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発光ダイオードの最新技術動向
−結晶成長からデバイス、材料、応用分野まで−


  当初、青色発光のみであったGaN系発光ダイオード(LED)は、現在、緑色領域から近紫外領域まで実現され、その効率と出力の向上に伴い、その応用も従来の屋内外ディスプレイ等の表示用や携帯電話の液晶表示のバックライト用から、液晶テレビのバックライトやカメラ用フラッシュライト、自動車照明や自動車用ヘッドライトなどへ拡大しています。また、ZnO LEDやZnTe LED等の新しい技術開発も進められ、その応用が期待されています。一方、近年高効率化が進む白色LEDは、蛍光灯の代替光源として使用される日も間近に迫っています。
  本調査レポートは、このように技術開発の進展と応用分野の拡大が著しいLEDに関し、下記の点に重点を置いて詳述したものです。

  ★可視〜近紫外・紫外、白色LEDの技術開発動向を詳述!
  ★関連材料としての蛍光体、樹脂封止材などの開発動向を整理!
  ★照明分野を含む応用分野における展開について紹介!
  ★性能発現に不可欠である結晶成長技術について詳述!
  ★企業および研究機関の開発事例を多数掲載!
  ★付属資料として過去3年間の国内公開特許154件の要約を記載!

    □体裁 A4版 503頁
    □価格 本体68,000円+消費税
    □送料 弊社負担
    □発行 2007年10月

章 目 次

第1章 技術の概要
第2章 LEDデバイスの開発動向
第3章 白色LEDの開発動向
第4章 LEDに用いられる材料
第5章 結晶成長
第6章 応用分野の動向

詳 細 目 次

 
第1章 技術の概要 1
 1.1 発光素子に用いられる材料 1
 1.2 発光ダイオード開発の経緯 3
 1.3 LEDの市場 5
 1.4 LEDの用途展開 7

