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LEDの最新動向
−基礎から最新技術まで、LEDの全てが解る−

　20世紀中には不可能といわれていた青色LEDが1993年に日本で実用化された。1996年には青色LEDとYAG蛍光体を組み合わせた白色LEDが発明され、携帯電話のディスプレイカラー化の波に乗って普及した。白色LEDは、今まさに、LED照明、液晶テレビのバックライト、車載用の大きな市場に展開しつつある。
　1996年にはLEDの光取り出し効率は30％が限界であろうと言われていた。しかし、今では青色LEDの外部量子効率は実験室データで80％を超えている。発光効率の向上と同時に熱対策が重要である。2007年頃の白色パワーLEDの熱抵抗は20℃/Wであったが、今や2℃/W以下まで下がっている。
　本調査研究レポートは、これからの技術開発や市場開発のヒントとなるよう、LED技術を俯瞰し、かつ最新の技術動向を詳述したものである。


★ LEDの原理、結晶成長技術、LEDの構造など、必要な基礎知識を網羅
★ LEDのパッケージ技術と熱対策について詳述
★ LED技術の現状と開発動向、特にLEDの高効率化・高出力化について詳述
★ 本格化を迎えたLED照明、特に各社の白色LED、パワーLEDと白色LEDモジュールについて詳述
★ LEDの市場動向と各社の戦略について詳述
★ LEDの点灯に必須のLEDドライバについて詳述
★ LED照明、液晶バックライト、車載用およびその他への応用の状況を詳述
★ 今後の課題を列挙


　　　　□体裁　A4判 330ページ
　　　　□定価　71,400円(本体68,000円、消費税3,400円)
　　　　□送料　弊社負担
　　　　□発行　2010年5月

章 目 次

第１章　LEDの構造と製造技術
第２章　LEDパッケージ技術と熱対策
第３章　LEDの開発動向
第４章　LED照明
第５章　LEDの市場動向
第６章　LEDドライバ
第７章　LEDの応用分野の開発動向

 

詳　細　目　次


はじめに		 頁
第１章　LEDの構造と製造技術 1
　1.1　LEDの基礎 1
　　1.1.1　光の波長 1
　　1.1.2　光源の歴史 1
　　1.1.3　LEDの発光原理 3
　　1.1.4　LEDの発光色と材料 5
　　　（1）　バンドギャップとLEDの発光色 5
　　　（2）　各色LEDの材料と特性 7
　　　（3）　白色LEDの種類 8
　　　（4）　マルチカラーLED 10
　　　（5）　視感度曲線、ピーク波長、ドミナント波長 11
　　　（6）　白色LEDと他の発光スペクトル 12
　　1.1.5　LED開発の歴史 12
　　1.1.6　LEDの特長と課題 15
　　1.1.7　LEDの性能の定義 19
　　　（1）　LEDの寿命 19
　　　（2）　LEDの発光効率 19
　　　（3）　照明器具としての総合効率 20
　　　（4）　演色性 21
　　　（5）　色再現範囲（gamut） 22
　　1.1.8　青色LEDと白色LEDの基本的な特許 25
　　　（1）　青色LEDと白色LEDの歴史的な特許 25
　　　（2）　日亜化学工業の白色LEDの主要特許 26
　　　（3）　日亜化学工業の特許リスト 27
　　　（4）　豊田合成の青色LEDの主要特許 27
　　　（5）　｢特許電子図書館」のホームページ 27
　1.2　LEDの構造 28
　　1.2.1　LEDパッケージの基本構造 28
　　1.2.2　LEDの型式 29
　　　（1）　スルーホール型LED／砲弾型LEDその他 29
　　　（2）　表面実装型LED／SMD型LED 30
　　　（3）　PLCC型（Plastic Leaderless Chip Carrier）LED 31
　　　（4）　反射型LED 32
　　1.2.3　発光層の接合・構造 32
　　　（1）　pn接合 33
　　　（2）　シングルヘテロ接合 33
　　　（3）　ダブルヘテロ接合 34
　　　（4）　単一量子井戸構造（Single Quantum Well : SQW） 35
　　　（5）　多重量子井戸構造（Multi Quantum Well : MQW） 36
　　1.2.4　LEDの構造 37
　　　（1）　Top Emitting（Face-up）構造 37
　　　（2）　Flip-Chip（Face-down）構造 38
　　　（3）　逆ピラミッド型チップ構造（Truncated Inversed Pyramid：TIP構造） 38
　　1.2.5　LEDチップの接続方法 39
　1.3　LEDチップの製造技術 41
　　1.3.1　エピタキシャル成長法 41
　　　（1）　LPE法（液相エピタキシー法：Liquid Phase Epitaxy） 41
　　　（2）　VPE法（気相エピタキシー法：Vapour Phase Epitaxy） 42
　　　（3）　MOVPE法またはMOCVD法 44
　　　（4）　MBE法（分子線エピタキシー法：Molecular Beam Epitaxy） 45
　　1.3.2　LED用単結晶基板の種類と製造方法 46
　　　（1）　GaN基板 46
　　　（2）　サファイア基板 50
　　　（3）　SiC基板 52
　　　（4）　Si基板 55
　　　（5）　GaAs基板 57
　　　（6）　GaP基板 59
　　　（7）　GaNに格子整合するその他の基板 60
　　1.3.3　LEDチップ（ダイ）の製造法 60
　　1.3.4　LEDの組立工程 62
　　　（1）　グルーディスペンシング工程 62
　　　（2）　ダイボンディング工程 63
　　　（3）　ワイヤボンディング工程 63
　　　（4）　封止工程 64
　　　（5）　検査・選別工程 65

