NEDO 若手研究グラント平成21年度採択テーマから産学連携のための研究紹介

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光取出し効率を飛躍的に高めることができるLEDの新構造

AlGaInP系の化合物半導体材料表面に特定の形状のリッジ構造を構成したLEDで光の取出し効率を飛躍的に高めることができます。さらにこれをGaN系に応用し青色や緑色のLEDの実現を目指す研究も進められています。

研究機関・所属 産業技術総合研究所 ナノシステム研究部門
氏名・職名 王学論 主任研究員
研究テーマ名 革新的な光取出し技術を利用したAlGaInP高効率発光ダイオード
応用想定分野 照明機器、液晶パネルのバックライト、交通信号機、植物工場、大型画像表示装置など
技術概要

 本研究はAlGaInP系の化合物半導体による高効率の赤・黄色発光ダイオードの実現を目指しています。
 この研究に先行して、AlGaAs系の化合物半導体材料表面にある形状のリッジ構造を構成することで光の取出し効率が高まり、化合物半導体と空気との界面にSiO2薄膜を付けることで更に光の取出し効率が飛躍的に高まることが既に発見されています。
 この光取出し効率が飛躍的に高まる理由として、ある形状のリッジ構造を構成することでエバネッセント光が二重干渉現象を起こしていることも解明済みで、フォトルミネセンス法での評価では50%の光取出し効率を実現しています。

 AlGaAs系での構造模式図(左)とエバネッセント光の二重干渉現象を電磁波強度シミュレーションによって得た結果(右)を下の図に示します(1)。右の図では、発光層で発光した光がリッジ構造の頂上の平坦面から効率よく外部に取り出されている様子が分かります。

  • (左)構造模式図、(右)エバネッセント光の二重干渉現象による電磁波強度シミュレーション結果

 今回の研究では、既にAlGaAs系の化合物半導体材料において得た知見をAlGaInP系の化合物半導体に応用し、高効率の赤・黄色発光ダイオードを実現するものです。
 さらに、同様の構造をGaN系の化合物半導体に応用し、青色や緑色の発光ダイオードの実現を目指す研究も進められています。

技術の特徴
 現在市販されている赤・黄色LEDにおいて光の取出し効率を向上させるために、 (i)チップを機械的方法で逆角錐に加工したり、(ii)チップ表面に意図的に微小ラフネスを形成する等の技術が使われていますが、今回のこの技術を使用すれば非常に簡単な構造で光の取出し効率を高めることが可能となります。
 さらに今回のAlGaInP系の赤・黄色LEDだけでなく、青色や緑色の発光ダイオードを実現できるGaN系の化合物半導体にも応用できるので、将来的な発展が非常に期待できる技術です。
従来技術との比較
特許出願状況
・国際出願:1件(PCT/JP2010/051813「半導体発光ダイオード」)
・国内出願:3件(特開2007-214558「V−X族化合物半導体発光ダイオード」、特開2009-59851「半導体発光ダイオード」、出願済/未公開1件)
研究者からのメッセージ

 この研究は、非常に簡単な構造で光の取出し効率を飛躍的に高めることができ、しかも既に結果が出たAlGaAs系や今回のAlGaInP系の赤・黄色LEDだけではなく、青色や緑色の発光ダイオードを実現できるGaN系の化合物半導体にも直ぐに応用できると考えてします。たいへん応用性に富んだ研究ですので、共同研究に参加して頂けることを願っています。

参考:

(1)
http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2010/pr20100318/pr20100318.html
「半導体内部の発光を世界最高効率で外部へ取り出すことに成功 −低コストで発光ダイオードの超高効率化が期待できる−」
(2)
http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2009/pr20090303/pr20090303.html
「半導体中で発生した光を高効率で外部へ取り出す方法を発見 −発光ダイオードなどの半導体光デバイスの高効率化に期待−」
(3)
http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=43360
"For better LEDs, two V’s could mean victory," Photonics Spectra, 08/01/2010.

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