優れたエンジニアリング: LED 製造のプラットフォームとしての HPA サファイア

Jan 31, 2024

高純度アルミナ (HPA) は聞いたことがない材料かもしれませんが、私たちの日常生活の重要な遍在要素です。 これはサファイア結晶の製造における主成分であり、個人用デバイスから都市に至るまであらゆるものを照らす小型光源である発光ダイオード (LED) の基礎となります。

LED 産業によるサファイアの需要の増加により、HPA の需要は着実に増加しています。 LED 製造用の材料としてのサファイアの価値は、次の 4 つの主な理由に要約できます。

まず、サファイアは、高輝度青色および白色 LED の作成に使用される主な材料である窒化ガリウム (GaN) と同様の結晶格子寸法を共有します。 この格子互換性により構造欠陥が少なくなり、LED 生産の効率が向上します。1

同様に、透明性ももう 1 つの重要な特徴であり、生成された光が LED の下側からの障害物に面しないようにするため、LED 基板としてサファイアがシリコンよりも有利になります。

さらに、サファイアの高い熱伝導率は、動作中に熱を発生する LED にとって不可欠です。 LED 構造への損傷を防ぎ、その寿命と効率を維持するには、効率的な熱放散が必要です。

最後に、サファイアの優れた電気絶縁特性により、LED のアクティブ部分を他のコンポーネントから効果的に絶縁できるため、電気的短絡のリスクが軽減されます。

高純度アルミナから LED に至るまでの道のりは複雑かつ魅力的であり、化学、エンジニアリング、精密製造が融合しており、多くの場合国境を越えて行われます。

生産チェーンは、純度に重点を置いて製造された高級酸化アルミニウム (Al2O3) 粉末である HPA から始まります。 通常、LED アプリケーションには 4N HPA (純度 99.99%) が使用されますが、光学系にはさらに純度の高い 5N HPA (純度 99.999%) が使用されます。

HPA の純度は単なる数値ではありません。 これは LED 生産を成功させるための基礎です。 ほんのわずかな不純物であっても、最終製品に欠陥を引き起こし、LED の性能と効率に影響を与える可能性があります。

たとえば、LED の製造は、低角度粒界 (LAGB) の影響に非常に敏感です。LAGB とは、主なウェーハの体積と比較して位置がずれている、サファイアウェーハ内の小さな結晶粒です。 これらは接着力を低下させ、サファイアウェーハ上に堆積されたエピタキシャル層の構造品質を損ない、LED デバイスの性能を低下させます。 HPA の純度は、このような欠陥の発生に直接影響します。

HPA ユーザーにとってますます重要になっているもう 1 つの要素は、二酸化炭素を排出しないグリーン サプライ チェーンを維持することです。

高純度で環境に優しい高純度アルミナの探求においては、カナダのケベック州キャップチャットに拠点を置く Advanced Energy Minerals のような企業が先頭に立って取り組んでいます (図 1)。 同社は原材料を水力発電のみから調達しており、2023 年第 3 四半期からはグリーン エネルギーのみを使用した 100% グリーン HPA の生産に取り組んでいます。

HPA 粉末またはモノリスからの「ブール」として知られる合成サファイア結晶の製造は、サイズが重要となる複雑なプロセスです。

サファイア ブールは、後に製造中に LED 基板となる薄いウェーハ (250 ～ 150 μm) の出発材料として機能します。 完成した LED ウェハーの直径は、ブールのサイズによって決まります。 この直径は、2 インチ (現在はほぼ廃止) から 6 ～ 8 インチ (現在一般的)、12 インチ (将来の標準) までの範囲になります。

競争にはより大きなブールを栽培する必要があり、その方が経済的に実行可能です。

参考までに、8 インチのコア直径に対応する 90 kg のブールは、底部の直径が 30 cm、高さが 45 cm です。 この記事の執筆時点で生産されている最大のサファイア ブールは 800 kg、高さは 70 ～ 80 cm です。 中国で製造されました（図2）。

このようなブールの栽培には、精度、専門知識、そして時間が必要です。 LED サファイアは、多くの場合、最高品質の最大の結晶を製造できるキロプロス成長法 2 を使用して製造されます。