東北大など、GaN　LEDとLD用新結晶ScAlMgO4を開発

GaN　LEDおよびLD用新結晶ScAlMgO4開発
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


＜リリースの要旨＞
　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（以降、SCAMと呼ぶ）とその適用性を確認しました。

　（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

【背景】
　GaN発光ダイオード（LED）用基板としてサファイア結晶やSi結晶が使われ製品化されていますが、いずれの基板もGaNとは格子定数のミスマッチが１０％以上もあり、多くの欠陥がGaN薄膜成長時に入り、LEDの効率、レーザ（LD）の歩留りおよび素子寿命の点で大きな障害になっています。
　SCAMとGaNとの間の格子不整合はわずか１．８％しかなく、米国ベル研究所で１９９５年高輝度GaNLED用結晶基板として開発されました。しかし、結晶作成が難しく、結晶は製造されていませんでした。
　福田結晶技術研究所は米国の最大手LEDメーカーからのSCAM結晶製造技術開発依頼を受けて着手しましたが、東日本大震災による被害のため、開発計画の断念に至りました。
　一方、GaN研究を１９８７年から進め、青色LEDに用いられている発光材料InGaNの単結晶薄膜の成長に１９８８年に成功していた東北大学金属材料研究所の松岡隆志教授は、GaN研究開始当初から格子整合基板を探していました。１９９６年の国際会議（MRS）において、米国ベル研究所の情報を知りながらも、入手はできないと考えていました。しかし、福田結晶技術研究所との共同研究の中で、福田結晶技術研究所がSCAM結晶の成長に成功していることを知り、SCAM基板を用いたGaN薄膜成長の研究が開始となりました。

【成果】
　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ました。
　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を試作しました。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ました。

【成果の概要】
　○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しました。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ました。
　○開発のポイントはSCAM開発者との打合せを通じて得たSc．O．−Al．O．−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でした。
　○ウェハー加工においては、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ェハーに成功しました。世界に類例のない画期的な加工技術であり、ウェハーの大幅なコスト化が可能となります。ウェハー劈開加工はMgO結晶加工を参考にしました。
　○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りました。劈開加工面へのエピ成長では類例がありません。
　※結晶成長、ウェハー加工、エピ成長について特許３件申請中。
　※成果について、共同で国内外の学術会議で発表予定。

【波及効果と今後】
　高輝度LEDやLD用基板として結晶市場規模２５０億円／年程度が見込まれます。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ます。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ます。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です。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インチ結晶ウェハー販売、販売代理店・住友商事を予定しています。


　※参考画像・用語解説は添付の関連資料を参照