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２０２３年１１⽉１３⽇
在名古屋報道各社、⽂部科学記者会

Applied Physics Express の 「Spotlights 2023」に選出
⾼出⼒の深紫外 LED や深紫外半導体レーザーの開発に向けて、加熱・加圧した⽔を使⽤して基板から AlGaN 半導体層を剥離する技術とメカニズムを解明
名城⼤学理⼯学部材料機能⼯学科の岩⾕素顕教授、⽵内哲也教授、上⼭智教授、名城⼤学理⼯学部応⽤化学科の丸⼭隆浩教授、三重⼤学⼤学院⼯学研究科の三宅秀⼈教授の研究グループは、⾼光出⼒の深紫外 LED や深紫外半導体レーザーを実現するために不可⽋である、縦型 AlGaN 系深紫外半導体レーザーの開発に成功。さらに、半導体プロセスに導⼊しやすい加熱・加圧した⽔で基板剥離する技術を開発し、その基板剥離メカニズムも解明しました。
本研究成果は、2023 年 10 ⽉ 11 ⽇に応⽤物理学会の国際論⽂誌「Applied Physics Express」に掲載されるとともに、同誌の“Spotlights 2023”に選出されました。Spotlights は、応⽤物理学コミュニティの興味を引く可能性の⾼い論⽂を特別に紹介するもので、例年、20 数件の論⽂が選出されています。なお、Applied Physics Express に受理される論⽂数は、毎年 350 件前後です。
【本件のポイント】
・AlGaN 半導体の半導体プロセスに導⼊しやすい加熱・加圧した⽔で基板剥離する技術を開発
・基板剥離メカニズムを解明
・本剥離技術はウェハーサイズの縦型デバイスプロセスが可能なため、⾼出⼒な深紫外 LED や深紫外半導体レーザーの実現につながることに期待【研究の背景】
波⻑が 100〜380 nm の電磁波は「紫外線」、波⻑が 300 nm 以下のものは「深紫外線」と呼ばれ、紫外線を放射する LED や半導体レーザーは「紫外 LED」「紫外半導体レーザー」と呼ばれます。これらの半導体デバイスは、殺菌、医療、バイオ、紫外線加⼯など多くの応⽤分野で使⽤され＜発信元＞

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MAIL: koho@ccml.meijo-u.ac.jp

急速に⾼性能化が進んでいます。
LED と半導体レーザーの特⻑は、コンパクトなサイズ（数 mm 程度）、⻑寿命、低消費電⼒、⾼効率、任意の波⻑のレーザー光を⽣成できること、希少材料を必要としないことなど、優れた特性を持っています。⼀⽅で、光出⼒は 1 つのチップで最⼤数百 mW に制限されており、この光出⼒をどのように増強するかが重要な課題となっていました。
LED や半導体レーザーなどの半導体発光素⼦の光出⼒は、電⼦から光⼦に変換され、半導体外部に取り出される効率（これを量⼦効率と呼びます）と注⼊電流に依存します。デバイスへの電流注⼊を増加させるには、デバイスのサイズを拡⼤する必要があります。
現在の AlGaN 系紫外半導体レーザーは、⾼品質の結晶を確保するためにサファイアや AlNなどの絶縁材料を使⽤し、またデバイス内で薄膜の n 型 AlGaN を横⽅向に電流が流れる図３のような横型デバイスを⽤いています。このようなデバイスでは、電流を均⼀に流すことが難しく、その結果、⼤型化しても注⼊電流を増加させることが難しい状況となっています。
この問題を解決するためには、図４に⽰すように pn 接合に対して p 電極と n 電極を対向配置した縦型デバイスの開発が必要でしたが、本研究グループがレーザーリフトオフ法を⽤いて UV-B
LED や UV-B 半導体レーザーの開発に成功しています。
（プレスリリース 2023 年 10 ⽉ 17 ⽇配信
https://www.meijo-u.ac.jp/news/asset/a4e3f08ca263273c1a3edfd3dd9e9abd.pdf, 学 術 論 ⽂ ：https://iopscience.iop.org/article/10.35848/1882-0786/ad03ac）しかし、より⼤⼝径でかつ簡便な⼿法の確⽴が求められていました。
本研究では、加熱・加圧した⽔を使⽤することにより、図１のように AlGaN や AlN をエッチングし、安定した剥離が可能であることを発⾒。さらに、この研究により、図２のようにそのメカニズムも解明しました。
【研究内容】
AlGaN 系深紫外 LED や半導体レーザーの開発において、主要な課題は絶縁性基板からデバイスを剥離する技術の不確⽴でした。同じ材料系の GaN に対しては広く使⽤されているレーザーリフ
トオフ法がありますが、AlGaN 系ではレーザーにより析出したアルミニウムの融点が⾼いため、安定な剥離が難しいという問題があり、新しい剥離⽅法の開発が必要でした。
本研究グループは、AlN をナノインプリント法により規則的に配置したパターンマスクを形成し、それをプラズマエッチングして周期的に配置された AlN ナノピラーを⽣成し、それの上に2

