金属・半導体多層系ファノ共鳴励起による深紫外LEDの輻射場制御

• Project/Area Number: 20H00348
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 29:Applied condensed matter physics and related fields
• Research Institution: National Institute of Information and Communications Technology
• Principal Investigator: 井上 振一郎 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所神戸フロンティア研究センター, 室長 (20391865)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): HAO GUODONG 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所神戸フロンティア研究センター, 主任研究員 (30773866)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥44,460,000 (Direct Cost: ¥34,200,000、Indirect Cost: ¥10,260,000); Fiscal Year 2024: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000); Fiscal Year 2023: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000); Fiscal Year 2022: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000); Fiscal Year 2021: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000); Fiscal Year 2020: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
• Keywords: 深紫外LED / 光取出し構造 / ファノ共鳴 / ナノ周期構造 / ウイルス不活性化

Outline of Research at the Start

深紫外LEDは、ウィルスの殺菌や水銀ランプの代替等において期待され、社会的に高い注目を集めている。しかし、コンタクト層で発生する強い光吸収や自己発熱に伴うドループ現象などによって、世界的に未だ低い外部量子効率、光出力レベルにとどまっている。本研究では、金属電極・半導体コンタクト層をナノ周期構造化し、多層系のファノ共鳴を介した特異な輻射場制御を行うことにより、活性層からの放射パターンを光取出し角度領域（光エスケープコーン）内に収まるように狭域化し、深紫外LEDの吸収損失の問題を解消する。さらに新たな液浸封止構造等を提案することで、真に水銀ランプの代替を可能とする深紫外LEDを実証する。

Outline of Annual Research Achievements

深紫外LEDは、ウイルス不活性化や水銀ランプ代替等において期待されており、社会的に高い注目を集めている。しかし、コンタクト層で発生する強い光吸収や自己発熱に伴うドループ現象などによって、世界的に未だ低い外部量子効率、光出力にとどまっている。本研究では、素子内に電極・コンタクト材料による吸収体が含まれていても、ナノ構造によりLEDの放射角度を狭域に制御することで、シングルパスで深紫外光を素子外部に効果的に取出す手法の創出を目指している。2023年度の研究では、AlGaN系深紫外LEDデバイスの高効率・高出力化に向けた取組みとして、AlGaN/AlNエピタキシャル構造の結晶品質の改善に取組み、原子ステップレベルで急峻な高Al組成Mgドープp-AlGaN/AlNヘテロ構造を形成することにより、AlGaN/AlN界面に高濃度に誘起された2次元ホールガスの観測に成功した。これにより、高Al組成p-AlGaN（Al組成80％）のホール濃度の世界最高値を大幅に更新することに成功した。またさらに、ナノ構造により光の配光角を制御できる深紫外LEDを開発した。ナノオーダーの位相型フレネルゾーンプレート構造とAlGaNマイクロLED構造を組み合わせることで、光照射をビーム形状にコリメートした“高指向性” 深紫外LEDの実験実証に世界で初めて成功した。さらに本技術により、光取出し効率も約1.5倍に向上した。本成果により、深紫外LEDから発する光の無駄な広がりを抑えることで、人体等へのリスクが低減され、照射が必要な空間のみに精密に制御することが可能となる。殺菌から医療、情報通信応用に至るまで、広範な分野において、深紫外光を利用したアプリケーションの安全性、効率性、生産性を飛躍的に高める新技術として期待される。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究実績の概要に記載の通り、当初の研究計画通り、概ね順調に研究は進行している。

Strategy for Future Research Activity

深紫外波長帯（200～300 nm）で発光する深紫外LEDは、光によるウイルスの不活性化や水銀ランプの代替等において期待され、社会的に高い注目を集めている。しかし、電極やコンタクト層材料部で発生する強い光吸収と、素子内の局所的自己発熱に伴う光出力飽和現象（ドループ）という主に2つの本質的な課題のために、世界的に未だ低い外部量子効率、光出力レベルにとどまっている。本研究では、光吸収の要因となっている金属電極・半導体コンタクト層をナノ周期構造化し、多層系のファノ共鳴を介した特異な輻射場制御を行うことにより、活性層からの放射パターンを光取出し角度領域（光エスケープコーン）内に収まるように狭域化し、深紫外LEDの吸収損失の問題を解消する画期的手法の創出を試みる。最終年度である2024年度は、これまで開発した液浸LED封止技術と放射パターン制御技術を組み合わせることにより、高効率化とドループの抑制による高出力化を両立し、従来にない単チップで真に水銀ランプの代替を可能とする性能水準の深紫外LEDを実証する。

