特集：開かれた研究所を目指す新センター 2ナノ光構造技術による深紫外 LED の高性能化と実用化開発

深紫外 LED により安心・安全で持続可能な社会を実現する

はじめに：深紫外（DUV）小型光源の開発必要性
紫 外（Ultraviolet: UV）光 よ り も、
さ ら に 短 い 波 長（200～ 300 nm）
で あ る 深 紫 外（Deep Ultraviolet:DUV）光 は、 高 密 度 光 情 報 記 録 や、細菌やウィルスの殺菌、飲料水・空

今年 8 月 1 日より「深紫外光 ICT デバイス先端開発セン

気の浄化、バイオセンシング、生体・ター」が発足しました。水銀フリーかつ小型・高効率、材料分析、光リソグラフィー、半導長寿 命な、これまでにない深 紫外固 体光源や深 紫外体生産工程、生鮮食品の安全流通、ICT デバイスを開発することで、ウィルスの殺菌、水や空院内感染予防、光線医学治療など、気の浄化といった生活・社会インフラ、巨大ビジネスへ情報通信から安全衛生、環境、家電、の技術革新や、安心・安全で持続可能な社会づくりへの半導体産業、医療に至るまで、極め貢献を目指す、本センターの取り組みを紹介します。て幅広い分野でその重要性を増しており、今日の社会を支える重要な基盤となりつつあります（図 1）。

深紫外光ICTデバイス
先端開発センター
センター長

井上振一郎
Shin-ichiro Inoue

博士
（工学）
略歴

2004 年、東京工業大学大学院博士課程修了。同年、理化学研究所 基礎科学特別研究員、2007年 、九州大学 先導物質化学研究所 助教を経て、2010 年
NICT未 来 ICT 研 究 所 に入 所、主任 研 究 員を 経て、（連携講座）、現 職。神戸大学 工学 研 究 科 准 教 授
理化学研究所 客員研究員、およびJSTさきがけ研究者を兼任。船井情報科学奨励賞、安藤博記念学術奨励賞、光科学技術研究振興財団研究表彰など受賞。

研究分野
ナノ光エレクトロニクス
近況
センターの研 究 環 境 立ち上げに奮闘中です。ジョギングや週末に子供3人と触れ合う時間でリフレッ
シュをはかっています。

8KARC FRONT vol.30 2014 AUTUMN

深紫外光の中でも、特に UVC 領域として分類される 280nm 以下の光は、オゾン層で全て吸収されるため、280nm 以下の太陽光は地球上には降り注がず、ソーラーブラインド領域と呼ばれています。そのため、この波長領域の小型光源が開発されれば、通信や医療など従来にない新しい技術革新が期待されます。例えば、生物の DNA は自然界には存在しない 280nm 以下の光を浴びると破壊されてしまいます。この特性により、深紫外光を使えば、塩素などの有害な薬剤を用いずに、細菌やウィルスなどを効果的に殺菌・無害

図 1 深紫外光の多様な応用可能性とその社会的価値化できます。特に、265nm 付近の波長は、DNA の吸収ピークと重な半導体固体光源への置き換えが強く年以降、水銀を含む製品の輸出入がるため、応用上、最も重要なターゲッ切望されています。

原則禁止される見込みとなり、既存

また近年、強毒性ウィルスの蔓延の水銀ランプの代替光源として、深従来、それらの深紫外光源として、 （パンデミック）や生物テロ、院内紫外半導体固体光源の実用化が強く主に水銀ランプやエキシマレーザー感染など、有毒ウィルスの世界的拡期待されています。このような背景などのガス光源が使用されてきまし散の脅威が急速に増しており、さらから、水銀やフッ素、そして殺菌用た。しかし、ガス光源は、ガス種にには、食品・流通における細菌汚染の有害な薬剤といった人体・環境により使える波長が限定されてしまうの不安が国民に広がるなど、より身有害な物質の削減・廃絶に向けて国だけでなく、素子寿命が短く、さら近で小型・効率的な殺菌デバイスの際的な取り組みが加速しており、低には光源のサイズ、コスト、消費電創出実現がますます期待されていま