第2章 LEDデバイスの開発動向
9
 2.1 はじめに 9
 2.2 LEDの発光原理 10
 2.3 LEDの特徴と性能 10
 2.4 可視LED 14
  2.4.1 赤色LED 17
  2.4.2 緑色LED 17
   (1) はじめに 17
   (2) ピエゾ電界の影響の低減 18
   (3) 半極性や無極性基板を利用した緑色LED 19
    A.半極性面バルクGaN基板上へのLEDの形成 京都大学、日亜化学工業 19
    B.半極性面の(1013)面を利用した緑色LEDの試作 UCSB、筑波大学、
      東京理科大学
21
    C.非極性面を利用したLEDの試作 ローム 22
    D.非極性面上へのLEDの作製 名城大学 22
    E.無極性面上に作製したLEDの問題点 24
   (4) ZnTe緑色LED 佐賀大学ほか 24
   (5) BeZnSeTe緑色 LED 27
  2.4.3 青色LED 28
   (1) 青色LEDの高輝度化・高出力化 日亜化学工業 29
   (2) ケミカル・リフトオフ・プロセス 東北大学 30
   (3) 縦型発光ダイオード 34
   (4) β-Ga2O3基板上に形成したGaN系薄膜による縦型LEDの試作 早稲田大学 34
   (5) Si基板上へのGaN系LEDの形成 35
   (6) GaN系LED「Siブルー」 サンケン電気、名古屋大学 35
   (7) Si基板上へのInGaN量子井戸構造の形成 名古屋工業大学 38
   (8) Al0.82In0.18N/GaNを有するSi基板上GaInN LED 名古屋工業大学 40
 2.5 近紫外・紫外LED 43
  2.5.1 開発動向 43
  2.5.2 紫外LEDの用途 44
  2.5.3 紫外LEDの種類と効率 45
   (1) InGaN系紫外LED 46
   (2) AlGaN系紫外LED 46
   (3) AlInGaN紫外線LED 49
    A.AlInGaN紫外LED ナイトライド・セミコンダクター、徳島大学 50
    B.低転位GaN基板を用いたInAlGaN 4元混晶紫外LED 住友電気工業、
      理化学研究所
52
   (4) AlN深紫外LED 56
 2.6 酸化亜鉛LED 57
  2.6.1 酸化亜鉛LEDの特徴 57
  2.6.2 酸化亜鉛の励起子発光 58
  2.6.3 酸化亜鉛ホモ接合発光ダイオード 東北大学金属材料研究所 59
  2.6.4 ZnO LEDとGaN系LEDの比較 61
 2.7 GaN系LEDの高効率化技術 62
  2.7.1 内部発光効率の向上 62
   (1) 青色LEDおよび緑色LED高輝度発光の要因解析 62
   (2) 結晶成長技術 63
   (3) 低転位化のためのLED構造 64
  2.7.2 光取り出し効率の向上 65
   (1) 界面反射ロス 65
   (2) 電極材料 66
   (3) フリップチップ構造 67
  2.7.3 その他の高効率化技術 69
   (1) 大電流化と放熱性の向上 69
   (2) 蛍光体堆積法 70
   (3) 蛍光体の開発 70
   (4) フォトニック結晶の応用 71
 2.8 LEDパッケージ 71
  2.8.1 砲弾型構造 72
  2.8.2 表面実装型構造 73
 2.9 LED素子の接続方法 79
  2.9.1 LEDチップ接合剤の役割 80
  2.9.2 フリップチップ型LED 81
  2.9.3 接合材質の種類による白色LEDの出力、外部量子効率および
      放熱性に与える影響
82
 2.10 LED用樹脂基板 85
 2.11 放熱性の向上 87
  2.11.1 接合と熱抵抗 88
  2.11.2 金属リードフレームによるパワーLEDの放熱技術 89
  2.11.3 銅条材料の利用 91
  2.11.4 表面実装型での放熱 92
  2.11.5 高放熱性基板 93
  2.11.6 熱拡散シート 98
  2.11.7 放熱性と作業性を改善したバックライトの新構造 99
 2.12 企業および研究機関の開発事例 100
  2.12.1 フォトニック結晶を用いた青色LEDの効率化 松下電器産業 100
  2.12.2 高輝度GaN系緑色LEDチップ 昭和電工 103
  2.12.3 ナノコラム構造を有する高輝度LED 上智大学 103
  2.12.4 ZnO透明電極LED ローム 106
  2.12.5 O2PERA構造SMD-LED ハリソン東芝ライティング 108
  2.12.6 保護素子内蔵1チップSiブルーLED サンケン電気 110
  2.12.7 Si基板上のGaN系LEDの応用展開 サンケン電気 112
  2.12.8 Si基板上への青色LEDの作製 紫明半導体 113
  2.12.9 0.2mmと極めて薄い1006サイズLEDの製品化 ローム 114
  2.12.10 波長365nmの超高出力紫外LED 日亜化学工業 116
  2.12.11 Gaドロップレット層を用いたAlInGaN組成不均一形成技術
        ナイトライド・セミコンダクター
119
  2.12.12 GaN量子ドットLED 北海道大学電子科学研究所 120
  2.12.13 LEPS法を用いた高出力紫外LED 三菱電線工業 123
  2.12.14 最短波長深紫外LEDの開発 理化学研究所、埼玉大学 125
  2.12.15 高耐熱白色積層板「CS-3965H」 利昌工業 126
  2.12.16 ビアホールを有するセラミック基板 トクヤマ  127
  2.12.17 AGSP基板 ダイワ工業 128
  2.12.18 ソルダー・レジストによるプリント基板の放熱対策 太陽インキ製造 129
  2.12.19 カーボン製熱拡散シートを用いた放熱基板 ユーアイ電子 129
  2.12.20 高熱伝導率粘着テープ「エレサーマル」 電気化学工業 130
 引用文献 130

