GaN - 新エネルギー・産業技術総合開発機構

平成27年02月12日(火)
東京国際フォーラム ホールB5・B7
NEDO FORUM
イノベーション創出に向けたNEDOへの期待
天野 浩
名古屋大学大学院工学研究科・VBL・赤﨑記念研究センター
464-8603 愛知県名古屋市千種区不老町C3-1
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研究支援から社会貢献までのタイムラグ
青色LEDの例
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研究支援から社会貢献までのタイムラグ
http://www.jst.go.jp/itaku/result/ef-1.pdf
科学技術振興機構（JST）
委託開発課題「窒化ガリウム（GaN）青色発光ダイオードの製造技術」
（新技術の代表発明者：赤﨑勇 当時、名古屋大学教授）、開発実施企業：豊田合成株式会
社） 1987年4月～1990年3月
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研究支援から社会貢献までのタイムラグ
×1000
LED lighting
Other lighting
LED ratio
Year
Data from Fuji Chimera Research Institute, Inc.,
2014 LED Related Market Survey
2020年に7% （=1兆円）の節電
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研究支援から社会貢献までのタイムラグ
赤﨑
勇
1967年 AlN
中村修二
1981 名古屋大学教授
1992- 名城大学教授
(名古屋大学名誉教授)
(日亜化学工業㈱、現在UCSB)
1989～1993：
GaN低温バッファ
熱処理によるp型GaN
InGaN/GaN ダブルヘテロ
ワイドギャップGaN 青色LED
スマートフォン
©Gussisaurio
1980
1985
1990
光の三原色
1995
1999：白色 LED
1985 低温バッファー（修士課程）
1989 p型GaN（助手）
Hiroshi Amano
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1988 名古屋大学助手
1989 工学博士.
1992-2010 名城大学講師ー教授
2010 名古屋大学教授
1987 JST
1995 事業化
青色LED
黄色蛍光体
豊田合成㈱
1967年から48年目
1987年から28年目
© Rotatebot
LED生産の現状
国・地域別LED生産量
株式会社富士キメラ総研
2014LED関連市場総調査(上巻)
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日本のエレクトロニクス産業の歴史
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http://www.isipc.org/documents/sympo20090527/doc02_ogawa.pdf#search='小川紘一「プロダクト・
イノベーションからビジネス・イノベーションへ」'
これまでに受けたNEDOの援助
＊新規産業創造型提案公募事業 “半導体火炎ｾﾝｻによる省ｴﾈﾙｷﾞｰ燃焼制御技術に関する研究”(大阪ガス)
事業期間：1997年度～2000年度
＊国際共同研究助成事業(NEDOグラント) “Super widegap nitride semiconductors for UV lasers (紫外線レーザのため
の超ワイドギャップナイトライド半導体の研究)”(ASU、UB)
事業期間：2001年度～2004年度
＊基盤技術研究促進事業(民間基盤技術研究支援制度）“極限紫外短波長光半導体の実用化開拓” (大阪ガス、京セミ)
事業期間：2002年度～2006年度
＊ナノテクノロジー・材料分野プロジェクト “高効率UV発光素子用半導体開発”
事業期間：2004年度 ～2006年度
＊次世代照明等の実現に向けた窒化物半導体等基盤技術開発 “ナノエレクトロニクス半導体新材料・新構造技術開発
－窒化物系化合物半導体基板・エピタキシャル成長技術の開発”
事業期間：2007年度～2012年度
＊新エネルギー技術研究開発 革新的太陽光発電技術研究開発（革新型太陽電池国際研究拠点整備事業） “ポストシ
リコン超高効率太陽電池の研究開発（広帯域AlGaInN）”
事業期間：2008年度～2014年度
＊次世代照明等の実現に向けた窒化物半導体等基盤技術開発/次世代高効率・高品質照明技術の基盤技術開発“LED
照明の高効率・高品質化に係る基盤技術開発”
事業期間：2009年度～2013年度
＊戦略的省エネルギー技術革新プログラム実用化開発 “低コストを実現するLED構造と製造プロセスの開発”(東京エレ
クトロン)
事業期間：2012年度～2014年度
＊ＳＩＰ／次世代パワーエレクトロニクス／ＧａＮに関する拠点型共通基盤技術開発テーマ
事業期間：2014年度～
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NEDOサポートによる紫外線LED開発の例
1980
2010
2000
1990
2020
1986
1997
AlGaNのMOVPE
3000
2006
350.9
RT, Pulse Duty 0.1%
current injection: 200mA
Intensity[a.u.]
