【本学研究者情報】

〇多元物質科学研究所　教授　秩父重英
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【発表のポイント】

• 消毒?殺菌に有効な、窒化アルミニウムガリウム^（注１）を用いる深紫外線^（注２）発光ダイオード（LED）^（注３）の光出力が使用開始後数十時間で20~40%も減少してしまう「初期劣化」のメカニズムを解明しました。
• 主原因はLEDの物理的な劣化ではなく、電子ブロック層^（注４）中の空孔型点欠陥^（注５）をかさぶたのように塞いでいた水素が分離するためだと特定しました。
• 省エネルギーかつ長寿命な深紫外線LEDの実現へ道筋を示すと期待されます。

【概要】

波長280ナノメートル（nm）以下の深紫外線（DUV光、UV-C光）には、殺菌?消毒による水?空気?表面の浄化や各種物質?反応過程の光励起などへの応用の道が広がっており、消費電力が高い水銀灯タイプの殺菌灯を低消費電力のLEDに変えることにより大幅なCO2削減効果が期待できます。窒化アルミニウムガリウム（AlGaN）を発光層とする波長260~280 nmのLED（DUV LED）は多くのメーカーから市販されています。しかし、使用開始から数十時間で光出力が20~40%も減少することが課題となっています。

東北大学多元物質科学研究所の秩父重英教授と嶋紘平准教授は、豊田合成株式会社ライフソリューション事業本部、名城大学理工学部との共同研究において、DUV LEDの初期劣化の原因を明らかにしました。すなわち初期劣化の原因はLEDの物理的な劣化ではなく、結晶成長時にAlGaN電子ブロック層中に取り込まれた水素（H）により不活性化されていた「空孔型点欠陥クラスター」が、LED駆動中の電界によってHが引き剥がされることにより活性化し、電流損失を引き起こすためである事を明らかにしました（かさぶたで出血の止まっていた傷からかさぶたが取れて出血するイメージ）。従って、元々傷が少ない結晶成長を行う、かさぶたが取れないようにする等の工夫により、DUV LEDの長寿命化?高信頼性化が期待できます。

本成果は、応用物理学分野の専門誌Applied Physics LettersのDUV光源特集号招待論文として2023年5月17日付で掲載されました。加えて、環境省「革新的な省CO₂型感染症対策技術等の実用化加速のための実証事業」の令和4年度成果報告書にも掲載される予定です。

【用語解説】

注1. 窒化アルミニウムガリウム(AlGaN) ：
窒化アルミニウム（AlN）と窒化ガリウム（GaN）の中間的性質をもつ、いわゆる混晶と呼ばれる中間化合物。組成に応じて波長210 nmから365 nmの紫外線を発することが可能。なお、GaNと窒化インジウム（InN）の混晶は高効率青色LEDの発光層として用いられ、黄色蛍光体と組み合わせた高輝度?省エネルギー白色光源の実現に貢献し、2014年ノーベル物理学賞の対象となった。

注2. 深紫外線（DUV光）：
波長がおよそ200 nmから300 nmの範囲の光（明確な区切りはない）。特に波長280 nm以下のDUV光はUV-C光とも呼ばれる。

注3. 発光ダイオード（LED）：
p型およびn型（電気伝導がそれぞれ電子および正孔（価電子の一部が欠落したもの）により担われる）半導体の接合に順電圧を印加し、接合付近に注入された電子および正孔の再結合に伴う光の放出を目的とした素子。

注4. 電子ブロック層：
LEDの発光層とp型層の間に挿入され、n型層から注入された電子がp型層側にオーバーフローするのを防ぎ、発光層への電子注入効率を高めるための層。

注5. 空孔型点欠陥：
結晶において本来存在すべき原子が欠けて空位となっている格子点。AlGaNの場合はAlないしはGaの空孔とN空孔の集合体（クラスター）を形成。

詳細（プレスリリース本文）

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東北大学多元物質科学研究所
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TEL：022-217-5363
E-mail：chichibu*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

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