第3章 白色LEDの開発動向
133
 3.1 光の三原色 133
 3.2 白色LEDの特徴 134
 3.3 白色LED技術の現状 137
  3.3.1 白色LEDの実現方法 137
   (1) GaN系青色LED+YAG蛍光体 138
   (2) 窒化物蛍光体を用いた新規白色LED 143
   (3) 三原色LED(青色LED+緑色LED+赤色LED) 147
   (4) 近紫外LED+蛍光体 147
   (5) 白色LEDの特性比較 153
   (6) その他の白色LED 154
    A.OYGB分離型白色LED 154
    B.ZnSe白色LED 156
    C.レーザダイオード励起白色LED 158
  3.3.2 GaN系白色LEDの高効率化 163
   (1) 高効率白色LED 163
   (2) 白色LEDの課題 166
  3.3.3 日亜化学工業の国内特許網の形成 167
 3.4 白色LED照明器具 168
 3.5 白色LEDのロードマップ 172
 3.6 白色LED用封止樹脂 173
 3.7 LED照明への各社の取り組み 173
 3.8 企業および研究機関の開発事例 179
  3.8.1 光束1500lm、輝度100Mcd/m2の白色LEDの試作 米Philips Lumileds社 179
  3.8.2 光束1000lm超の白色LED「OSTAR Lighting」
      独OSRAMOpto Semiconductors社
179
  3.8.3 輝度を20%高めた暖白色LEDの量産 米Cree社 180
  3.8.4 発光効率150lm/Wの白色LED開発 日亜化学工業 180
  3.8.5 白色LEDで、世界TOPクラスの光束を実現IDECオプトデバイス 181
  3.8.6 多用途対応型照明用白色パワーLEDランプ「CL-L100 シリーズ」
       シチズン電子
181
  3.8.7 620lmのLEDヘッドランプ・モジュール 独OSRAM Opto社 182
  3.8.8 白色LEDを用いたヘッドランプの開発 独Hella社 183
  3.8.9 GaN基板を採用した最高出力の白色パワーLED 松下電器産業 183
  3.8.10 高演色性 ハイパワー白色LEDランプ 豊田合成 185
  3.8.11 TAG系蛍光体を用いた白色LED 台湾Everlight Electronics 186
  3.8.12 ポリマーシート蛍光体を使った白色LED Cyberlux社 186
  3.8.13 蛍光体を使わない2波長の発光白色LED オプトリンク 187
  3.8.14 高効率1001m/WのCu合金基板による白色LED 
       ナノテコ、米SemiLEDs社
187
  3.8.15 業界最高水準の照度の白色LEDモジュール 松下電工 188
  3.8.16 高光束でコンパクトな白色LED光源「LUGA」 松下電器産業 189
  3.8.17 2W駆動で60lmの照明用白色LEDランプ 東芝 191
 引用文献 191

第4章 LEDに用いられる材料
193
 4.1 LED発光層に用いられる材料 193
  4.1.1 ワイドギャップ半導体 194
   (1) III-V族半導体 195
   (2) II-VI族半導体 200
   (3) SiC 202
  4.1.2 その他の半導体 203
   (1) シリコン 203
   (2) シリコン半導体のナノ薄膜の発光現象 日立製作所 203
 4.2 透明導電性酸化物 204
  4.2.1 透明導電材料ITOの利用 204
  4.2.2 ZnOのLED電極への利用 205
  4.2.3 酸化ガリウム 206
 4.3 固体照明用蛍光体の開発動向 206
  4.3.1 LEDに用いられる蛍光体の種類 206
   (1) 青色LED+蛍光体 207
   (2) 近紫外LED+蛍光体 208
  4.3.2 蛍光体に要求される特性 209
  4.3.3 蛍光体開発の現状(励起光源別) 209
   (1) 青色LEDを励起光源とする黄色蛍光体 209
   (2) 青色LEDを励起光源とする緑色蛍光体 211
   (3) 青色LEDを励起光源とする赤色蛍光体 213
   (4) 近紫外LEDを励起光源とする青色蛍光体(JEM相) 215
  4.3.4 励起・発光方式による固体照明用蛍光体の分類 217
   (1) 発光中心を直接励起・発光 217
   (2) イオン間のエネルギー伝達を利用 222
  4.3.5 新規蛍光体の研究開発 223
   (1) 窒化物・酸窒化物蛍光体 223
   (2) 有機系蛍光体、錯体系蛍光体 224
   (3) 直接励起型赤色蛍光体 224
   (4) その他の新規蛍光体 226
  4.3.6 白色LED用蛍光体、紫外発光蛍光体の展開 227
   (1) 赤色長残光蛍光体としての可能性 227
   (2) 紫外発光蛍光体の応用 227
  4.3.7 蛍光体微粒子 228
   (1) バルク蛍光体の問題点 228
   (2) ナノ粒子と粒子形態制御技術 228
   (3) ナノ蛍光体 229
   (4) 希土類含有ナノクラスターを用いた有機−無機ナノ複合材料 KRI 230
  4.3.8 企業および研究機関の開発事例 235
   (1) 可視光励起赤色蛍光体CaAlSiN3の合成 物質・材料研究機構物質研究所 235
   (2) ナノ粒子YAG蛍光体の開発 日東電工テクニカルコーポレーション 235
   (3) 新規希土類錯体蛍光体 東芝 236
   (4) InGaN系発光素子励起によるSmドープ赤色蛍光体 シャープ 237
   (5) 近紫外LED向けに最初から混合された白色蛍光体 三井金属 238
   (6) CdSe量子ドット 米Vanderbilt大学 238
 4.4 LED用樹脂封止材 239
  4.4.1 LEDの封止方法 240
  4.4.2 LED封止材の種類と特徴 240
  4.4.3 樹脂封止材への要求特性 241
  4.4.4 エポキシ樹脂 242
   (1) 樹脂封止材の劣化とその改善 243
   (2) 脂環エポキシ樹脂 245
   (3) エポキシ樹脂の性能の向上 248
  4.4.5 シリコーン樹脂 255
   (1) シリコーン樹脂の種類と特徴 255
   (2) シリコーン封止材 257
    A.シリコーンゴム封止材 259
    B.高硬度シリコーン封止材 260
    C.高出力LED/紫外LED用封止材 261
    D.シリコーン・ダイボンド剤 263
   (3) シリコーン封止樹脂の課題 264
  4.4.6 可塑性樹脂 264
  4.4.7 新しい封止樹脂 266
  4.4.8 樹脂封止の方法  267
  4.4.9 企業および研究機関の開発事例 268
   (1) 水素添加エポキシ樹脂による紫外LED用封止材 スタンレー電気 268
   (2) シルセスキオキサン骨格エポキシ樹脂封止材 ナガセケムテックス 272
   (3) 真空印刷を用いたLED封止システム サンユレック 277
 引用文献 280

