ナノテク情報

デバイス・応用

深紫外発光素子の高効率動作メカニズムを解明 ~公衆衛生や生活の質的向上に寄与!~

 東北大学,創光科学株式会社,名古屋大学,名城大学は2019年1月30日,東北大学多元物質科学研究所の小島一信 准教授ら,創光科学の平野光 氏ら,名古屋大学未来材料・システム研究所の天野浩 教授らが,名城大学の赤﨑勇 終身教授・特別栄誉教授と共同研究を行い,深紫外(DUV)波長領域で動作するサファイア基板上に作製された窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)発光ダイオード(LED)の高効率動作メカニズムを解明したと共同発表した.本研究は,文部科学省の共同利用・共同研究拠点の一つである物質・デバイス領域共同研究拠点および独立行政法人 日本学術振興会(JSPS)科学研究費による支援を受けて行われた.本成果は,米国物理学協会の科学誌Applied Physics Lettersにオンライン掲載された(注).

 地球上には現在,安全な水を飲めない人々が11億人おり,また,26億人が清潔な公衆衛生が保たれてない環境での生活を余儀なくされている.この状況を打開するには,殺菌に必要な300nm以下のDUV波長領域の高効率固体光源を低コストで実現し,広く利用されることが切望されている.DUV光を発生する小型固体素子開発の主流は,AlGaN量子井戸を発光層とするLEDの開発である.AlGaNの結晶成長には,実用化されているInGaN青色LEDと同様,有機金属気相エピタキシャル成長(MOVPE)法が用いられている.しかし,青色LEDのような高効率化や低コスト化は容易ではなく,これまでにAlGaN LEDの高効率化に向けた明確な指針はなかった.

 本研究グループは,民生品化されたDUV光源の中でトップクラスの発光効率および素子寿命を持つ創光科学社製のAlGaN LEDの動作メカニズムと構造を詳細に調べた.AlGaNはサファイア基板上の凹凸のあるAlN上に堆積させている.LEDの表面には特徴的な凹凸構造が形成されており,このうち稜線部分に強い発光が集中して観測された.また,このような強い発光は低いエネルギーを持つ光子を放出していることを見出した.広角暗視野(HAADF)走査透過電子顕微鏡(STEM)観察とエネルギー分散X線分光(EDS)から凹凸に基づく組成分布が生じ,強い発光を生じるナノ領域に電流が集中する特異構造が形成されていることが分った.又,空間分解カソードルミネセンス(CL)により,電流集中の元になるキャリアの局在が確認された.これらの結果から,強い発光が生じる,つまり,より高い効率にて発光する微小なナノ領域が存在し,そこへ電流が集中していることを解明した.今回の発見は,AlGaN DUV LEDの更なる効率向上への鍵になる.

 本研究で明らかになった発光効率を高める特異構造を積極的に制御することで,AlGaN LEDのさらなる高効率(省エネ)化が期待される.これにより,医療・浄水・殺菌・消毒から高速光無線通信まで,幅広い応用分野における機器・装置の性能向上を目指す,としている.

(注)K. Kojima, Y. Nagasawa, A. Hirano, M. Ippommatsu, Y. Honda, H. Amano, I. Akasaki, and S. F. Chichibu, "Carrier localization structure combined with current micropaths in AlGaN quantum wells grown on an AlN template with macrosteps", Applied Physics Letters Vol. 114, p. 011102 (2019), DOI:10.1063/1.5063735; Published Online: 07 January 2019