東京大學生產技術研究所教授藤岡洋的研究室開發出了利用濺射法在玻璃基板上形成氮化鎵(GaN)結晶構成LED的技術。

利用此次開發的制造工藝制成的以RGB各色發光的LED。綠色發光是流過10.8mA電流時的狀態(照片由東京大學提供)。

該技術使基板及結晶生長的成本大幅降低，有望促進LED實現低價格化。另外還存在低成本實現大面積LED的可能性，因此還有望實現大屏幕高精細LED顯示器，以及可取代以面發光為特點的有機EL照明的大面積LED照明。

還試制了RGB發光元件

藤岡等在約5cm見方的玻璃基板上轉印了石墨烯多層膜。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的多層構造構成的量子阱(MQWs)，以及p型GaN各層(圖1(a))。據稱已確認通過光激發及電流注入均可作為LED發光。另外，此次還分別制作出了以紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)三原色發光的LED。

制造效率超過MOCVD

用濺射法來形成包括量子阱等在內的高品質GaN結晶，這在以前是公認幾乎不可能的，但仍有很多研究機構及企業在嘗試開發，不過“成功的只有我們，這在全球尚屬首次”(藤岡)。

藤岡早在約10年前就已開始致力于該技術的開發。“雖然最初時GaN結晶品質較低，但品質及生產效率逐步得到了提高。現在，生產效率要比LED制造中常用的MOCVD*要高，而且還可實現被稱之為Layer By Layer的、以原子為單位的成膜”(藤岡氏)注1)。

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

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

此次開發的技術“屬于結晶生長條件及步驟等經驗的范疇，濺射裝置可利用已有的產品”(藤岡)。目前已利用該技術“試制出了LED以及由GaN構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，是因為這樣做可使氧化鋁(AlN)及GaN的結晶品質得到大幅提高。

東京大學藤岡研究室開發的、利用濺射法在玻璃上制成的LED元件的構造(a)。在玻璃上首先轉印石墨烯成為關鍵，沒有石墨烯的話GaN結晶的品質就不會提高(b 、c )。(圖片、照片由東京大學提供)

藤岡于2008年開發了在石墨片材上使AlN結晶及GaN結晶生長的技術。石墨烯可以是只有一層原子的石墨片材，近三年來，已能夠低成本制造數層且多結晶的石墨烯大面積片材了。此次使用的石墨烯據稱就是市售產品。“石墨烯是二維的，因此即便是多結晶，c軸的朝向也是統一的，晶界狀態也很好”(藤岡)。

在LED的發光性能方面，目前還沒有可與已有產品比較的WPE(Wall Plug Efficiency，發光效率)等數據。不過，在對極低溫條件下光激發產生的內部量子效率進行檢測時，“結果比已有LED低數成。今后的課題是如何提高內部量子效率”(藤岡)。

還可在大面積玻璃上制造

如果發光性能沒有大的問題，此次的技術便有可能動搖已有的LED技術，乃至液晶顯示器及有機EL技術。

利用此次技術制造大面積LED時單位面積制造成本的推測值與2012年普通LED封裝的比較。單位面積的成本接近原來的1/10。假設結晶生長的成本通過使用濺射法降至1/2，晶圓處理的制造成本也因大面積化而降至1/2。2012年的具體成本依據美國能源部的資料。

首先，通過將基板改為玻璃，省去了LED的藍寶石基板。玻璃基板的成本只有藍寶石基板的數十分之一。即便與使用比藍寶石便宜的Si基板的“GaNon-Si”技術相比，也有望實現更低的成本。而且，通過使用濺射法，結晶生長裝置的成本也比MOCVD法降低。另外，如果能夠分別制造RGB發光元件，還可省去熒光體的成本。不過，只憑借這些方面的改進，LED的制造成本還降不到1/2。因為封裝的成本占到整體的6成。

對此，藤岡認為“LED封裝成本高是因為在小的LED芯片中流過大電流的散熱對策上耗費了成本。而濺射法也普遍用于在數m見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，封裝成本就可得到大幅降低”。這時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，在實現不用液晶的自發光LED顯示屏時，門檻就會大為降低。而且與有機EL相比，還具有可靠性高的優勢。

此次雖然使用的是玻璃基板，但“只要可轉印石墨烯，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”(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。