第5章 結晶成長
283
 5.1 バルク結晶成長 283
  5.1.1 窒化ガリウム(GaN) 283
   (1) バルク結晶成長法の種類と特徴 283
   (2) HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法 284
    A.基板からのGaN膜の剥離法 285
    B.転位密度の低減法 291
   (3) 融液成長法 301
   (4) 溶液成長法 301
  5.1.2 窒化アルミニウム(AlN)バルク単結晶成長 308
   (1) 昇華法によるAlN単結晶成長 科学技術振興機構 309
   (2) 昇華法によるSiC基板上でのAlN単結晶成長 住友電気工業 309
  5.1.3 酸化亜鉛(ZnO)バルク結晶成長 312
  5.1.4 酸化ガリウム(β-Ga2O3)バルク単結晶成長 313
  5.1.5 企業および研究機関の開発事例 316
   (1) 格子歪みの無いGaN自立基板の作製 東北大学 316
   (2) 大口径GaNバルク単結晶の量産技術
      ソルボサーマル結晶成長技術研究組合
319
   (3) 圧力制御溶液成長法によるGaNバルク単結晶の育成 ジャパンエナジー、
       山口大学工学部
320
   (4) Naフラックスを用いたGaNの結晶成長 リコー、東北大学 323
   (5) 単結晶AlN膜の新製法 日本ガイシ、三重大工学部 325
   (6) 改良昇華法による窒化アルミニウム(AlN)単結晶成長
       科学技術振興機構
325
   (7) 2インチAlN基板の開発 米Crystal IS社 327
 5.2 エピタキシャル結晶成長 327
  5.2.1 エピタキシャル結晶の成長モード 329
  5.2.2 エピタキシャル成長の方法 329
  5.2.3 窒化物半導体のエピタキシャル結晶成長 332
  5.2.4 各種基板へのGaNの結晶成長 333
   (1) サファイア基板上へのGaN結晶成長 334
   (2) SiC基板上へのGaN結晶成長 335
   (3) GaN基板上へのGaN結晶成長 335
   (4) ZnO基板上へのGaN結晶成長 335
   (5) ZrB2基板上へのGaN結晶成長 336
   (6) β-Ga2O3基板上でのGaN系薄膜の結晶成長 337
   (7) Si基板上へのGaNの成長 338
  5.2.5 半極性、無極性基板の利用 341
  5.2.6 GaNにおける欠陥密度の低減技術 346
  5.2.7 AlGaNの結晶成長 349
  5.2.8 AlNの結晶成長 352
   (1) NTT物性科学基礎研究所の取り組み 352
   (2) アンモニアパルス供給多層成長法 理化学研究所、埼玉大学 353
  5.2.9 ZnOエピタキシャル結晶成長 355
   (1) ScAlMgO4単結晶基板 355
   (2) ZnO薄膜の電導性制御 357
   (3) 欠陥のないZnO結晶の作製 東北大学 357
   (4) 酸化亜鉛のp型化技術 東北大学 358
  5.2.10 企業および研究機関の開発事例 359
   (1) GaNナノコラム結晶 上智大学 359
   (2) ZnO基板上での無極性GaNの結晶成長 東京大学、
      神奈川科学技術アカデミー、三菱化学
360
   (3) ZnO基板上への液相エピタキシャル法によるZnO結晶成長 
       東北大学多元物質科学研究所
361
   (4) MOCVD法によるZnO薄膜成長 島根大学 362
   (5) プラズマを使用したZnOの生成 岩手大学 362
   (6) Mg添加により紫外線を高効率発光するZnOの開発 産業技術総合研究所 362
 引用文献 364