第２章　LEDパッケージ技術と熱対策		 67
　2.1　LEDパッケージの種類 67
　　2.1.1　LEDパッケージの分類 67
　　2.1.2　パッケージの放熱対策の重要性 70
　　2.1.3　ジャンクション温度の計算 73
　2.2　LEDパッケージ基板 74
　　2.2.1　パッケージ材料の熱伝導率データ 74
　　　（1）　金属の熱伝導率 74
　　　（2）　非金属材料の熱伝導率 78
　　　（3）　樹脂にフィラーを添加したときの熱伝導率 80
　　　（4）　ハンダの熱伝導率、基礎物性値 81
　　　（5）　銀ペーストの熱伝導率 82
　　　（6）　耐熱性樹脂 82
　　　（7）　LEDパッケージの熱解析ソフト 84
　　2.2.2　LEDパッケージ基板の種類 84
　　2.2.3　プリント基板 86
　　　（1）　プリント基板の種類 86
　　　（2）　フレキシブルプリント基板 90
　　　（3）　LED用白色プリント基板業界の最新動向 90
　　2.2.4　メタルベース基板 97
　　　（1）　LED用メタルベース基板の基本構造 98
　　　（2）　メタルベース基板のトレンド 99
　　　（3）　高熱伝導性絶縁層と高熱伝導性ダイボンド剤の重要性 100
　　　（4）　プリント基板、メタルコア基板、メタルベース基板のメーカー 100
　　　（5）　メタルベース基板業界の最新動向 100
　　2.2.5　セラミックス基板 107
　　　（1）　窒化アルミニウム（AlN） 110
　　　（2）　パナソニック電工の「MIPTEC」高反射率銀メッキAlNパッケージ 110
　　　（3）　アルミナ（Al2O3） 110
　　　（4）　窒化ケイ素（Si3N4） 111
　　　（5）　AlN-BN「シェイパルMソフト」 111
　　　（6）　DCB基板 111
　　2.2.6　メタル基複合材基板 111
　　　（1）　アルミニウム基コンポジット 111
　　　（2）　日本タングステンの銅−セラミック複合リードフレーム 112
　2.3　LEDの封止 114
　　2.3.1　LED封止の目的 114
　　2.3.2　LEDの封止方法 115
　　　（1）　樹脂封止 115
　　　（2）　気密封止 116
　　　（3）　ガラス封止 116
　　　（4）　ガラス蛍光体による封止 117
　　2.3.3　LED封止樹脂 118
　　　（1）　LED封止樹脂に求められる性能 118
　　　（2）　エポキシ樹脂 118
　　　（3）　脂環式エポキシ樹脂 119
　　　（4）　シリコーン樹脂 121
　　　（5）　シルセスキオキサン（シリコーン）骨格エポキシ樹脂 124
　　　（6）　その他の封止樹脂 125
　　2.3.4　樹脂封止法 126
　　　（1）　砲弾型LED 126
　　　（2）　SMD型LED 126
　　　（3）　真空印刷封止法 127
　　　（4）　スクリーン印刷法 127
　2.4　その他のパッケージ材料 129
　　2.4.1　ダイボンド剤（ダイアタッチ剤） 130
　　2.4.2　白色ソルダーレジストと白色反射材 133
　　2.4.3　リードフレーム 135
　　2.4.4　熱伝導性粘着シートとグリース 136
　　2.4.5　LEDの光学設計と光学照明解析ソフト 136
　2.5　LEDの試験方法 138
　　2.5.1　LEDの試験方法 138
　　　（1）　LEDの一般的な信頼性試験項目とその試験条件 138
　　　（2）　日亜化学工業の白色LEDの信頼性試験 139
　　　（3）　加速試験による寿命の推定 140
　　2.5.2　LEDの故障と劣化 142
　　2.5.3　LEDの劣化および不良の判定方法 144

