UV-LEDとは

波長が400nmから10nmの電磁波を紫外線と呼びます。可視光線よりも短く、軟X線よりも長い波長です。この範囲の波長で、LEDとして実現されているのは250nmから400nmの波長をもつLEDです。これらを紫外線LED(UV LED)と呼んでいます。

紫外線LEDはさらに3つの波長に区分けされています。400nmから350nmの波長範囲のUVA-LED、350nmから280nmの波長範囲のUVB-LED、そして、280nmから250nmの波長範囲のUVC-LEDの3区分です。

UV-LEDでは発光材料として、窒化物半導体が使われます。GaN、InGaN、AlGaNなどがその材料です。これらをサファイア基板の上に層状に結晶成長させ、LED構造としています。LEDの波長は、この材料の禁制帯幅(バンドギャップ)で決まるため、波長を変えるには発光領域の材料を変える必要があるのです。
UVA-LEDはUVB-、UVC-LEDと比べて、構造や製造方法に明確な違いがあります。UVA-LEDは紫外線LEDに分類されますが、むしろ広く実用化されている青色LEDと技術基盤が同じであり、また、構造もほぼ同様なものとなっています。これは窒化物半導体のベース材料であるGaNが360nm以下の波長の光を吸収してしまうことに由来します。
UVB-・UVC-LEDでは、より短い波長の光を効率よく発光させるために、LEDの構成・構造を全く変える必要があるのです。UVB-・UVC-LEDは、UVA-LEDとは全く違える紫外線LEDなのです。

なぜ、UVB-・UVC-LEDのような短波長のLEDを開発する必要があるのでしょう?

それは、より波長の短い光が、殺菌、空気浄化、樹脂硬化用の光源や光触媒としての特性を、従来品と比較すると、大幅に向上させる可能性を持っているからです。

日機装は波長が250nmから350nmのLEDに事業特化し、深紫外線LED(DUV-LED: Deep UV-LED)として、新たな応用、新たな可能性に挑戦していきます。

各種LEDと使用材料

  発光波長
(nm)
基板 格子不整緩衝層 発光材料
青色LED 450 サファイア GaN InGaN
UVA-LED 400-350 サファイア GaN InGaN / GaN
UVB-LED 350-280 サファイア AlN AlGaN
UVC-LED 280-250 サファイア AlN AlGaN

UV-LEDは青色LEDと何が違うの?

UV-LEDはGaN、AlNなどの窒化物半導体を使う点、基板としてサファイアを用いている点などにおいて、青色LEDと兄弟のように感じてしまうかもしれません。図に代表的な青色LEDとUV-LEDの構造を示していますが、ちょっと見ただけでは、それほど異なるようには感じないでしょう。
しかし、技術的に細かく見ていくと、UV-LEDは青色LEDとは、かなり異なる技術基盤の上に出来あがっていることがわかります。
ここでは、それをご説明しましょう。

1)格子定数の異なるサファイア基板の上に良質な結晶を作る

青色LED、UV-LEDの発光に必要な結晶材料とサファイア基板とは、結晶の中での原子の間隔である格子定数が大きく異なります。LEDという広いジャンルの中でもこのことは特徴的なことで、この困難を克服して青色LEDを発明し、社会に役立つものとして広めたことが、赤﨑先生、天野先生、中村先生の3人が2014年のノーベル物理学賞受賞につながった理由なのです。
青色LEDでは、これを克服するのに、GaN緩衝層を用いました。天野先生がインタビューの中でも仰っているように、GaN緩衝層を通常よりも低温で結晶成長することで、サファイア基板上でも平坦で、品質のよい結晶を得ることができたのです。天野先生、赤﨑先生が発明されたGaN緩衝層が青色LED実現の大きなブレークスルーとなったわけです。
しかし、残念ながら、UV-LEDでは、この方法は使えません。GaN緩衝層では、発生した紫外線がGaNですべて吸収されてしまうためにLEDにならないからです。
また、紫外線が吸収されないAlNを用いても、低温成長法では同様の効果を得ることができず、ほかの手段を探すしかありませんでした。
日機装は、この点に重点的に技術開発を行いました。成長速度や成長温度による変化を詳細に調べ、ようやく、サファイア基板上に良質のAlN結晶を成長することができるようになったのです。
このようにして、高効率UV-LEDへの道が開けたのです。