環境負荷で高効率・長寿命な深紫外力量も大きいことから、その利用範す。

発光ダイオード（LED）の実用化が強ト波長の１つとなります。

囲は制限され、小型・低コスト・低さらに昨 2013 年 10 月に「水銀に消費電力で波長を自由に選択できる関する水俣条約」が採択され、2020く望まれています（図 2）。
深紫外 LED の技術的な進展と課題
直接遷移型の窒化物半導体
AlGaN は、AlN と GaN の 混 晶 組成比を変えることで、その発光波
長 を DUV 領 域 の ほ ぼ 全 域（210～365nm）で連続的に変えることが可 能 で す。 こ の た め、 深 紫 外 LED

図 2：既存の深紫外光源に対する深紫外 LED のインパクト、および CAN パッケージング化した
DUV-LED デバイスを実現するために最も適した材料であり、世界的に数多くの研究機関・9図 3：AlGaN 系深紫外 LED の素子構造(a) 深紫外 LED の技術的な課題（高密度な結晶欠陥、極めて低い光取出し効率の問題）を表す模式図と、(b) ナノ光構造を用いた光取出し構造の模式図と走査電子顕微鏡（SEM）写真、および (c) ナノインプリント法による DUVLED ナノ微細パターニング技術の開発

光取出しの問題が主因となり、これまで極めて低い外部量子効率、出力パワーしか得られていませんでした。
逆にいえば、DUV-LED の効率向上に関して、96% もの部分が光取出し効率の向上の如何にかかっているといえます。またこの効率の問題を改善できれば、熱エネルギーに変換される割合も減少するため、出力パ企業が AlGaN 系 DUV-LED の開発をする従来の手法に対し、素子寿命やワーはもちろん素子寿命や信頼性に

進 め て い ま す。AlGaN 系 DUV-LED

デバイス信頼性などにおいて高い優ついても大きく改善されることは言では、これまで一般的にサファイ位性を有しています。

うまでもありません。

ア（Al2 O3）基板が用いられてきましここで現在、DUV-LED の効率向た。 し か し LED を 形 成 す る AlGaN

上を阻害している残された最大の課

ナノ光構造を駆使した層とサファイア基板との格子定数題は、極めて低い光取出し効率の問

深紫外 LED の高性能化差（>13%）は 非 常 に 大 き く、 さ ら題です。これは透明な電極を形成す

深紫外 LED の性能向上においてに熱膨張係数差も大きいことからることが困難であるという、発光最大の課題となる光取出し効率の向以上という高密度な結エネルギーの高い DUV-LED 特有の上について、現在私たちは AlN 基板晶欠陥（転位）が活性層内で発生し問題であり、p 型 GaN コンタクト層表面（光取出し面）に独自のナノ光てしまいます（図 3(a)）
。この結果、での内部吸収や基板界面・表面での構造を付加し、世界最高の向上率を極めて低い内部発光効率や短い素子全反射などによって、光を外部に取達成しています。発光波長オーダー寿命しか得られないという課題があり出すことが難しく、活性層で発光の 周 期 凹 凸 構 造（ フ ォ ト ニ ッ ク 結りました。しかし近年、格子不整合

した光の大部分が熱エネルギーに変晶）に加えて、それより十分に小さを緩和するバッファー層技術や AlN換されてしまうことがその原因です

な微細凹凸構造を組み合わせた全く単結晶基板の開発といった研究進展（図 3(a)）。特に、単結晶 AlN 基板で新たな光取出し構造を発案・創製すにより、この問題は改善しつつありはサファイアなどと比較し、屈折率ることにより、AlN 基板表面での全ます。特に私たち NICT では、株式が大きく（n=2.29 @265nm）、臨界反射抑制を実現しました（図 3(b)）
。

会社トクヤマとの共同研究により、角が小さくなり（25.9°）、極めて本構造は、光取出し効率の向上だけ

単結晶 AlN 基板を用いた深紫外 LED

わずかな光しか外部に取り出すことでなく、素子間の光出力均一性、作について研究開発を進めています。

ができません。3 次元時間領域有限製コスト、歩留まりの向上などにもAlN 基 板 上 DUV-LED で は、 格 子 定

差分（3D-FDTD）法による理論計算配慮した高機能構造であり、AlN 基数差や熱膨張係数差がほとんどなく、の結果、p 型 GaN 層の吸収なども考

板 DUV-LED に対するナノ微細加工

106cm − 2 以下という圧倒的な結晶

慮すると、AlN 基板のフラット表面技術を確立することで、極めて高精欠陥の低減（低転位化）を DUV-LED（光取出し面）側から取り出せる光度・高均一なナノ光構造加工に成功

