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東北大と福田結晶技研、GaN LEDおよびLD用新結晶 ScAlMgO4開発

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August, 8, 2014, Sendai--東北大学金属材料研究所と福田結晶技術研究所は、直径2インチ結晶引上げと画期的な劈開加工基板で実証。GaNを主材料とする窒化物半導体からなる青色発光ダイオード(LED)及びブルーレイ用レーザの高性能化に向けた格子不整の小さい新しい基板ScAlMgO4(SCAM)とその適用性を確認した。
① GaNとの間の格子不整が従来のサファイア基板に較べて1/10となる新しい単結晶SCAMの成長技術開発
② 従来の単結晶基板の作製時に必要であった切断と研磨を用いることなく、劈開によって基板を作成
③ LED構造の作製に用いられている有機金属気相成長装置(MOVPE)を用いてSCAM基板上にGaNを成長し、SCAM基板上の有用性を確認

 福田結晶技術研究所はSCAM結晶製造に再着手し、回転引き上げ法(Cz法)によるサファイア結晶引上げ技術をベースにSCAM結晶の成長条件を検討した結果、直径2インチ結晶の作成に成功した。
東北大学金属材料研究所は、GaN結晶の薄膜成長に用いられる有機金属気相成長(MOVPE)装置を用いて、SCAM基板上にLED構造を成長し、LEDを試作した。その結果、SCAMはGaNによる高輝度 LEDやLDのための基板として優れた特性をもっていることを確認した。

開発成果の要点
○ CZ法で直径2インチ高品質結晶作成に世界で初めて成功。結晶品質は劈開加工したC面をX線回析で評価した結果、半値巾12.9秒で、Siの完全結晶に匹敵した。

○ 開発のポイントはSCAM開発者との打合せを通じて得た Sc2O3-Al2O3-MgO3成分系からの結晶成長条件と炉内温度分布測定による最適炉構造の構築だった。

○ ウエハ加工においては、サファイア等と異なって、インゴットから切断や研磨をせずに劈開加工でエピレディーウエハに成功。世界に類例のない画期的な加工技術であり、ウエハの大幅なコスト化が可能となる。ウエハ劈開加工はMgO結晶加工を参考にした。

○ SCAM 結晶劈開面にMOVPE法により 1040℃の高温でGaN薄膜成長した結果、鏡面で低転位結晶ができることが判った。劈開加工面へのエピ成長では類例がない。

 高輝度LEDやLD用基板として結晶市場規模250億円/年程度が見込まれる。また、窒化物半導体のパワーデバイスへの応用も期待される。そこでは、GaN自立基板が必要であり、その市場規模は国内外1兆円程度と言われている。SCAMの直径4インチから6インチへの大口径化、GaN自立基板への開発を進める予定。また、福田結晶技術研究所は、来春をメドに国内S社と共同で直径2インチ結晶ウエハ販売、販売代理店・住友商事を予定している。

画像: SCAN結晶と基板