AlGaN を成⻑させる技術を開発しました。この AlGaN は⾼品質の結晶であり、UV-B 領域の半導体レーザーなどに応⽤されています。
本研究では、AlN ナノピラーを⽤いた AlGaN を、1.5 気圧・135℃で加圧・加熱した⽔を使⽤して剥離する⽅法が可能であることを⽰しました。⾛査電⼦顕微鏡を⽤いて解析したところデバイスのサイドに相当する m ⾯や a ⾯の AlN や AlGaN は加圧・加熱した⽔によりエッチングされます。
⼀⽅、デバイス表⾯に相当する+c ⾯に関しては⾛査電⼦顕微鏡では全く反応は確認されませんでした。さらに試料表⾯の化学的な反応を原⼦レベルで解析することができる X 線光電⼦分光法による詳細な分析により、+c ⾯は加圧・加熱した⽔には反応しないことが解明されました。
つまり、デバイスの表⾯から⽔が結晶にほとんど影響を与えないにも関わらず、サファイア基板を剥離することが可能であることが明らかになりました。さらに、この⼿法は半導体プロセスで⼀般的に使⽤される⽔による洗浄を利⽤しており、プロセス温度は通常の半導体プロセスよりも低温（約 135℃）で⾏えるため、⾼い汎⽤性があることも確認されました。
これらの成果は AlGaN 系紫外発光素⼦の性能向上を可能にするプロセスと考えられ、そのために本論⽂は注⽬を浴びる価値のある研究として Spotlights に選ばれました。
【今後の展開】
縦型 AlGaN 系深紫外 LED や半導体レーザーは、デバイス・サイズを⼤きくしても均⼀に電流を流すことができ、1 素⼦から 1 ワットを超える極めて⾼出⼒なレーザー光を得ることが期待できます。また、これらを集積化することで数⼗ワット~数百ワットの超⼩型光源の提供が可能で、バイオテクノロジー、⽪膚病治療などの医療⽤途や、UV 硬化プロセス、レーザー加⼯など⼯業分野への応⽤が期待されます。本研究の基板を剥離する技術により、⾼出⼒な深紫外 LED や深紫外半導体レーザーの実現につながるだけではなく、パワーデバイスやその他の技術への拡張も期待されます。
この成果の⼀部は、環境省「⾰新的な省 CO2 型感染症対策技術等の実⽤化加速のための実証事業／⾼効率・⻑寿命深紫外 LED の技術開発と細菌・ウイルス不活化および脱炭素効果の実証」、「JSPS 科研費 22H00304」、「国⽴研究開発法⼈新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）」、「JST 研究成果展開事業研究成果最適展開⽀援プログラム A-STEP 産学共同（本格型）
JPMJTR201D」の⽀援を受けたものです。
【⽤語の解説】
1） LED（Light Emitting Diode）：電圧を順⽅向（電流が流れやすい⽅向）に加えたときに発光する半導体デバイスの⼀種。LED から放射される光は、波⻑や位相が⼀致しない⾃然光である。
2） 半導体レーザー：半導体に電流を流すことによって、光の波⻑や位相がそろったコヒーレンス（可⼲渉性）なレーザー光を放出できる半導体デバイス。コンパクト(~数 mm)、⻑寿命（通常数万時間）、低消費電⼒、⾼効率、任意の波⻑のレーザー光が得られるなど、他のガス

3レーザーや固体レーザーに⽐べて優れた性能を有している。
3） 縦型デバイス：デバイスに対して電流を縦⽅向に流すデバイスのこと。電流を横に流す横型デバイスに⽐べ、電流経路が短く且つ素⼦に対して均⼀に電流を流せるため、レーザーに限らず LED やパワーデバイスなど⾼出⼒化が必要な多くの半導体デバイスに適⽤されている。
4） 加圧・加熱した⽔：⽔の沸点は⼤気圧（1 気圧）では 100℃である。しかし、加圧すると沸点は上昇し、1.5 気圧では約 135℃である。よって、1.5 気圧・135℃で加圧・加熱した⽔は液体状態であり且つ化学的に⾮常に活性な状態で存在している。
5） AlGaN：アルミニウム、ガリウム、および窒素を⽤いた化合物である。⾼品質な単結晶を得ることにより波⻑ 210 nm から 365 nm の紫外線を放射することができ、近年紫外 LED や紫外半導体レーザー材料としてその応⽤が期待されている。
【論⽂情報】
掲載誌： Applied Physics Express
掲載⽇： 2023 年 10 ⽉ 11 ⽇
https://iopscience.iop.org/article/10.35848/1882-0786/acfec9
論⽂タイトル：Exfoliation mechanism of AlGaN-based thin films using heated-pressurized water
著者：Ryoya Yamada, Eri Matsubara, Ryosuke Kondo, Toma Nishibayashi, Koki Hattori,
Yoshinori Imoto, Sho Iwayama, Tetsuya Takeuchi, Satoshi Kamiyama, Takahiro Maruyama,
Hideto Miyake and Motoaki Iwaya【お問い合わせ先】
名城⼤学 理⼯学部材料機能⼯学科 教授 岩⾕ 素顕〒468-8502

名古屋市天⽩区塩釜⼝⼀丁⽬ 501 番地

TEL：052-838-2430
E-mail：iwaya@meijo-u.ac.jp
三重⼤学 ⼤学院⼯学研究科 電気電⼦⼯学専攻 教授 三宅 秀⼈〒514-8507

三重県津市栗真町屋町 1577

TEL：059-231-9401
E-mail：miyake@elec.mie-u.ac.jp

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