素子内で実現できることから、サの取出し効率は、約 4％と極めて低しています（図 3(b)）。本構造を備

ファイア基板などの異種基板を利用い値となります。結果として、このえた深紫外 LED の光出力は、この810 cm

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特集：開かれた研究所を目指す新センター 2
図 4：(a) DUV-LED を 評 価 す る た め に 構 築
したシステム、(b) ナノ光取出し構造による
DUV-LED の出力性能の向上結果および (c)各印加電流に対する発光スペクトル特性

ナノ微細加工をしていない素子未加工サンプルと比較した結果、光出力比として 1.7 倍以上と大幅に増大しました（図 4）。また、素子間の光出力比の標準偏差は 0.03 以下であり、

政 法 人 科 学 技 術 振 興 機 構（JST）のは、ナノ光構造技術を駆使した光取実用化に不可欠な素子間の光出力比研究成果展開事業 A-STEP（産学共

出し効率のさらなる向上、100mWのバラつきについても高度に抑制す同促進ステージ（ステージⅡ）シー

～数 W クラスの DUV-LED 実現に向ることに成功しています。実際にトズ育成タイプ）に採択されており、け取り組んでいくと共に、ナノイン

クヤマとの共同で発光波長 265 nm

JST からの助成・支援も受けつつ産プリント技術など素子の量産・低コの深紫外 LED を試作し、30mW 以官連携（NICT、トクヤマ、東京農工スト化技術についても確立していき上の光出力値を達成しています。さ大学ほか）による DUV-LED の実用ます。

らに寿命試験において、265 nm で化開発を本格的に展開します。新セ

さらに本センターでは、深紫外発光する DUV-LED 素子が 6,000 時ンターの発足に伴い未来 ICT 研究所

LED の高性能化、低コスト化への取間以上 (150 mA 駆動時 ) の素子寿命

内の深紫外光 ICT デバイスに関するり組みだけでなく、パッケージングが得られることを確認しています。

研究開発体制を、小規模でも組織的技術も含めた総合的な DUV 光制御

本成果は、深紫外 LED の性能、信な開発体制に整備し直すことで、い技術についても開発を進めていきま

頼性の向上、および実用化に向けてち早く競争力のある技術を確立し、す（図 2 参照）。深紫外光は、LED だ

今後大きな進展をもたらすと期待さ実用化フェーズへの移行を加速させけでなくレーザーダイオード（LD）れます。ていきます。

やフォトダイオード（PD）応用も含めれば、ソーラーブラインドな特徴

新センターの研究開発体制

今後の戦略展開を活かした情報通信や火炎センサー、本センターでは、光取出し効率を従来にない高効率な DUV 小型光災害早期発見システムなど、深紫外大幅に向上させる NICT 独自の最先源の開発が実現されれば、社会的な特有のこれまでにない DUV-ICT デ端技術の活用や外部連携（企業・大要望の高まり、巨大な市場潜在力かバイスへの展開も可能です。新たな学など）の取り組みによって、本分ら新たな産業が創出されることは間DUV 光制御技術の開発により、小野が抱える課題を解決し、従来技術違いなく、今後も世界中の研究機型・ポータブルなウィルス殺菌シスでは実現不可能であった小型、高関・企業が各々の特徴を打ち出しなテムやポイントオブケア型の医療診効率、長寿命な深紫外 LED、深紫外がら開発競争を繰り広げていくこと断・分析など、安全衛生や医療におICT デバイスを開発することを目指が予測されます。私たちは、DUVける新たな貢献、市場創出も期待します。

光に対して透明な単結晶 AlN 基板上されます。本センターでは、水銀フまた要素技術開発や素子性能の高の深紫外 LED の性能向上において、リーかつ小型・高効率、長寿命な深性能化だけでなく、高スループッ光取出し効率の劇的な向上技術や光紫外固体光源システムを実現するこト・低コストな作製プロセスの確立

出力比のバラつき抑制技術を有するとで、これまでになかった様々な新といった実用化にマッチした素子作世界で唯一のグループです。サファ

しい DUV アプリケーションの開発製技術の開発も行い、実用化を見据イア基板や昇華法 AlN 基板を用いた可能性を広げ、安全・安心でクリーえた民間企業への技術移転、社会還他の競合技術に対し、素子の高パンな生活環境、持続可能な活気ある元活動にも積極的に取り組みます。

ワー化や長寿命化において強力な優社会の構築に貢献することを目指し

また昨 2013 年 12 月より、独立行位性を有しています。この先私たちていきます。

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