深紫外LEDおよび、その量産に資する「三宅方式」技術のフォーカス領域
深紫外LEDは、農水・医療などの広い応用分野を持つため、青色LEDの次を担う有望な素子で、量産化すべき重要技術「三宅方式」は、深紫外LED量産に欠かせない高出力・高歩留りの基板を、飛躍的低コストで量産する画期的な技術

紫外線LEDは、期待される用途は多いが、特に短波長の深紫外線LED（315nm以下、UV-C,UV-B）は、短い波長の高い光エネルギーで生物のDNAを破壊するため、人体に有害な薬品等を利用せずに、水や大気の殺菌など農水分野で応用が期待される。その他、紫外線吸収を応用した樹脂効果・検査・計測・分析、皮膚治療などへの応用も提案されている。

深紫外LEDの実現には、LEDの発光材料にAlGaNを用いる必要があり、下地基板との間にAlN膜を緩衝層として用いることで達成できる。ただし、現状の技術ではコストや結晶精度の課題がある。三宅方式により基板が青色LEDレベルの低コストで作製可能になることで、深紫外LEDの量産が実現する。
青色LEDの基板

深紫外LEDｱﾌﾟﾛｰﾁっっｃっっｃ

期待されるアプリケーション領域
水の浄化[想定用途]
植物工場
食品加工工場
陸上養殖 など

医療< 特徴>
長寿命・低消費電力
波長の選択範囲が広い
光学設計容易性が高い・小型
環境負荷低い光の放射方向に熱が出ない[想定用途]
病室・手術室の紫外線殺菌
医療機器への応用(皮膚病治療機器、透析用監視装置…) など「三宅方式」による深紫外LED適用基板ｱﾌﾟﾛｰﾁ

従来法

分析、計測

空気の浄化

紫外線滅菌

樹脂硬化・接着・印刷[想定用途]
歯ブラシケース
スリッパラック
哺乳瓶・食器 など[想定用途]
フォトリソグラフィ
液晶パネルの貼り合わせ
インクジェットプリンターのインク乾燥 など

小型化、高出力化、ピンポイント波長調整、長寿命・省エネ

MOCVD法で成長[想定用途]
DNA・RNA 純度・濃度測定
水質・大気汚染物質計測など

深紫外LEDのメリット

AlN膜の結晶性が悪いため、・歩留が低い
・低出力

深紫外LEDはコスト、出力に課題

深紫外- LED光線( 主な波長帯；2 1 0 〜3 5 0 nm)[想定用途]
病院
介護施設
図書館 などGaNは深紫外光を吸収する
⇒不適

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三宅方式
発想の転換

アニール

スパッタ法
で膜形成
AlN膜を三宅方式のアニールにより､結晶性が・高出力・歩留りが高いよいため、

本コア技術（三宅方式）とその優位性
本コア技術（三宅方式）の手法①ヘテロ結晶成長法の中でも低コストのスパッタ法によってサファイア下地基板上にAlN膜を形成②Face-to-Face法アニールによって熱処理結晶欠陥が多い③原子の再配列により,結晶粒が合体→欠陥が減少し、結晶品質が改善

下地基板

下地基板

サファイア

サファイア

AlN膜
下地基板

AlN膜

AlN膜

AlN膜

AlN膜

下地基板

下地基板

サファイア

サファイア

サファイア

（AlN-on-サファイア基板）

アニール条件
窒素ガス，1700oC, 1-3時間

AlN膜の欠陥が減少

上記手法は、JST外国特許出願支援を受け、PCT（PCT/JP2016/076622）、台湾（105129409）、中国へ出願済。

三宅方式採用の深紫外LED

AlGaN層の積層（良質なAlGaN層）

スパッタ法にてAlN膜形成

アニールにてAlN膜の結晶品質を改善

AlN膜

AlN膜

AlN膜

下地基板

下地基板

下地基板

下地基板

サファイア

サファイア

サファイア

サファイア

競合技術による深紫外LED
MOCVD法にてAlN膜形成内部量子効率70～80%

AlGaN発光層
低コストで高品質な
深紫外LED

AlGaN層の積層（低品質）

AlGaN発光層

AlN膜

AlN膜

下地基板

下地基板

下地基板

サファイア

サファイア

サファイア

高コストで低品質な
深紫外LED

AlN膜をアニール処理することで内部量子効率を70～80%まで増大

内部量子効率10～20%

三宅方式と競合技術との比較
窒化アルミニウム（AlN）基板の製造方法は大きく分けて、サファイア下地基板上にAlNを結晶成長させるヘテロ結晶成長法と、AlN下地基板上にAlNを結晶成長させるホモ結晶成長法の2つがある。三宅方式は、ヘテロ結晶成長法の中でも、安価な装置を用いて簡便にかつ高品質なAlN基板を製造可能なため、深紫外LEDの基板製造方法としては、他の製造方法よりも、コスト・品質・生産性の面で優れている。

