蛍光体フリー白色および多色蛍光体フリー白色および多色LEDLEDの開発の開発

船戸充 ，川上養一京都大学・工学研究科・電子工学専攻

成川幸男，向井孝志日亜化学工業株式会社

謝辞：京都ナノテク事業創造クラスター

� IIIIIIIIIIII族窒化物半導体族窒化物半導体族窒化物半導体族窒化物半導体：：：：AlNAlNAlNAlN，，，，GaNGaNGaNGaN，，，，InN InN InN InN

•紫外域（AlN）から可視域（GaN）を通って赤外域（InN）までをカバー

•InGaN

•Ⅲ族混晶組成比によってバンドギャップが近紫外（GaN：3.4 eV）から赤外（InN：0.7eV）まで変化

可視域をカバー可能・・・InGaNを発光層に用いたLED, LDが実用化

� 実用化実用化実用化実用化されたされたされたされたデバイスデバイスデバイスデバイス

LED・・・紫外から緑 → LED フルカラー

ディスプレイ

LD・・・紫外から青 → Blu-ray Disc，PS

背背背背 景景景景

発光発光発光発光ダイオードダイオードダイオードダイオード(LED)(LED)(LED)(LED)のののの発光効率発光効率発光効率発光効率のののの変遷変遷変遷変遷

2005年 蛍光灯の効率を超える113 lm/Wの白色LEDを実現 （日亜化学工業）

2006年： 138 lm/W, 2007年： 159 ｌｍ/W (青色 LEDの外部量子効率 75%)

2

1970 1980 1990 200010-1

100

101

10２

Luminous Efficiency (lm/W)

Year

Thomas Edison’s

first bulb

GaAs Red

GaP:Zn,O

Red

GaP:N Green

GaAsP:N

Red-yellow

AlGaAs/GaAs

Red

AlInGaP/GaAs

Red-orange

InGaN BlueInGaN Blue

AlInGaP/GaP

Red-orange

InGaN WhiteInGaN White

UV LEDUV LEDUV LEDUV LED開開開開発活発化発活発化発活発化発活発化

2006年6月 世界最短波長210nmのLEDの動作に成功（NTT）

今回今回今回今回のののの開発開発開発開発のののの特徴特徴特徴特徴

� 白色白色白色白色をををを含含含含むむむむ発光色発光色発光色発光色のののの高高高高いいいい制御性制御性制御性制御性

� 高高高高いいいい発光効率発光効率発光効率発光効率のののの可能性可能性可能性可能性

マイクロマイクロマイクロマイクロ構造構造構造構造をををを利用利用利用利用したしたしたした窒化物半導体窒化物半導体窒化物半導体窒化物半導体多色発光多色発光多色発光多色発光ＬＥＤＬＥＤＬＥＤＬＥＤ

物体色は光源色に強く依存

400 500 600 700

Intensity [arb.units]

Wavelength [nm]

照明照明照明照明のののの重要性重要性重要性重要性

所望の物体色＋究極の高効率テイラーメイドテイラーメイドテイラーメイドテイラーメイド照明照明照明照明

目的目的目的目的にににに合合合合わせたわせたわせたわせた光源光源光源光源スペクトルスペクトルスペクトルスペクトル合成合成合成合成

応用分野：一般照明，展示，医療などなど

従来従来従来従来ののののLEDLEDLEDLED：：：：単色光源単色光源単色光源単色光源

CIE 1931 色度座標

テイラーメイドテイラーメイドテイラーメイドテイラーメイド光源光源光源光源のののの実現実現実現実現にににに向向向向けてけてけてけて，，，，いかにいかにいかにいかに効効効効率率率率をををを損損損損なわずになわずになわずになわずに発光発光発光発光スペクトルスペクトルスペクトルスペクトルをををを制御制御制御制御するかするかするかするか？？？？

発光波長制御性発光波長制御性発光波長制御性発光波長制御性

Stacked QWs

Facet QWs

高高高高いいいい発光発光発光発光スペクトルスペクトルスペクトルスペクトルのののの制制制制御性御性御性御性をををを有有有有したしたしたしたLEDのののの実現実現実現実現

