ソウルバイオシスは | Technology

エピ成長(epitaxial growth)とは?

エピ成長とは基板上で同じ材料か、異なる材料の結晶が特定の方向に成長することを意味し、LEDの場合、このエピ成長の工程がチップ技術の革新工程の1つですが、基板に使われるウェハ上に同じような結晶格子構造および方向を持った半導体結晶を成長させることを意味します。エピ成長は基板物質の融点よりさらに低い温度で可能になります。

LEDの工程は大きくエピ工程、チップのファブ工程とパッケージング工程に分類する事ができます。以下の図は、サファイア(Al2O3）上で窒化ガリウム(GaN)がエピ成長した時のイメージです。GaN化合物半導体は同じ物質の基板形成が難しく、価格も高価であるため、主にサファイア基板(Al2O3)が使用されます。順次GaN系化合物半導体を連続的に重ね成長させていきますが、各々の層は下層の結晶体につながり成長します。

サファイア基板上でGaNを成長させようとすると、サファイアとGaNの格子定数の違いから格子不整合が発生するという欠点があります。この欠陥は発光のもとになる電子と正孔の再結合過程(electron-hole recombination process)で非発光再結合の中心(non-radiative center)として作用されるため、結晶体が素子効率に決定的な影響を与えるようになるため、エピ成長の工程はLEDの主な特性を決定する重要な工程となります。

サファイア C-PLANE

EPIによるLEDの色相決定

LEDから放出される光の色は発光層MQWの元素の組み合わせで決まり、適切なエネルギーバンドギャップを選択し、これに該当する波長を作ります。現在 LEDに主に使用するInGaNチップではnear UV、緑色、および青色を作ることができ、AlGaInPのチップでは琥珀色から赤色までの色を出すことができます。一般的に白色LEDの場合、青色チップと様々な蛍光体で作られます。可視光線のスペクトルは各々の色に該当する波長を持ち、紫色に近いほど波長が短く、赤色に近いほど波長が長くなります。波長が短いほどより大きなエネルギーを持っています。

色相	波長 (nm)	色相	波長 (nm)
Violet	400~430	Amber	590~595
Blue	430~480	Orange	600~615
Green	490~530	Orange-Red	620~640
Yellow	550~580	Red	645~700

エピ工程

LEDチップを作るためのエピ工程は、通常 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) を利用します。主にメチル、エチルなどのアルコール気を持つ有機金属の化合物を原料として使用します。これにより、GaN、P/N-GaN、InGaN、AlGaN、AlInGaN、AlGaInPなどの2、3、4原形の多様な化合物半導体を成長させます。

下はGaNを形成させる反応の過程を表す図です。

GaNを形成させる反応の過程を表す図

LED のGaN エピ層成長過程

高温で加熱し、サファイア表面を洗浄します。
サファイアとGaNの格子不整合を最小化させるためにバッファ層を成長させます。
電子注入のためのGaN層とn-GaN層を成長させます。
発光層であるMQW (Multi Quantum Well)を成長させます。(例: InGaN/GaNを多層形成)
電子の移動を防ぐためのAlGaNを成長させます。
MQWで正孔を注入するためにp-GaNを成長させます。

下の図はGaNの初期成長の際の温度とガスの注入を表しています。

GaNの初期成長の際の温度とガスの注入を表して

極性/非極生の結晶面

GaNはWurtzite構造を持っています。結晶面によってGaとNの配列が異なりますが、現在、主に利用されるLEDは極性(polar)があるc-面のサファイアを使用し、GaNエピ層を成長させます。c-軸に沿って成長した結晶の非対称性はMQWで上ではGa原子、下側はN原子になります。Ga表面には、自発分極(spontaneous polarization)現象が発生し、格子定数の違いによる圧電分極(piezoelectric polarization)も発生します。

2つの分極で MQWの量子井戸(Quantum Well)エネルギーバンド構造が曲がり、電子と正孔の結合を難しくなります。その結果、内部量子の効率が減少し、波長の赤色偏移(red shift)現象および高い閾値電圧現象が現れ、LEDとしては望ましくない現象を見せるようになります。

このような問題を解決するために一方向として非極性(nonpolar) LEDという技術があります。これにより、2つの分極現象に対する解決策となり、高い電流密度での効率低下が小さくなります。特に照明市場で要求されるハイパワーLED素子、長波長LEDの各アプリケーションに非極性LEDの使用が期待されています。ソウル半導体ではこの分野において多様な技術力を確保しています。

: ※ ※ Wurtzite 構造 : 硫化亜鉛ZnSの高温系であるウルツ鉱に代表されるAB型化合物の結晶構造型の1つ。 AB各々の周囲には四面体型で形成された六方格子です。このとき、A3とB3が形成する正三角形の重畳が60°となる閃亜鉛鉱型構造に対して、この構造に重畳されているのが特徴です。ZnO、CdSなどがこのような構造をとります。 (出処 : Naver 知識辞書)

Fab ファブ工程とは?

LEDチップの製作工程は主にエピ工程とファブ工程に分類することができます。

ファブ工程は成長したエピタキシャル層上にLEDの使用目的に合わせて、チップの大きさと形を作り、+, -電極などを形成する半導体の工程です。ファブのプロセス技術の核心はMQWで作られた光をできるだけ多くチップの外に抽出することです。ソウルオプトデバイスはオーミック(ohmic)電極技術、チップ整形、透明電極技術、フォトリソグラフィ技術, エッチング技術、金属電極形成技術、研磨技術、チップ切断、および分離技術などの高い技術を保有しています。ファブ工程が完了するとテストを通じて不良品と良品の選別および特性等級を決定し、パッケージングするための工程に進みます。

LEDチップの性能は注入された電気エネルギーに対して放出される光エネルギーの比率で評価され、このような光子比を高めるために、材料の研究、電極の形状、光学的なデザインとチップデザインのための研究開発が進められています。