2500
0229a
Meij18-D Mesh electrodes
0V Flame response (d>4cm)
量産開始
1500
1000
0
350
2 10
No Room Light
2000
500
-12
2012 2015
創光科学
351
352
353
354
355
Wavelength[nm]
Room Light ON
-12
AlGaN NUV LD
1.5 10
Current (A)
-12
1 10
-13
5 10
日機装株式会社
0
-13
-5 10
Filter
U330
Filter
U330
No Filter
No Filter
-12
-1 10
80
160
240
320
400
Time(s)
AlGaN火炎検出器
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480
AlGaN UVB-LED
＊ベンチャー設立まで9年間
＋量産まで更に9年間
日本のエネルギー事情
日本の年間発電量の推移
2014.5.23
The Federation of Electric Power Companies of Japan
61.7
78.9
88.3
火力
88.3
約300 TWh
原子力
■Nuclear ■Coal ■LNG ■Oil ■Hydro ■Geothermal and new energy
2011年3月11日
東日本大震災
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ベースロード電源の代替
■国内の商業用原子炉は４８基（新規制基準への適合性確認は１４原発２１基が申請）。
北海道
北海道電力㈱泊発電所
新潟県
東京電力㈱柏崎刈羽原子力発電所
１
２
３
４
１
５
６
２
青森県
電源開発㈱大間原子力発電所
３
７
青森県
東北電力㈱東通原子力発電所
石川県
北陸電力㈱志賀原子力発電所
１
１
２
東京電力㈱東通原子力発電所
１
日本原子力発電㈱敦賀発電所
宮城県
東北電力㈱女川原子力発電所
２
１
関西電力㈱美浜発電所
２
１
福井県
１
３
２
３
４
１
２
関西電力㈱高浜発電所
１
２
３
３
福島県
東京電力㈱福島第一原子力発電所
関西電力㈱大飯発電所
１
２
３
４
１
２
６
福島県
東京電力㈱福島第二原子力発電所
４
島根県
中国電力㈱島根原子力発電所
１
５
２
３
４
茨城県
日本原子力発電㈱東海第二発電所
３
静岡県
中部電力㈱浜岡原子力発電所
３
佐賀県
九州電力㈱玄海原子力発電所
１
２
３
１
５
：新規制基準への適合
確認申請した炉
４
鹿児島県
九州電力㈱川内原子力発電所
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４
愛媛県
四国電力㈱伊方発電所
１
２
３
出力規模
運転中の原子力発電所
停止中の原子力発電所
50万ｋW未満
100万ｋW未満
100万ｋW以上
建設中の原子力発電所
ドイツの再生可能エネルギー
家庭用電力料金は
ドイツが最も高コスト
家庭用電力料金
ベースロード電源の低下
⇒褐炭火力の割合増加
輸出は再生可能エネルギー
揚水式発電所とセット開発が
必要
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GaNによる次世代イノベーションの可能性
電源回路における優位性
ワイドギャップと高いポテンシャ
ル障壁による高温動作性能
GaN
電源回路における優位性
ワイドギャップによる高い絶縁
破壊電界
高周波回路における優位性
高い電子飽和速度および低
い寄生容量による高周波動
作
Si
電源回路における優位性
高いキャリア密度と電子移動
度による大電流特性
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GaAs
高周波回路における優位性
低キャリア散乱および低い高周
波ロスによる優れたノイズ要因
http://www.edn.com/Pdf/ViewPdf?contentItemId=4409627
増大する直流機器とトータルソルーションの必要性
http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20090930/175893/?SS=imgview&FD=571014812
http://www.nedo.go.jp/hyoukabu/articles/201208ntt_f/index.html
＊今後直流送電の可能性も?
＊直流電源，直流使用の機器がますます増大!
＊DC DCコンバータの利用増大!
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今後懸念される電力消費の増大
http://www.nict.go.jp/press/2010/08/24-1.html
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GaNパワーデバイスへの期待
高効率パワー半導体
GaNは最高効率電力変換デバイスを実現
（電力の制御・供給に不可欠なデバイス）
損失（発熱）
5W
直流電力
100W
インバーター
（現在はSi）
交流電力
95W
エネルギー損失 (100%@Si-IGBT)
100
■スイッチ損失
■伝導損失
80
60
5%の損失⇒0.75%に
40
20
0
Si
4H-SiC
GaN
（半導体材料）
更に省エネルギーなエレクトロニクスを日本から
全発電量を更に約9％削減
LEDと合わせ原子力発電分の半分を省エネルギー
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GaNパワーデバイスの開発状況
2015年1月27日
Transphormと富士通セミコンダクター、福島県会津若松市の富士通セミコンダクターグルー
プのCMOSプロセス互換150mmウェハー製造ラインにてTransphormの GaNパワーデバイ
ス製品の量産開始
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GaN on GaN vs. GaN on Si
1.0E+00
Al0.25Ga0.75N 25nm
1000 V
1.0E-02
u-GaN 400nm
GaN on Si（Ref）
Si基板上ｴﾋﾟ
3000 V
Naﾌﾗｯｸｽ
基板上ｴﾋﾟ
MJ0145(Ｎａﾌﾗｯｸｽ)
GaN:C 10µm
V/III 3400
Pg=200torr
I (A/mm2)
1.0E-04
1.0E-06
1.0E-08
破壊ではなく、2000Ｖ測定の結果
1.0E-10
1.0E-12
0
1000
2000
3000
V (V)
u-GaN 2.5μm
Cドープバッファにより縦方向耐圧1000V以上を達成
Cﾄﾞｰﾌﾟﾊﾞｯﾌｧ 10mm
u-GaN基板
SiO2 スパッタ膜
Cドープバッファによる
縦方向耐圧の改善
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HEMTドレイン耐圧1200Vを確認
GaN on GaN(縦型) vs. GaN on Si(横型)
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GaN Power Electronics, Dr. Matteo Meneghini
GaN on GaN(縦型) vs. GaN on Si(横型)
Source: S. Chowduri, IWN 2014
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注目されるGaN基板成長法
Na flux method
Ammonothermal Method
M.P. D’Evelyn et al.,
Journal of Crystal Growth 300 (2007) 11
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注目されるGaN基板成長法
Naフラックス法大型GaN基板育成装置
・大容積
・高純度
・高均一性
同時育成した
Φ6ｲﾝﾁ結晶
(as-grown)
150mm
150mm
2009年度～2013年度
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GaN基板の課題
DLOSによる界面／バルク捕獲準位
市販GaN基板
X線トポグラフ
A社
C. M. Jackson et al., J. Appl. Phys.,
113, 204505(2013).
深い準位
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B社
基板品質
NEDOへの期待
*これまでの援助に加えて、日本のエレクト
ロニクス産業が、同じ轍を二度と踏まないた
めにどうすれば良いか、是非お知恵とお力
をお貸しください！
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