本研究本研究本研究本研究

テイラーメイドテイラーメイドテイラーメイドテイラーメイド照明照明照明照明のののの実現実現実現実現にににに向向向向けたけたけたけた

マイクロファセットマイクロファセットマイクロファセットマイクロファセット多色発光多色発光多色発光多色発光LEDLEDLEDLEDのののの提案提案提案提案

����

����

LED + phosphor

�blue LED + blue LED + blue LED + blue LED + 蛍光体蛍光体蛍光体蛍光体☺ 白色白色白色白色LEDLEDLEDLEDとしてとしてとしてとして大成功大成功大成功大成功．．．．固固固固体照明体照明体照明体照明のののの本命本命本命本命� 青色⇒黄色への変換の際のストークスエネルギー損失� 材料選択に制限 ⇒

スペクトル合成に制限

蛍光体蛍光体蛍光体蛍光体フリーフリーフリーフリー発光素子発光素子発光素子発光素子

� RGB LEDRGB LEDRGB LEDRGB LED のののの組組組組みみみみ合合合合わせわせわせわせ☺ 高い発光色制御性� 駆動回路が3系統必要� サイズが大きくなる

� 積層型積層型積層型積層型LEDLEDLEDLED☺ 素子サイズ小さい� 各発光層のからの発光強度比を制御できない 発光色制御性悪い

GaN

GaN

GaN

(0001) GaN

InxGa1-xN

(0001) sapphire

InyGa1-yN

InzGa1-zN

400 500 600 700

Intensity

Wavelength [nm]

相対

発光

強度

制御

性相

対発

光強

度制

御性

相対

発光

強度

制御

性相

対発

光強

度制

御性

(0001) sapphire

GaN

SiO2

(11-22)

(0001)

1. GaN膜（数ミクロン）の成長 2. 100-nm厚のSiO2 の堆積

3. フォトリソグラフィーによるスト

ライプマスクの形成4. GaNおよびInGaN量子井戸構造の

再成長

[0001]

[11-20]

[1-100]

TMG, TMI, NH3, Cp2Mg (p-dopant)

300 Torr

結晶再成長結晶再成長結晶再成長結晶再成長によるによるによるによるマイクロファセットマイクロファセットマイクロファセットマイクロファセット構造構造構造構造のののの作製作製作製作製

マイクロファセットマイクロファセットマイクロファセットマイクロファセットLEDLEDLEDLEDのののの構造概略構造概略構造概略構造概略

(0001)

(1122)

(0001) sapphire

n-GaN

(0001) sapphire

n-GaN

BA

[0001]

[1120]

[1100]

SiO2

p-GaN

InGaN/

GaN QW

(0001) sapphire

n-GaN

従来構造従来構造従来構造従来構造

High emission efficiency

of {11-22} InGaN QWs

APL 85, 3122 (2004)

APL 87, 231901 (2005)

1. 結晶面依存性結晶面依存性結晶面依存性結晶面依存性

350 400 450 500 550 600

3.5 3 2.5

PL Intensity [arb.units]

Wavelength [nm]

Energy [eV]

(0001)

{11-22}

5 µµµµm

マイクロファセットマイクロファセットマイクロファセットマイクロファセット量子井戸量子井戸量子井戸量子井戸のののの光学的特性光学的特性光学的特性光学的特性

(0001){11-22}

PL@RT

(0001)

{11-22}2 µµµµm

2. 再成長用再成長用再成長用再成長用マスクパターンマスクパターンマスクパターンマスクパターン

依存性依存性依存性依存性

APL 90, 171907(2007)

{11-22}

マスクパターンマスクパターンマスクパターンマスクパターンのののの設計設計設計設計およびおよびおよびおよび成長条件成長条件成長条件成長条件のののの選択選択選択選択

スペクトルスペクトルスペクトルスペクトル合成合成合成合成

パターンパターンパターンパターン合成合成合成合成によるによるによるによる発光色制御性発光色制御性発光色制御性発光色制御性のののの拡大拡大拡大拡大

QW

Tg / °°°°C time / sec

sample 1 770 21

sample 2 750 18

成長条件成長条件成長条件成長条件

mask window

pattern A( window / mask

= 5 µµµµm / 5 µµµµm )

A:B = 3:1パターンパターンパターンパターン合成合成合成合成

BA

pattern B( window / mask

= 15 µµµµm / 5 µµµµm )

作製作製作製作製したしたしたしたマイクロファセットマイクロファセットマイクロファセットマイクロファセットLEDLEDLEDLEDのののの断面観察断面観察断面観察断面観察

全体図： 構造AAAAとBBBBが1 : 1で合成されていることがわかる

拡大図：コントラストからpn接合の形成が確認できる

A

500 nm

n-GaN

(1122)p-GaN p-GaN

[0001]

