利用此次开发的制造工艺制成的以RGB各色发光的LED。绿色发光是流过10.8mA电流时的状态(照片由东京大学提供)。
该技术使基板及结晶生长的成本大幅降低,有望促进LED实现低价格化。另外还存在低成本实现大面积LED的可能性,因此还有望实现大屏幕高精细LED显示器,以及可取代以面发光为特点的有机EL照明的大面积LED照明。
还试制了RGB发光元件
藤冈等在约5cm见方的玻璃基板上转印了石墨烯多层膜。然后在石墨烯多层膜上用脉冲溅射法(PSD)形成了AlN、n型GaN、由GaN与InGaN的多层构造构成的量子阱(MQWs),以及p型GaN各层。据称已确认通过光激发及电流注入均可作为LED发光。另外,此次还分别制作出了以红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)三原色发光的LED。
制造效率超过MOCVD
用溅射法来形成包括量子阱等在内的高品质GaN结晶,这在以前是公认几乎不可能的,但仍有很多研究机构及企业在尝试开发,不过“成功的只有我们,这在全球尚属首次”(藤冈)。
藤冈早在约10年前就已开始致力于该技术的开发。“虽然最初时GaN结晶品质较低,但品质及生产效率逐步得到了提高。现在,生产效率要比LED制造中常用的MOCVD*要高,而且还可实现被称之为Layer By Layer的、以原子为单位的成膜”(藤冈氏)注1)。
*MOCVD=有机金属化学气相沉积法。由于需要使用毒性强的有机金属原料及氨气(NH3)等,因此需要更多的成本。
注1)“牺牲性能来提高制造效率没有任何意义,因此此次的LED是利用与MOCVD相同的数μm/h的成膜速度制作的”(藤冈)。
此次开发的技术“属于结晶生长条件及步骤等经验的范畴,溅射装置可利用已有的产品”(藤冈)。目前已利用该技术“试制出了LED以及由GaN构成的高电子迁移率晶体管(HEMT)”(藤冈)。
可低成本获得石墨烯
另外,之所以要在玻璃上铺上石墨烯,是因为这样做可使氧化铝(AlN)及GaN的结晶品质得到大幅提高。
藤冈于2008年开发了在石墨片材上使AlN结晶及GaN结晶生长的技术。石墨烯可以是只有一层原子的石墨片材,近三年来,已能够低成本制造数层且多结晶的石墨烯大面积片材了。此次使用的石墨烯据称就是市售产品。“石墨烯是二维的,因此即便是多结晶,c轴的朝向也是统一的,晶界状态也很好”(藤冈)。
在LED的发光性能方面,目前还没有可与已有产品比较的WPE(Wall Plug Efficiency,发光效率)等数据。不过,在对极低温条件下光激发产生的内部量子效率进行检测时,“结果比已有LED低数成。今后的课题是如何提高内部量子效率”(藤冈)。
还可在大面积玻璃上制造
如果发光性能没有大的问题,此次的技术便有可能动摇已有的LED技术,乃至液晶显示器及有机EL技术。
首先,通过将基板改为玻璃,省去了LED的蓝宝石基板。玻璃基板的成本只有蓝宝石基板的数十分之一。即便与使用比蓝宝石便宜的Si基板的“GaNon-Si”技术相比,也有望实现更低的成本。而且,通过使用溅射法,结晶生长装置的成本也比MOCVD法降低。另外,如果能够分别制造RGB发光元件,还可省去荧光体的成本。不过,只凭借这些方面的改进,LED的制造成本还降不到1/2。因为封装的成本占到整体的6成。
对此,藤冈认为“LED封装成本高是因为在小的LED芯片中流过大电流的散热对策上耗费了成本。而溅射法也普遍用于在数m见方的玻璃上制造液晶显示屏,适于大面积的成膜。这样,在制造大面积LED时,封装成本就可得到大幅降低”。这时单位面积的制造成本接近已有LED的1/10。
如果能够低成本制造大面积LED,在实现不用液晶的自发光LED显示屏时,门槛就会大为降低。而且与有机EL相比,还具有可靠性高的优势。
此次虽然使用的是玻璃基板,但“只要可转印石墨烯,并具有可承受约500℃处理温度的耐热性,基板可使用任何材质”(藤冈)。另外,如果利用超薄可弯曲的玻璃基板等,还可制造具有柔性的大面积LED。