競合技術との比較

サファイア上AlN基板を用いた深紫外LED
AlN基板【三宅方式】

スパッタ法

アニール

深紫外LEDウエハとチップ

深紫外LED

サファイア上AlN基板

・高結晶品質・高出力 ・低コスト
・高歩留り ・高生産性

・高出力・高生産性を実現可能！

アニール【アニール条件】
・窒素ガス雰囲気・1,700℃、1～3時間

基板製造プロセスへ三宅方式のアニールを追加することによって、AlNの結晶品質が改善される（基板の高品質化）。
つまり、デバイスの高歩留り化や高出力化が可能になるため、既存技術の開発機関はコラボレーターとなり得る。

三宅方式と協働しての可能性《汎用型の深紫外LED》【既存技術】

サファイア上AlN基板

MOCVD法MOCVD法・低結晶品質・低出力 ・高コスト
・低歩留り ・低生産性

AlN単結晶基板を用いたデバイス

【
既存技術】

・低出力・低生産性・高出力・高生産性

高出力高周波デバイス

AlN単結晶基板は、高価格・高品質なため、 深紫外LEDではなく、衛星通信や非接触充電等、特殊用途への研究開発が進むと考えられる。

AlN単結晶基板

HVPE法
・高結晶品質

アニール

・高出力 ・高コスト・歩留り？ ・低生産性

・高出力・高価格

本事業でまず明確にすること： 深紫外LED製造における三宅方式アニールの価値
三宅方式は、スパッタ法とアニールからなり、これまでの各機関との共同研究によって、三宅方式のアニールにより焼き直したAlN基板を用いた深紫外LEDの性能は従来のものと同等の値を有することが明らかになりつつある。本事業では、基板製造の違いが深紫外LEDに及ぼす性能差を明らかにし、技術の事業化の可能性を具体化していく。
性能差と研究開発の方向性
AlN基板製造プロセスの違い
AlN膜形成熱処理

AlN基板

深紫外LED
深紫外LEDの性能差により、下記の展開が考えられる。

アニール・装置：0.2億円
結晶欠陥・窒素ガス雰囲気、1,700℃
1/6・プロセス時間：1～3時間
・製造枚数：2インチ・100枚/回

≒結晶欠陥
4～6

1時間

【アニール1時間

法+MOCVD【のチ製ッ造
プラのイ製ン
造にが載可せ能て【三宅方式】<MOCVD法

プロセス時間<【MOCVD法＋アニール】【三宅方式】を汎用品（廉価な深紫外けLED ） 製 造 法 と し て 、 【MOCVD 法 ＋ ア
ニール】を高性能深紫外LED製造法として展開させる。
＜ケース②＞【三宅方式】が【MOCVD法＋アニール】の性能と同等以上の場合

結晶欠陥
1/5

アニール】

本
事
業
対
象
外深青紫色外LED
LED・プロセス時間：5分
・製造枚数：2インチ・20枚/回

MOCVD

本
事
業
対象の研究開発領域【プロセス時間
三スパッタ法宅5分
方・装置：0.5億円
式】 ・原料コスト：300円/ｇ＜ケース①＞【三宅方式】が【MOCVD法＋アニール】の性能に達しない場合【三宅方式】=【MOCVD法＋アニール】【三宅方式】によるAlN基板の製造技術の普及を推進させる。

5時間

量産化に向けた研究開発

10-60分

・装置：2億円
結晶欠陥の数 ・MOCVD法による・原料コスト：3,500円/ｇ「1」とすると、 複雑な結晶成長条件
法
・プロセス時間：5時間・製造枚数：2インチ・3枚/回】＊AlN膜の製造用に作られた高温仕様MOCVD装置（研究用）

結晶欠陥
1/2～1/3

本事業では、【三宅方式】と【MOCVD法＋アニール】で製造したAIN膜にAlGaN層を積層した深紫外LEDの性能差を明確にし、深紫外LEDの量産化に資する技術の研究開発を推進していく。