[1120]

[1100]

10 µmn-GaN

SiO2sapphire

B n-GaN

(0001)

(1122)

(0001)500 nm

A

500 nm

n-GaN

(1122)(1122)p-GaN p-GaN

[0001]

[1120]

[1100]

[0001]

[1120][1120]

[1100][1100]

10 µmn-GaN

SiO2sapphire

B n-GaN

(0001)

(1122)(1122)

(0001)500 nm500 nm

電極電極電極電極のののの形成形成形成形成

n-GaN

N-electrode(Ti/Al)Semi-transparent

P-electrode

(Ni/Au)

n-GaN

p-type GaNInGaN/GaN QW

n-GaN

(a) as-grown

(b) RIE

(c) Metal deposition

SiO2

400 500 600 700

3.2 2.8 2.4 2.0 1.6

EL Intensity (arb. units)

Wavelength (nm)

Photon Energy (eV)

B:

(0001)

A:

(0001)

RT

(i) 2 : 1(i) 2 : 1

(iii) (iii)

1 : 11 : 1

x

y

(ii) 2 : 1

(iii) 1 : 1

(i) A : B =2 : 1

(ii) 2 : 1(ii) 2 : 1

Planckian

locus

A, B:

(1122)

(ii)(ii)

蛍光体蛍光体蛍光体蛍光体フリーフリーフリーフリー白色白色白色白色LEDLEDLEDLED発光発光発光発光スペクトルスペクトルスペクトルスペクトルととととCIECIECIECIE色座標色座標色座標色座標へのへのへのへのプロットプロットプロットプロット

白色白色白色白色LED LED LED LED

（（（（色温度6000 K）

400500

600700Wavelength (nm)

B:

(0001)

RT

20 mA

AA : : BB = =

0 : 10 : 1

x

1 : 51 : 5

1 : 21 : 2

1 : 11 : 1

3 : 13 : 1

5 : 15 : 1

1 : 01 : 0

0 : 10 : 1

A: (0001)A, B: (1122)

y

1 : 21 : 2

1 : 11 : 1

2 : 12 : 1

3 : 13 : 1

5 : 15 : 1

1 : 01 : 0

1 : 51 : 5

AA : : BB ==

2 : 12 : 1

マスクパターンマスクパターンマスクパターンマスクパターンAAAAおよびおよびおよびおよびBBBBのののの合成合成合成合成によるによるによるによる

発光発光発光発光スペクトルスペクトルスペクトルスペクトル制御制御制御制御のののの例例例例

CIE 1931 色度座標

発光効率発光効率発光効率発光効率についてについてについてについて

� 発光効率発光効率発光効率発光効率をををを決決決決めるめるめるめる要因要因要因要因

外部量子効率＝内部量子効率 ｘ 光取り出し効率

注入した電流に対してLED内部で発生する光子数．ただし，光子はLED外部に出てくるとは限らない

発生した光子がLED外部に出てくる確率

注入した電流に対してLED外部に取り出せる光子数．いわゆる発光効率

� 蛍光体蛍光体蛍光体蛍光体フリーフリーフリーフリーなのでなのでなのでなので，，，，色変換色変換色変換色変換によるによるによるによるエネルギーエネルギーエネルギーエネルギー損損損損失失失失はないはないはないはない．．．．

光取光取光取光取りりりり出出出出しししし FDTD FDTD FDTD FDTD シミュレーションシミュレーションシミュレーションシミュレーション

pattern A pattern B

0 0.2 0.4 0.610-2

10-1

100

Time (ps)

Internal Energy (arb. units)

6.6 fs 26 fs 660 fs231 fs

Planar structure

Microfacet structure (A)

(1122)

(1122)

(0001)

(0001)

B

A

Planar (0001)(a)

(b)

(c)

3.3 fs

GaN

sapphire

GaN

sapphire

今回今回今回今回のののの開発開発開発開発ののののまとめまとめまとめまとめ

�発光色発光色発光色発光色のののの高高高高いいいい制御性制御性制御性制御性

白色を含め，多彩な発光色が窒化物半導体だけで実現可能であることを実証

� 高高高高いいいい発光効率発光効率発光効率発光効率のののの可能性可能性可能性可能性

_ 従来の白色LEDと異なり蛍光体を使っていないため，蛍光体による色変換損失がない．

_ 三次元構造による高い光取り出し効率の期待