日本京都大学副教授川上养一和日亚化学工业等联合组成的研究小组，日前开发出了与过去通过使结晶在底板半极性面上生长而制作的绿色发光二极管（LED）相比，外部量子效率约提高100倍的同类型绿色LED（发布资料）（图1）。底板使用的是GaN Bulk底板，活性层则使用的是InGaN（图2）。驱动电流为20mA时功率为1.9mW，外部量子效率为4.1％，发光波长约为530nm；驱动电流为200mA时功率为13.4mW，外部量子效率为2.8％，发光波长为520nm。不过，与在普通蓝宝石底板和SiC底板的极性面上制作的InGaN类绿色LED相比，功率弱一些。
通过减弱压电场，提高外部量子效率
无极性面是指极性面法线方向上的面，而半极性面则是介于极性面和无极性面之间的面（图3）。比如，在底板的无极性面和半极性面上制作的InGaN类LED，与在极性面制作的LED相比，具有发光效率高，可降低因增大驱动电流而产生的发光波长变化量的优点。这主要是因为能够减弱作为活性层的InGaN的压电场（Piezoelectric Field）。而普通蓝色LED和绿色LED使用的活性层为量子井结构的InGaN类发光元件，通常使用蓝宝石底板和SiC底板的极性面。此时，由于InN的晶格常数（lattice constant）大于GaN的晶格常数，因此产生压电极化（piezoelectric polarization）后就会产生压电场。而压电场则会拉大活性层中注入的电子与空穴的空间距离，由此就会导致再结合的概率降低，因而发光效率就会下降。另外，由于发光波长更靠近长波长一侧，因此如果增加In的量，随着In量的增加，结晶应变就会加大，从而就会增强由压电极化所产生的电场。所以，波长越长，外部量子效率就越低。
除此之外，半极性和无极性InGaN类LED还具有产生偏光的特点。比如，如果作为液晶背照灯使用，将能够降低偏振滤光片的损耗。
图2：此次的元件结构示意图
减少位错和缺陷
与过去的半极性面InGaN类绿色LED相比，此次之所以能够提高功率，主要有2个方面的原因。一是能够以比过去更高的结晶品质向GaN Bulk底板的半极性面方面进行外延生长，二是在半极性面中选择了压电场强度较弱的结晶面（1122）。过去，很难向半极性面和无极性面的结晶面方位进行结晶生长，很容易产生缺陷和位错密度（dislocation density）。而此次通过改善结晶的生长条件，有效地降低了缺陷和位错密度。制造方法的详情未予公布。作为底板的GaN，先利用HVPE法制作后，再利用化学机械研磨法（CMP）进行切割，制成（1122）面的Bulk型GaN底板。此后，再利用有机金属气相成长法（MOCVD）层叠活性层等材料。在制造过程中，据悉可使用过去的HVPE和MOCVD设备。GaN底板由古河机械金属制作。
图3：半极性和无极性
像此次这样使用半极性面和无极性面底板的蓝色LED和绿色LED的研究，加利福尼亚大学教授中村修二等人组成的研究小组也在做。（记者：根津 祯）
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