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世界最高出力(90mW超)の深紫外LEDの開発に成功 ~ナノ光構造により、光取出し効率を劇的に向上~

国立研究開発法人情報通信研究機構 広報部 2015年04月01日 14時00分
From 共同通信PRワイヤー

2015年4月1日

国立研究開発法人 情報通信研究機構(NICT)

世界最高出力(90mW(ミリワット)超)の深紫外LEDの開発に成功
~ナノ光構造により、光取出し効率を劇的に向上~

【ポイント】
■ ナノ光構造を用いて、深紫外LEDの光取出し効率を大幅に向上することに成功
■ 最も殺菌性の高い波長265nm、室温・連続動作で、世界最高の光出力90mW超を達成
■ 殺菌、飲料水・空気の浄化、医療、家電、食品流通、ICT分野など幅広い分野への展開に期待

 国立研究開発法人 情報通信研究機構(NICT、理事長: 坂内 正夫) リンクは、株式会社トクヤマ(社長: 横田 浩)と共同で、深紫外波長帯において世界最高出力となる90mW超の深紫外LEDの開発に成功しました。
 ナノ光構造技術により、深紫外LEDの光取出し効率を大幅に向上させることで、小型・高出力な深紫外LED光源を実現しました。今回開発した深紫外LEDは、最も殺菌性の高い波長265nm、室温・連続動作で、光出力90mWを達成したこれまでにない実用上要求される水準を十分に上回ったものです。
 薬剤を用いないクリーンな殺菌システムの実現や既存の水銀ランプの置き換え、新規市場の創出など大規模な需要が見込め、殺菌から医療、工業、環境、ICTに至るまで幅広い分野の産業、生活・社会インフラに画期的な技術革新をもたらすことが期待されています。
 本研究成果は、米国応用物理学会誌Applied Physics Letters(電子版 平成27年4月1日(水)発行予定)に掲載されます。なお、本成果の一部は、国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST) A-STEP事業の支援の下に実施されました。

【背景】
 深紫外波長帯(200~300 nm)で発光する半導体発光ダイオード(LED)は、ウィルスの殺菌や飲料水・空気の浄化、光加工、樹脂硬化、環境汚染物質の分解、食品流通分野、院内感染予防、光線外科治療、種々の医療機器、ICT利用など、幅広い分野で、その応用が期待されています。これまで、既存の深紫外光源として、主に、水銀ランプなどのガス光源が用いられていました。しかし、ガス光源は寿命が短く、発光波長がガスの輝線のみで限定される上、水銀などの人体・環境に有害な物質を含みます。また、光源のサイズ、消費電力も極めて大きいことから、その利用範囲は制限されており、代替技術実現への要請が高まっていました。このような背景の下、水銀フリー、低環境負荷で小型、高出力な深紫外LEDの開発が強く望まれています。近年、窒化物系半導体(AlGaN:窒化アルミニウムガリウム)を用いた深紫外LEDの開発が世界的に活発化していますが、深紫外LEDでは光取出し効率が極めて低いという問題を抱えており、高出力化が困難な状況で、小型、高出力な深紫外LEDを実現するためには、この課題を解決する新しい技術の開発が必要とされていました。

【今回の成果】
 今回、新たに開発したナノ光構造技術を駆使して、深紫外LEDの光取出し効率を大幅に向上させることで、深紫外波長帯において世界最高出力となる深紫外LEDを実証することに成功しました。殺菌効果が最も高い発光波長265nm、電極メサ面積0.1mm2、室温・連続動作において90mWを達成し、実用上要求される水準を十分にクリアーする、これまでにない小型、高出力な深紫外LEDを実現しました。
 今回開発したAlGaN系深紫外LEDは、結晶欠陥の発生を低減できる窒化アルミニウム(AlN)基板上に作製していますが、AlN基板は一般的に用いられるサファイア(Al2O3)基板に比べ屈折率が高く、これまでは基板表面での全反射により、極めてわずかな光しか外部に取り出すことができませんでした。この問題を解決する新しい技術として、理論・実験両面の工夫により、従来にない光取出し構造を開発しました。光取出し面となるAlN基板表面に2次元フォトニック結晶とサブ波長ナノ構造とを組み合わせたハイブリッド光取出し構造を作製することにより全反射を抑制し、光取出し効率の向上率196%を達成しました。実用上重要なデバイス性能指標である光出力密度として 1平方cm当たり 90W(発光波長265nm、室温・連続動作)を実現し、他研究機関を大幅に上回る高出力動作に成功しております。今回新たに得られた小型、高出力な深紫外LEDは、これまで適した光源が無く実現が難しかった様々な新しい深紫外光を利用したアプリケーション開発の可能性を広げることが期待されます。

【今後の展望】
 今回、深紫外波長において世界最高となる90mW超の小型、高出力な深紫外LEDの開発に成功し、実用上要求される水準を満たす性能を実証したことにより、今後の深紫外LEDの本格的な普及、応用製品群の実現に向けて大きな進展が期待されます。小型・ポータブルで高出力な深紫外LEDの実現は、既存光源市場の置き換えだけではなく、持ち運び可能なウィルス殺菌システムやポイントオブケア型の医療診断・分析など、これまでにない様々な新規市場の創出も期待されます。研究グループは、深紫外領域での光取出し技術を一層深化させることで、可視LEDに匹敵する性能を実現するべく今後も取り組んでいくとともに、新しい深紫外光技術を通じた新規産業の創出、安心安全で持続可能な社会づくりへの貢献を目指してまいります。



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