第３章　LEDの開発動向		 146
　3.1　白色LEDの開発動向 146
　　3.1.1　白色LEDの主な用途 146
　　　（1）　液晶TV・モニター向けLEDバックライト 146
　　　（2）　LED照明 147
　　　（3）　車載用LED 147
　　3.1.2　白色LEDの種類と平均演色評価数（Ra） 147
　　　（1）　白色LEDの種類 147
　　　（2）　各社の白色LEDの演色性 148
　　3.1.3　白色LEDの発光効率 149
　　　（1）　白色LEDと他光源の発光効率の比較 149
　　　（2）　白色LEDと他光源のエネルギー変換率の比較 150
　　3.1.4　白色LED用蛍光体 151
　　3.1.5　各社の白色LED 156
　　　（1）　日亜化学工業 156
　　　（2）　豊田合成 158
　　　（3）　OSRAM Opto Semiconductors 159
　　　（4）　Philips Lumileds Lighting 159
　　　（5）　Cree 160
　　　（6）　シャープ 161
　　　（7）　星和電機 161
　　　（8）　サンケン電気 162
　　　（9）　パナソニック 163
　　　（10）　山口大学／三菱電線 164
　　　（11）　フジクラ／物質・材料研究機構（NIMS）（窒化物蛍光体） 165
　　　（12）　三菱化学 167
　　　（13）　東芝 169
　　　（14）　GeneLite 170
　　　（15）　ZnSe系白色LED 171
　　3.1.6　日亜化学工業150 lm/W白色LEDの電気的光学的特性 171
　　3.1.7　豊田合成の白色LEDの電気的光学的特性 175
　　3.1.8　サンケン電気のGaN on Si LEDの電気的光学的特性 179
　3.2　カラーLEDと赤外LEDの特性 182
　　3.2.1　カラーLEDと赤外LEDの種類 182
　　　（1）　AlGaInP系LEDとInGaN系LED 183
　　　（2）　GaP系LED、GaAlAs系LED、GaAlP系LED 185
　　　（3）　GaAs系LED赤外LEDとGaAlAs系赤外LED 187
　　3.2.2　マルチカラーLED／白色LED 188
　　　（1）　マルチカラーLED 188
　　　（2）　白色LEDとして使用する場合の問題点 189
　3.3　LEDの高効率化技術と高出力化技術 190
　　3.3.1　LEDの高効率化 190
　　　（1）　内部量子効率の向上 191
　　　（2）　電圧効率の向上 192
　　　（3）　光取り出し効率の向上 192
　　　（4）　ジャンクション温度を下げる 192
　　　（5）　パッケージの最適化 193
　　3.3.2　GaNエピ膜の転位密度の低減法 193
　　　（1）　ELO（Epitaxial Lateral Overgrowth）成長 194
　　　（2）　FIELO（Facet Initiated ELO）成長 194
　　　（3）　LEPS （Lateral Epitaxy on the Patterned Substrate）法 195
　　　（4）　低転位密度GaN基板を用いたホモエピタキシャル成長法 197
　　3.3.3　InGaN系LEDの高効率化技術 200
　　　（1）　MQWs発光層の採用 200
　　　（2）　Flip-Chip 構造の採用 200
　　　（3）　凹凸サファイア基板（PSS）の採用 202
　　　（4）　メッシュ電極の採用 202
　　　（5）　透明電極（ITO）の採用 203
　　　（6）　基板貼り替えと反射電極を用いたFlip-Chip構造（CuW基板への貼り替え） 204
　　　（7）　光取り出し面の凹凸加工 204
　　　（8）　Philips Lumileds LightingのThin-Film Flip-Chip構造 205
　　　（9）　OSRAM Opto Semiconductorsの「ThinGaN」技術 206
　　　（10）　レンズの採用 207
　　3.3.4　AlGaInP系LEDの高効率化技術 208
　　　（1）　MQWs発光層の採用 208
　　　（2）　DBRの採用 208
　　　（3）　基板貼り替え技術と反射膜の採用 209
　　　（4）　逆ピラミッド型チップ構造（Truncated Inversed Pyramid：TIP構造） 213
　　　（5）　信越化学工業の圧膜電流拡散層 214
　　3.3.5　光取り出し効率と外部量子効率の到達点 214
　　　（1）　白色LEDの理論発光効率 214
　　　（2）　日亜化学工業の青色LED、白色LEDの到達点 215
　　　（3）　Philips Lumileds Lightingの光取り出し効率の到達点 218
　　　（4）　Philips Lumileds Lightingの外部量子効率の到達点 219
　3.4　紫外LEDの開発動向 221
　　3.4.1　紫外LEDの特長 223
　　3.4.2　紫外LEDの用途 223
　　3.4.3　日亜化学工業の紫外LED 224
　　3.4.4　ナイトライド・セミコンダクターの紫外LED 225
　　3.4.5　紫外LEDの問題点 226
　　3.4.6　深紫外LEDの開発動向 226
　3.5　GaN系LEDの発光メカニズム 231
　3.6　大学・公的研究機関と企業の研究動向 233
　　3.6.1　大学・公的研究機関 233
　　　（1）　非極性面と半極性面のGaN成長 233
　　　（2）　パターン付サファイア基板（PSS） 236
　　　（3）　LED表面構造による光取り出し向上技術 236
　　　（4）　ITO透明電極のオーミックコンタクト 236
　　　（5）　新しいLED構造 237
　　　（6）　多波長LED 238
　　　（7）　プラズモニックLED 239
　　　（8）　InN単分子層量子井戸を用いた青緑域LED 241
　　　（9）　ZnO 青色LEDとZnTe純緑色 LED 242
　　3.6.2　企業の研究動向の補足 243
　　3.6.3　学会、展示会、LED照明推進協議会の動向 244

