサイバー空間（情報処理）とフ

ィジカル空間（もの）が高度にインタラクティ

ブに融合した「超スマート社会」の構築が求め

られている。

「超スマート社会」の実現には、携帯端末に搭

載できる、超小型LEDプロジェクターやヘッド

マウンドディスプレイに応用可能な超小型・高

精細マイクロLEDディスプレイが必要である。

サファイア基板

ピクセルサイズ：数m角

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https://www.apple.com/jp/apple-watch-series-3/

従来技術とその問題点

「Series 3 GPS + Cellularモデル」の仕様

第2世代の感圧タッチ対応OLED Retinaディスプレイ2倍の明るさ（1,000ニト）272 x 340ピクセル（38mm）312 x 390ピクセル（42mm）

電源リチャージャブルリチウムイオンバッテリー内蔵最大18時間

有機ELでは、毎日、充電が必要(18時間しかもたないため)。

無機LED集積化により、✓ 充電： 最低1週間に一度✓ 画像： より高精細に、臨場感高く（ピクセルサイズ 10m角以下を実現可）

＜例＞ 有機ELを用いた「アップル・ウオッチ」

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無機LED集積化の問題点と解決策

＜解決策＞✓ 3原色LEDを結晶成長技術により同時に集積。

＜課題＞✓ 窒化物半導体で赤色LEDを実現する具体的方法の探索。

GaN系InxGa1-xN/GaN

GaAs系AlxGayIn1-x-yP/GaAs なんばパークス

＜現状＞

✓ 青色・緑色・赤色LEDそれぞれを配置することにより、大型LEDディスプレイは作製可能。

✓ ＜問題点＞ しかし、上記技術は、ピクセルサイズが小さなマイクロLEDディスプレイには適用困難。

350

400

450

500

550

600

650

700

750

0 10 20 30 40 50

発光

波長

(n

m)

インジウム組成 (%)

従来技術の問題点

青色・緑色LEDでは活性層にInxGa1-xN/GaN 多重量子井戸構造(MQW)が用いられている。

In組成

発光波長

結晶性(組成均一性）

発光効率

長波長になるほど効率の低下が顕著に

InxGa1-xN

6

?

7

✓発光波長の長波長化✓広い半値幅（~100 nm）

K. Ohkawa et al.,

J. Cryst. Growth 343, 13 (2012).

✓比較的狭い半値幅（~54 nm）✓均一性に問題／MBE法

K. Kishino et al.,

Appl. Phys. Express 6, 012101 (2013).

従来技術による赤色LEDの作製

新技術の特徴

GaNにユウロピウム（Eu）を添加する

希土類元素は固有の発光波長をもつ

Eu：赤色発光を示す（蛍光灯で利用）

窒化ガリウムに「電気」を流してEuイオンを赤く光らせる

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制御室MO室

反応炉

排気室

パスボックスグローブボックス

MO原料：TMGa, TMAl, TMIn, Cp2Mg, RE

ボンベ供給：H2, N2, NH3, CH3-SiH3

有機金属気相エピタキシャル法により作製

9

10

日刊工業新聞（平成24年9月19日）

Tmelt = 49℃

液体有機Eu原料の開発に成功しています

B. Mitchell, Y. Fujiwara et al., J. Chem. Phys. 193, 140 (2017).

621 nm

= 0.7 nm

発光

強度

（任

意単

位）

発光波長 (nm)

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従来技術との比較

✓ 1.1 mW, 2.2 % @ 20 mA

✓ 発光波長のシフト

J. Hwang et al.,

Appl. Phys. Exp. 7, 071003 (2014).

歪み補償InxGa1-xN/GaN量子井戸構造

= 50-70 nm

A.Nishikawa, Y. Fujiwara et al., Appl. Phys. Exp. 2,

071004 (2009). ＜第32回応用物理学会優秀論文賞＞（特許第5388041号、US8409897、KR10-1383489）

Eu添加GaN（[Eu] < 0.1%）

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540 560 580 600 620 640 660 680 700

EL

IN

TE

NS

ITY

(a

rb. u

nit

s)

WAVELENGTH (nm)

GaN:Eu

AlxGa

yIn

1-x-yP

RT

✓ 発光波長の環境温度依存性

0.001 nm/℃ 波長超安定

＜参考＞

0.15 nm/℃@AlGaInP LEDN. C. Chen et al., Appl. Phys. Lett. 89,

101114 (2006).

波長超安定です

2.8 mW

@20mA

13

理想的な赤色です

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注目されています

日本経済新聞朝刊（平成26年10月28日） 読売新聞朝刊（平成23年10月24日）

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光出力が指数関数的に増大しています

2010 2015

0.01

0.1

1

0.001

年

光出

力＠

20m

A(lo

g s

ca

le)

0.0013 mW

APEX 2.

071004 (2009).

0.017 mW

APL 97.

051113 (2010).

0.093 mW

JJAP 53.

05FA13 (2014).

0.375 mW

MRS. Adv. 2.

159 (2017).

0.487 mW

1.26 mW

B. Mitchell, Y. Fujiwara et al., submitted to J. Appl. Phys.

(Invited Perspective Paper)

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集積化が可能です

InGaN

MQWGaN:Eu

He-Cdレーザ照射

GaN:Eu

InGaN

MQW

GaN:EuInGaN

MQW

ブラックライト照射

光励起

モノリシック・フルカラーLEDディスプレイ実現の可能性

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想定される用途（１）

＜狭帯域・波長超安定＞

超小型・高精細LEDディスプレイ

ヘッドマウントディスプレイ

超小型LEDプロジェクター

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想定される用途（２）

＜狭帯域＞

フォトセラピー（育毛、美肌）

M. Ogasawara et ai.: J. Dermatological Sci. 64, 237 (2011).

狭帯域赤色LED

1.0 J/cm2

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実用化に向けた課題

光出力1 mW（@20 mA）を達成。更なる高輝度化

615 620 625 630 635

EL

IN

TE

NS

ITY

(a

rb. u

nit

s)

WAVELENGTH (nm)

RT

with cavity

without cavity

20 mA

フォトン場制御

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企業への期待

デバイス化プロセス：青色／緑色LEDプロセスへの展開

３原色LED高密度集積化技術

ディスプレイ試作

フォトセラピー効果の検証

新たなキラーアプリの開拓

サファイア基板

ピクセルサイズ：数m角

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本技術に関する知的財産権

発明の名称：赤色発光半導体素子および赤色発光半導体素子の製造方法

登録番号：第5388041号、US8409897、KR10-1383489

出願人：大阪大学

発明者：西川敦、藤原康文、寺井慶和、川崎隆司、古川直樹

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お問い合わせ先

大阪大学産学共創本部イノベーション共創部門

産学連携教授 鍵谷 圭

TEL 06-6879-4875

FAX 06-6879-4208

e-mail contact＠uic.osaka-u.ac.jp

安心、安定、きれいな 赤色LED！

青色、緑色LEDと同一基板上に集積できます

色覚異常の方が見える「赤」。また、REACH規制*対象外（従来の赤色LEDはAsを含んでいるため、欧州での規制対象物質。各社、輸出手続きにハードル）

波長超安定（バンド間遷移に比べて、温度依存性1/100）波長再現性（波長再現性100%）

狭帯域（室温での半値幅は1nm以下。色純度が高い）

*REACH: Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals

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