ＪＳＴレクチャー会資料（２００５年９月２１日）


「次世代窒化ガリウム半導体を開発」
−ＥＲＡＴＯ中村不均一結晶プロジェクトにおける最近の研究成果−




ＥＲＡＴＯ中村不均一結晶プロジェクト総括責任者
中村修二






独立行政法人 科学技術振興機構（ＪＳＴ）




　創造科学技術推進事業（ERATO）中村不均一結晶プロジェクトでは、カリフォルニア大学サンタバーバラ校(UCSB)、筑波大学、東京理科大学と共同して、次世代の窒化ガリウム（GaN）の材料及びデバイスに関する研究を進めている。このプロジェクトはUCSBの中村修二教授を総括責任者として運営され、GaN系材料の不均一性の理解と原子スケールレベルの制御を目的としている。バルク結晶成長、薄膜成長、光学的評価、デバイス作製試験などの専門家を結集し、GaN半導体材料の創製からデバイス開発にいたる幅広い活動を実施している。今回同プロジェクトでは、「半分極性(semipolar) 窒化ガリウム半導体薄膜」または「無極性(non-polar) 窒化ガリウム半導体薄膜」と呼ばれる新しい窒化ガリウム(GaN)半導体薄膜を世界に先駆けて開発した。これらの半導体薄膜が有する新規な結晶方向は、固体照明、高密度情報記録やその他の応用に用いられるGaN系デバイスに極めて大きく寄与するものである。


　＜背景＞

　過去１０年にわたり窒化ガリウム(GaN)系発光デバイスは、次世代DVD標準機の青色レーザーダイオードとして、また 高輝度発光ダイオード( Light Emitting Diode :LED)を含む様々な応用において主要な役割を果たしてきた。青色LEDや緑色LED、青色レーザーダイオードなどは、中村修二氏によって1990年代に開発されてきたものである。一般の照明用途にエネルギー効率の良いLEDを広範囲に使用することは、世界のエネルギー消費を大幅に低減するといわれ、GaN系の固体発光材料はこの分野で特に魅力的である。中村修二氏やその他の研究者のこれまでの研究開発努力によりGaN系発光デバイスの性能は大きく改善されてきたが、現状のデバイスは「分極」というテクニカルなアプローチでは容易に解決することができない基本的な要因によって、デバイスの性能が制限されてきた。



　＜内容＞

　GaN系デバイスは六方晶型の結晶構造で作製されており、結晶は通常 分極が生じる方向に薄膜として堆積する。現状のデバイスにおけるこの分極の性質は、デバイスの性能を基本的に制限する内部電場（電界）を生じ、このような電界は発光を起こすために必要な過程である電子と正孔の効率的な再結合を妨げている。LEDの一つ一つのチップは、小さなサイズ（約0.5 x 0.5mm）であるために、より高い電気的効率と、現在一般に使われている白熱電球や蛍光灯にとって替わるだけの光出力が必要である。
　同プロジェクトではこの問題を解決するため、「半分極性窒化ガリウム半導体薄膜」または「無極性窒化ガリウム半導体薄膜」と呼ばれる新しいGaN半導体薄膜を開発した。これらの結晶は、現状の分極を有するGaN半導体薄膜と異なり、分極の生じない面方位に量子井戸（発光部）を形成したものであり、半分極性や無極性のGaNから作製されたデバイスでは、発光を制限する電界を大きく低減 またはゼロとすることが可能である。この場合、電子と正孔はより効率よく再結合して発光することができ、その結果 半分極性や無極性のGaN系LEDやレーザーダイオードは極めて高い「電力変換効率」（単位入力電力あたりの発光量）を有することが期待される。将来GaN系のLEDは、現在の蛍光灯を中心とした照明光源と比肩し得るようになり、GaN系レーザーダイオードはより高い信頼性・長寿命になると考えられる。

今回の成果により得られた半分極性や無極性のGaN発光デバイスには次のような特徴がある。



　＜今後の展開＞

　今後は半分極性や無極性の成長条件の最適化を図り、結晶性の向上に努める。また、これらのデバイスの基板となる高品質GaNバルク結晶の育成や、発光メカニズムの理論確立を図っていく予定である。
　最終的には半分極性や無極性LED、あるいはレーザーダイオードの性能向上や、高輝度青、緑、赤色LED、あるいはレーザーダイオードの実現を目指し、従来の極性LED、レーザーダイオードとの置き換えを図っていく。





●本件問い合わせ先●
坂田　雅昭（さかた　まさあき）
独立行政法人　科学技術振興機構
中村不均一結晶プロジェクト事務所
〒102-0071　東京都千代田区富士見2-4-6 宝紙業５号館ビル101
TEL：03-3262-1243　FAX：03-3262-1481
e-mail： sakata@nicp.jst.go.jp


上へ