東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所教授藤岡洋的研究室開(kāi)發(fā)出了利用濺射法在玻璃基板上形成氮化鎵(GaN)結(jié)晶構(gòu)成LED的技術(shù)。

利用此次開(kāi)發(fā)的制造工藝制成的以RGB各色發(fā)光的LED。綠色發(fā)光是流過(guò)10.8mA電流時(shí)的狀態(tài)(照片由東京大學(xué)提供)。

該技術(shù)使基板及結(jié)晶生長(zhǎng)的成本大幅降低，有望促進(jìn)LED實(shí)現(xiàn)低價(jià)格化。另外還存在低成本實(shí)現(xiàn)大面積LED的可能性，因此還有望實(shí)現(xiàn)大屏幕高精細(xì)LED顯示器，以及可取代以面發(fā)光為特點(diǎn)的有機(jī)EL照明的大面積LED照明。

還試制了RGB發(fā)光元件

藤岡等在約5cm見(jiàn)方的玻璃基板上轉(zhuǎn)印了石墨烯多層膜。然后在石墨烯多層膜上用脈沖濺射法(PSD)形成了AlN、n型GaN、由GaN與InGaN的多層構(gòu)造構(gòu)成的量子阱(MQWs)，以及p型GaN各層(圖1(a))。據(jù)稱已確認(rèn)通過(guò)光激發(fā)及電流注入均可作為L(zhǎng)ED發(fā)光。另外，此次還分別制作出了以紅色(R)、綠色(G)、藍(lán)色(B)三原色發(fā)光的LED。

制造效率超過(guò)MOCVD

用濺射法來(lái)形成包括量子阱等在內(nèi)的高品質(zhì)GaN結(jié)晶，這在以前是公認(rèn)幾乎不可能的，但仍有很多研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)在嘗試開(kāi)發(fā)，不過(guò)“成功的只有我們，這在全球尚屬首次”(藤岡)。

藤岡早在約10年前就已開(kāi)始致力于該技術(shù)的開(kāi)發(fā)。“雖然最初時(shí)GaN結(jié)晶品質(zhì)較低，但品質(zhì)及生產(chǎn)效率逐步得到了提高。現(xiàn)在，生產(chǎn)效率要比LED制造中常用的MOCVD*要高，而且還可實(shí)現(xiàn)被稱之為L(zhǎng)ayer By Layer的、以原子為單位的成膜”(藤岡氏)注1)。

*MOCVD=有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法。由于需要使用毒性強(qiáng)的有機(jī)金屬原料及氨氣(NH3)等，因此需要更多的成本。

注1)“犧牲性能來(lái)提高制造效率沒(méi)有任何意義，因此此次的LED是利用與MOCVD相同的數(shù)μm/h的成膜速度制作的”(藤岡)。

此次開(kāi)發(fā)的技術(shù)“屬于結(jié)晶生長(zhǎng)條件及步驟等經(jīng)驗(yàn)的范疇，濺射裝置可利用已有的產(chǎn)品”(藤岡)。目前已利用該技術(shù)“試制出了LED以及由GaN構(gòu)成的高電子遷移率晶體管(HEMT)”(藤岡)。

可低成本獲得石墨烯

另外，之所以要在玻璃上鋪上石墨烯，是因?yàn)檫@樣做可使氧化鋁(AlN)及GaN的結(jié)晶品質(zhì)得到大幅提高。

東京大學(xué)藤岡研究室開(kāi)發(fā)的、利用濺射法在玻璃上制成的LED元件的構(gòu)造(a)。在玻璃上首先轉(zhuǎn)印石墨烯成為關(guān)鍵，沒(méi)有石墨烯的話GaN結(jié)晶的品質(zhì)就不會(huì)提高(b 、c )。(圖片、照片由東京大學(xué)提供)

藤岡于2008年開(kāi)發(fā)了在石墨片材上使AlN結(jié)晶及GaN結(jié)晶生長(zhǎng)的技術(shù)。石墨烯可以是只有一層原子的石墨片材，近三年來(lái)，已能夠低成本制造數(shù)層且多結(jié)晶的石墨烯大面積片材了。此次使用的石墨烯據(jù)稱就是市售產(chǎn)品。“石墨烯是二維的，因此即便是多結(jié)晶，c軸的朝向也是統(tǒng)一的，晶界狀態(tài)也很好”(藤岡)。

在LED的發(fā)光性能方面，目前還沒(méi)有可與已有產(chǎn)品比較的WPE(Wall Plug Efficiency，發(fā)光效率)等數(shù)據(jù)。不過(guò)，在對(duì)極低溫條件下光激發(fā)產(chǎn)生的內(nèi)部量子效率進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，“結(jié)果比已有LED低數(shù)成。今后的課題是如何提高內(nèi)部量子效率”(藤岡)。

還可在大面積玻璃上制造

如果發(fā)光性能沒(méi)有大的問(wèn)題，此次的技術(shù)便有可能動(dòng)搖已有的LED技術(shù)，乃至液晶顯示器及有機(jī)EL技術(shù)。

利用此次技術(shù)制造大面積LED時(shí)單位面積制造成本的推測(cè)值與2012年普通LED封裝的比較。單位面積的成本接近原來(lái)的1/10。假設(shè)結(jié)晶生長(zhǎng)的成本通過(guò)使用濺射法降至1/2，晶圓處理的制造成本也因大面積化而降至1/2。2012年的具體成本依據(jù)美國(guó)能源部的資料。

首先，通過(guò)將基板改為玻璃，省去了LED的藍(lán)寶石基板。玻璃基板的成本只有藍(lán)寶石基板的數(shù)十分之一。即便與使用比藍(lán)寶石便宜的Si基板的“GaNon-Si”技術(shù)相比，也有望實(shí)現(xiàn)更低的成本。而且，通過(guò)使用濺射法，結(jié)晶生長(zhǎng)裝置的成本也比MOCVD法降低。另外，如果能夠分別制造RGB發(fā)光元件，還可省去熒光體的成本。不過(guò)，只憑借這些方面的改進(jìn)，LED的制造成本還降不到1/2。因?yàn)榉庋b的成本占到整體的6成。

對(duì)此，藤岡認(rèn)為“LED封裝成本高是因?yàn)樵谛〉腖ED芯片中流過(guò)大電流的散熱對(duì)策上耗費(fèi)了成本。而濺射法也普遍用于在數(shù)m見(jiàn)方的玻璃上制造液晶顯示屏，適于大面積的成膜。這樣，在制造大面積LED時(shí)，封裝成本就可得到大幅降低”。這時(shí)單位面積的制造成本接近已有LED的1/10。

如果能夠低成本制造大面積LED，在實(shí)現(xiàn)不用液晶的自發(fā)光LED顯示屏?xí)r，門檻就會(huì)大為降低。而且與有機(jī)EL相比，還具有可靠性高的優(yōu)勢(shì)。

此次雖然使用的是玻璃基板，但“只要可轉(zhuǎn)印石墨烯，并具有可承受約500℃處理溫度的耐熱性，基板可使用任何材質(zhì)”(藤岡)。另外，如果利用超薄可彎曲的玻璃基板等，還可制造具有柔性的大面積LED。