Research Products

• [Journal Article] Far-field pattern control and light-extraction enhancement of deep-ultraviolet light-emitting diodes with large-area Fresnel zone plate nano-structures (2023)
  • Author(s): Lingjie Wei, Manabu Taniguchi, Guo-Dong Hao, Shin-ichiro Inoue
  • Journal Title: Journal of Physics D: Applied Physics Volume: Vol.57 No.4 Issue: 4 Pages: 045104-045104
  • DOI: 10.1088/1361-6463/ad056a
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Solar-Blind Optical Wireless Communications over 80 Meters Using a 265-nm High-Power Single-Chip DUV-LED over 500 mW in Sunlight (2023)
  • Author(s): Hiroyuki Kurosawa, Sachiko Tsuzuki, Manabu Taniguchi, Shin-ichiro Inoue
  • Journal Title: IEEE Photonics Journal Volume: Vol.15 No.3 Issue: 3 Pages: 7302605-7302605
  • DOI: 10.1109/jphot.2023.3276176
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A 265-Nanometer High-Power Deep-UV Light-Emitting Diode Rapidly Inactivates SARS-CoV-2 Aerosols (2022)
  • Author(s): Hiroshi Ueki, Mutsumi Ito, Yuri Furusawa, Seiya Yamayoshi, Shin-ichiro Inoue, Yoshihiro Kawaoka
  • Journal Title: mSphere Volume: 7 Issue: 2 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1128/msphere.00941-21
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enhancement of current injection efficiency of AlGaN-based deep-ultraviolet light-emitting diodes by controlling strain relaxation (2020)
  • Author(s): Hao Guo-Dong、Taniguchi Manabu、井上 振一郎
  • Journal Title: Journal of Physics D: Applied Physics Volume: 53 Issue: 50 Pages: 505107-505107
  • DOI: 10.1088/1361-6463/abb5d7
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Ohmic contact formation on p-type Mg-doped Al-rich AlGaN/AlN heterostructures grown on AlN substrates (2024)
  • Author(s): Guo-Dong Hao, Shun Washiyama, Tomonori Matsushita, Shin-ichiro Inoue
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 単結晶AlN基板上高反射AlGaN/AlN系深紫外分布ブラッグ反射鏡 (2024)
  • Author(s): 鷲山 瞬、松下 智紀、井上 振一郎
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Highly collimated light emission of deep-ultraviolet micro-LED array using Fresnel zone plates (2024)
  • Author(s): Lingjie Wei, Shin-ichiro Inoue
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 深紫外領域における波長変換デバイスの進展 (2024)
  • Author(s): 松下 智紀、井上 振一郎
  • Organizer: ワイドギャップ半導体学会 第15回研究会
  • Invited
• [Presentation] Beam collimation and light extraction efficiency enhancement for deep-ultraviolet micro-LEDs with Fresnel zone plate nano-diffraction patterns (2023)
  • Author(s): Lingjie Wei, Shin-ichiro Inoue
  • Organizer: The 14th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-14)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 安全・安心と地球環境の保全に貢献する深紫外光デバイス技術の研究開発 (2023)
  • Author(s): 井上 振一郎
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • Invited
• [Presentation] 深紫外光デバイス技術の研究開発とその応用展開 (2023)
  • Author(s): 井上 振一郎
  • Organizer: OPIE'23（OPTICS & PHOTONICS International Exhibition）光産業技術振興協会主催「光技術動向セミナー」
  • Invited
• [Presentation] AlN単結晶基板上 265nm帯 深紫外LEDの開発と応用 (2023)
  • Author(s): 井上 振一郎
  • Organizer: 日本学術振興会 R032委員会 第10回研究会「AlNおよびAlGaNの結晶成長と深紫外LEDの最前線」
  • Invited
• [Presentation] Experimental demonstration of the three-phase level Fresnel zone plates for deep-ultraviolet light-emitting diodes (2023)
  • Author(s): Lingjie Wei, Shin-ichiro Inoue
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Performance improvement of ohmic contacts on p-type Al-rich AlGaN (2022)
  • Author(s): Guo-Dong Hao, Shun Washiyama, Tomonori Matsushita, Shin-ichiro Inoue
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Efficiency and directivity improvements using multi-phase level Fresnel zone plates for deep-ultraviolet light-emitting diodes (2022)
  • Author(s): Lingjie Wei, Shin-ichiro Inoue
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Control of light emission angle and light extraction efficiency in deep-ultraviolet light-emitting diodes using Fresnel zone plates (2022)
  • Author(s): Lingjie Wei, Shin-ichiro Inoue
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 低抵抗Mgドープp型高Al組成AlGaN成長 (2022)
  • Author(s): 鷲山 瞬、Guo-Dong Hao、松下 智紀、井上 振一郎
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ブラック反射クラッドAlGaN導波路によるUVC領域位相整合SHG の設計 (2022)
  • Author(s): 松下 智紀、井上 振一郎
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Study on efficiency droop behaviors of AlGaN deep-ultraviolet light-emitting diodes with varying MQWs structure (2022)
  • Author(s): Guo-Dong Hao, Shin-ichiro Inoue
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 高出力UVC-LEDの進展と応用への展望 (2021)
  • Author(s): 井上 振一郎
  • Organizer: ワイドギャップ半導体学会（WideG）第4回研究会
  • Invited
• [Presentation] Effect of strain of template on current injection efficiency for AlGaN-based deep-ultraviolet light-emitting diodes (2021)
  • Author(s): Hao GuoDong、井上 振一郎
  • Organizer: 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ウィルス不活性化応用を目指した高強度深紫外LEDの研究開発 (2020)
  • Author(s): 井上 振一郎
  • Organizer: (一般社団法人)大阪大学ナノ理工学人材育成産学コンソーシアム
  • Invited
• [Presentation] The Challenges and Prospects of AlGaN Deep-ultraviolet Light-emitting Diodes (2020)
  • Author(s): Hao GuoDong、井上 振一郎
  • Organizer: Young Scientist forum for celebrating the 60th Anniversary of the Institute of Semiconductor, Chinese Academy of Sciences
• [Remarks] 世界初、光の配光角を制御できる深紫外LEDの開発に成功
  • URL: https://www.nict.go.jp/press/2023/11/01-1.html
• [Remarks] 深紫外LEDを活用した日中・屋外かつ“見通し外”環境下での光無線通信実証に成功
  • URL: https://www.nict.go.jp/press/2023/06/01-1.html
• [Remarks] 世界初、ワット級高出力動作の深紫外LED小型ハンディ照射機の開発に成功
  • URL: https://www.nict.go.jp/press/2022/10/27-1.html
• [Remarks] 高出力深紫外LED（265nm帯）によりエアロゾル中の新型コロナウイルスの高速不活性化に成功
  • URL: https://www.nict.go.jp/press/2022/03/18-1.html