2)高効率に光る発光領域を作る

LEDを高効率に発光させる構造として禁制帯幅(バンドギャップ)の小さい材料を大きい材料でサンドイッチにしたダブルヘテロ接合という素子構造が使われます。N型、P型半導体層から注入された電子や正孔(ホール)を発光領域に溜め込み、発光効率を高める構造です。青色LEDに、初めてこの構造を適用したのが中村先生です。
中村先生は、青色LEDの発光領域をInGaNで作り、ダブルヘテロ構造を形成することにより、非常に明るい発光が得られることを見つけました。その後の研究で、発光領域内に不均一に分布する構成材料のIn原子が、電子とホールが再結合して光を発するための核のような働きをするのです。この発明により、青色LEDの発光効率は飛躍的に増大し、蛍光体とともに用いることで照明用途にも使えるほどの明るさが成し遂げられました。
LEDの発光波長は使われる半導体材料の禁制帯幅で決まります。
青色LEDよりも波長の短いUV-LEDを実現しようとすると、発光材料としてInGaNは使えません。InGaNという材料は360nm以上の長波長発光に対応するバンドギャップしか実現できないからです。
UV-LEDでは発光領域にAlGaNという材料を使います。この材料はAlが入るために結晶欠陥を誘発しやすく、また、酸素などの不純物を取り込みやすく、なかなか良質な結晶が得にくい材料なのです。日機装はAlGaNに対しても、結晶成長温度やその他の条件を最適化し、また、装置にも工夫を凝らして、発光効率の高い良質な結晶を実現しました。結晶欠陥の少ない発光領域の実現で、長寿命化と高出力化が同時に達成され、青色LEDにはまだ及びませんが、実用に耐えうるUV-LEDとして、認知されるようになってきました。
日機装は長寿命、高出力の特色を持つUV-LEDをさらに発展させ、さらに広い応用用途への展開を可能にしていきます。

3)発光領域で発生した光を効率よく外部に取り出す。

LEDはN型半導体とP型半導体を突き合わせPN接合を作ることで電流を流すだけで光の発生を実現できる仕組みです。
かつて、青色LEDの主材料であるGaNはN型の特性を示す結晶しか作ることができませんでした。P型GaNの実現には、赤﨑先生の発明が重要です。
赤﨑先生と天野先生は、GaN結晶の中でP型の働きをする不純物が何らかの要因で阻害され、P型にならないのだと気づきました。電子線を当てることでこの阻害要因をなくしP型GaNを実現したのです。これをさらに発展させ、熱処理だけでこの阻害要因を除去できることを示したのが中村先生です。
LEDを作るためには、N型、P型半導体に電極をつけ電気の流れる仕組みを作らなければなりませんが、今でも、接触抵抗の小さいP型電極を実現するには、GaNもしくはそれに準じる禁制帯幅の半導体が必要です。
青色LEDの場合、GaN結晶は青色光を吸収しないので、P型電極を形成するためのコンタクト層としても、発光したLED内部光を外部に取り出すのに悪影響を与えず、自己吸収を気にしないで、効率よく光を取り出すことができます。
しかし、UV-LEDの場合は、残念ながら事情が異なります。発光領域で発生し電極方向に進行した光は、P型GaNコンタクト層で吸収されてしまい、外部に取り出すことはできません。 このことが、現状での青色LEDとUV-LEDの発光効率の違いに現れています。
また、青色LEDは樹脂でモールドされた形で製品となりますが、この樹脂は、LEDチップと空気の中間の屈折率を持ち、チップ表面での反射を少なくし、光の取り出し効率を向上させます。
UV-LEDでは発光する紫外線が樹脂の分子構造を破壊し、変質させてしまうため樹脂モールド構造が実現できず、この点でも、改善の余地があるわけです。
日機装はUV-LEDの可能性を信じ、それを一つ一つ実現してきました。
しかし、まだまだやらねばならないことがたくさんあります。そして、さらに長寿命で高出力なUV-LEDを次々と実現していきます。
様々な用途で、UV-LEDの実用化に挑戦し、社会から水銀などの環境阻害物質をできる限り少なくし、“より安全”、“より安心”“より快適”な人々の暮らし実現に貢献していきます。

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