理研,Si基板上にAlN高品質結晶を製膜

理化学研究所(理研)の研究グループは,シリコン(Si)基板上に窒化アルミニウム(AlN)半導体の高品質結晶を製膜することに成功した(ニュースリリース)。従来よりも安価,かつ高効率で発光する深紫外LEDの実現につながる成果。

深紫外LED(波長200~350nm)は,殺菌・浄水,空気清浄をはじめ,医療,樹脂硬化形成・接着,印刷など非常に広い応用分野での利用が期待されている。しかし,これまでの深紫外LEDは,LED内部で発光した光を外部に取り出す効率(光取り出し効率)が低くかつ高価という問題があった。

製造コストを下げるには,安価で大面積であるSi基盤上に半導体材料である窒化アルミニウム(AlN)を製膜することが考えられる。しかし,Si基板上にAlNを製膜すると、Si基板とAlNの熱膨張差によってAlN膜の表面にクラック(裂け目)が入る問題がある。また,クラックを防止するためにAlN層を薄くすると,結晶成長時に発生する結晶のずれを表す貫通転位密度が大きくなり,深紫外LEDの発光層の発光効率を低下させるという問題もあった。

研究グループは,加工シリコン基板(PSiS)上に厚膜2μmのAlNの結晶成長を行なうことにより,膜表面のクラックの発生を防ぐことに成功した。また,貫通転位密度が1×109cm-2以上から1×108cm-2以下まで大幅に低減し,発光層の発光効率の向上が可能となった。実際に,PSiS基板上のAlN結晶の上に窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)系深紫外LED構造を作製したところ,波長325nmにおいてLED動作を確認できた。

Si基板は容易に剥離できるため,縦型LED構造をとることで,LEDの光取り出し効率の大幅な向上も期待できる。今後,安価かつ高効率な深紫外LEDが実現すれば,殺菌・浄水,空気清浄をはじめ,皮膚治療などへの医療用途や,農作物の病害防止などの農業,紫外線硬化を用いた樹脂形成,紫外接着,3Dプリンター,印刷・塗装,コーティング,高密度光記録,各種計測など幅広い応用分野での普及が期待できるとしている。

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