第6章 応用分野の動向
367
 6.1 照明分野 367
 6.2 ディスプレイ分野 383
  6.2.1 屋外大型ディスプレイ 386
  6.2.2 パチンコ店舗におけるカラーLEDの導入 388
 6.3 携帯電話用フラッシュ光源 389
 6.4 液晶バックライト分野 390
  6.4.1 携帯電話用バックライト 391
  6.4.2 車載機器用バックライト 392
  6.4.3 液晶テレビ用バックライト 392
 6.5 道路交通分野 399
  6.5.1 交通信号灯 399
  6.5.2 その他 400
 6.6 移動体分野 401
  6.6.1 自動車 401
   (1) 内装ランプへのLEDの適用 401
   (2) 外装ランプへのLEDの適用 403
   (3) ヘッドランプへのLEDの適用 404
   (4) その他 411
  6.6.2 鉄道車両 411
  6.6.3 航空機 414
 6.7 その他の分野 418
  6.7.1 画像処理用照明 418
  6.7.2 植物栽培用照明 418
  6.7.3 プリントヘッド 421
  6.7.4 可視光通信 422
   (1) 国内規格 電子情報技術産業協会 423
   (2) 青色LED素子によるPDA端末への送信 松下電工 423
   (3) 送信モジュール搭載のスポットライトLED型照明器具 東芝 424
 6.8 企業および研究機関の開発事例 424
  6.8.1 バックライトシステム「トリルミナス」 ソニー 424
  6.8.2 拡散シート不要のLCDバックライト オムロン 425
  6.8.3 25mmと薄型化した直下型LEDバックライト オムロン、多摩ファインオプト 429
  6.8.4 LEDヘッドランプの開発 小糸製作所 430
  6.8.5 LED照明器具で国内照明業界最高の明るさと、長寿命、省エネを
       実現した「LEDベースダウンライト」 松下電工
431
  6.8.6 LED搭載屋外照明灯 シャープ 432
  6.8.7 フルカラー256階調制御可能な積層型LED光源 岩崎情報機器 433
  6.8.8 1枚のガラスに薄膜太陽電池とLEDを組み込んだ「ルミウォール」 シャープ 436
  6.8.9 形状を変えられるLED 米Avago Technologies社 439
  6.8.10 LEDを用いた大型電飾ボードの開発
        東京都立産業技術センター、アートレーザー技研
439
  6.8.11 プリントヘッドでのLEDアレイと駆動ICの集積化技術の開発
       沖電気工業、沖データ
440
  6.8.12 繊維状の発光ダイオードの開発 蘭フィリップス社 444
 引用文献 444
   
 付属資料(国内公開特許)  
 1.デバイスに関する出願(61件)  
 2.製造方法に関する出願(35件)  
 3.パッケージに関する出願(26件)  
 4.白色LEDに関する出願(10件)  
 5.照明に関する出願(9件)  
 6.バックライト光源に関する出願(5件)  
 7.蛍光体に関する出願(8件)  

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