第４章　LED照明		 247
　4.1　動き出したLED照明市場 247
　　4.1.1　実用段階に達したLED照明 247
　　　（1）　各種照明の総合効率の比較 247
　　　（2）　白色LEDの発光効率のロードマップ 248
　　　（3）　経済性の比較 249
　　　（4）　CO2排出量の比較 249
　　4.1.2　消費電力に占める照明の割合 250
　　　（1）　日本の年間発電電力量 250
　　　（2）　家庭、オフィスでの照明用電力の割合 250
　　4.1.3　照明市場の規模と予測 252
　　　（1）　LED照明協議会の国内市場の予測 252
　　　（2）　富士経済の国内市場の予測 253
　　　（3）　野村総研の世界市場の予測 253
　4.2　照明用LED 254
　　　（1）　白色パワーLED 255
　　　（2）　白色LEDモジュール 256
　　　（3）　マルチLED方式 257
　4.3　各社の白色パワーLEDと白色LEDモジュール 258
　　　（1）　日亜化学工業 258
　　　（2）　シチズン電子 258
　　　（3）　パナソニックの白色LED「LUGA」 259
　　　（4）　パナソニック電工の白色LED「MFORCE」 261
　　　（5）　パナソニック電工のLED電球「EVERLEDS」 264
　　　（6）　シャープ 264
　　　（7）　IDEC「サンシャイン」 265
　　　（8）　OSRAMの「OSTAR」シリーズ 266
　　　（9）　Philips Lumiledsの「LUXEON」シリーズ 267
　　　（10）　Seoul SemiconductorのパワーLED 268
　　　（11）　Avago Technologies「Moonstone」 269
　4.4　LED照明器具 271
　　　（1）　LED電球 271
　　　（2）　ベースライト 273
　　　（3）　ダウンライト 273
　　　（4）　その他のLED照明 274
　　　（5）　蛍光灯型LEDランプの問題点 275
　4.5　LED照明用光学材料 276
　　　（1）　エンプラスのLED照明用拡散レンズ 276
　　　（2）　日東光学のLED照明用拡散レンズ 277
　　　（3）　吉川化成のLED照明用集光レンズ 278
　　　（4）　オプティカルソリューションズのレンズ拡散板 278
　　　（5）　オプトデザインのUniBrite（フラット照明） 278
　　　（6）　オプトデバイス研究所の反射型LED応用製品 279

第５章　LEDの市場動向		 281
　5.1　LED関係各社の動向 281
　　5.1.1　LED市場は第2の成長期 281
　　5.1.2　LED関係各社の戦略 282
　　　（1）　日亜化学工業 282
　　　（2）　パナソニック電工 282
　　　（3）　東芝／東芝ライテック 282
　　　（4）　シャープ 283
　　　（5）　Samsung Electronics 283
　　　（6）　Philips Lighting 284
　　　（7）　OSRAM Opto Semiconductors 284
　　　（8）　PCメーカー各社 284
　　　（9）　環境省の「省エネ照明デザインモデル事業」 284
　5.2　LEDの市場 285
　　5.2.1　LEDの価格動向 285
　　5.2.2　LED市場の予測 287
　　　（1）　富士経済の予測 287
　　　（2）　日経エレクトロニクスの予測 287
　　　（3）　iSuppli社の予測 288
　　　（4）　DisplaySearch社の予測 288
　　　（5）　野村総合研究所の予測 290
　　　（6）　日興シティグループ証券の予測 291
　5.3　LEDメーカーとシェア 291
　　5.3.1　海外のLEDメーカー 291
　　5.3.2　LEDのメーカーシェア 292
　　　（1）　LED全体でのシェア 292
　　　（2）　白色LEDでのシェア 293

第６章　LEDドライバ		 295
　6.1　LEDの点灯回路 295
　　6.1.1　LEDの駆動方式 295
　　　（1）　交流駆動 295
　　　（2）　定電圧駆動 296
　　　（3）　定電流駆動 296
　　　（4）　PWM駆動 298
　　6.1.2　LEDドライバ 298
　　　（1）　リニアレギュレータ（シリーズレギュレータ） 298
　　　（2）　スイッチトキャパシタ（キャパシタチャージポンプ） 299
　　　（3）　スイッチングレギュレータ 299
　　　（4）　トライアック調光 300
　　　（5）　ケミコンレスLEDドライバ 301
　6.2　市販のLEDドライバ例 302
　　　（1）　携帯電話用LEDドライバ（Maxim MAX1707） 302
　　　（2）　中型LCDバックライト用ドライバ（Maxim MAX16807） 303
　　　（3）　大型LCDバックライト用ドライバ（Maxim MAX16809） 303
　　　（4）　照明用LEDドライバ（サンケン電気LC5320S） 304

第７章　LEDの応用分野の開発動向		 308
　7.1　LED照明の応用例 308
　　7.1.1　商業施設・オフィス・公共施設 308
　　7.1.2　住宅・パーソナル照明 309
　　7.1.3　屋外照明、建築物照明 309
　　7.1.4　サイン・看板・演出照明 309
　　7.1.5　交通 310
　7.2　液晶バックライト 310
　　7.2.1　エッジライト型バックライト 311
　　　（1）　携帯電話及びモバイル 311
　　　（2）　ノートPC 312
　　　（3）　PCモニター及び産業用モニター 312
　　　（4）　液晶TV 313
　　7.2.2　直下型バックライト 314
　　　（1）　RGB-LEDバックライト 314
　　　（2）　白色LEDバックライト 315
　7.3　車載用LED 317
　7.4　フルカラーLEDディスプレイ 318
　7.5　その他の応用 320
　　7.5.1　アメニティ、防災 320
　　7.5.2　プリンタヘッド、プロジェクタ光源、電子ペーパー、画像処理用照明 320
　　7.5.3　医療、バイオ、分析、異物検出 321
　　7.5.4　集魚灯、養鶏 321
　　7.5.5　植物工場、電照菊、キノコ栽培、鮮度保持 322
　　7.5.6　防虫、害虫除去 323
　　7.5.7　ビデオ撮影用ライト、舞台照明 324
　　7.5.8　可視光通信、測位、LEDタグ 325
　　7.5.9　紫外LEDの応用 327
おわりに（LEDの今後の開発課題）
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