Embed Size (px)
Citation preview
期待される殺菌用・深紫外 LED永松 謙太郎 1，安井 武史 1，平山 秀樹 2，1 1徳島大学，2理化学研究所
１. はじめに
“深紫外 LED（ Light-Emitting Diode）”は，小型コンパ
クトで高出力な紫外光源であり，殺菌用途として今後普及
することが期待されている．今般，“新型コロナウイルス”
感染の世界的な拡大に直面し，携帯可能な“殺菌用・深紫
外 LED”の重要性が高まってきている．
アルコール消毒と比べ，光（紫外線(Ultraviolet: UV)）
による殺菌は，複雑形状な物の表面全体を，光を当てるだ
けで“簡易に”“くまなく”殺菌することができ，また薬品
による変質や劣化もない点で，有用である．市販されてい
る深紫外 LED の強度で，数秒～数十秒程度の照射で，十分
な殺菌・滅菌効果がある．人命を守るための身近な殺菌が
急務となっている現在，懐中電灯のように持ち歩ける“殺
菌灯”は，非常に有用なアイテムといえる．世界経済の維
持を考え，ポストコロナ時代のウイルス撲滅を目標とした
社会の運営を考え，“深紫外 LED”による殺菌を今新たに考
える時期である．
２. 深紫外 LED とは，特徴，応用分野と現状
“深紫外 LED”は，従来の殺菌灯（水銀ランプ）やプラ
ズマ光源と比較し，複雑な構造を必要とせず堅固な構造で
壊れにくく，また，高圧電源を必要とせず電池で駆動でき，
耐久性・安全性に優れている．水銀やハロゲンガスなどの
危険物質を含まない紫外光源で，環境への負荷が少ない．
図１に，紫外光の分類と深紫外 LED の実現波長領域を示
す．紫外の波長域は，UV-C（ 100～ 280 nm）， UV-B（ 280～
315 nm）， UV-A（ 315～ 400 nm），に分類される．人体・生
命への影響を考えた場合，UV-A は日焼けを起こす紫外線，
UV-B は皮膚がんや白内障を引き起こすより危険な紫外線，
UV-C は DNA を直接破壊し生命に大きな害を与える紫外線
である．UV-C の紫外線は，樹脂や金属など多くの物質に吸
収され，光化学反応性が非常に高い．280 nm よりも短い
UV-C の紫外線は，上空のオゾン層で吸収され自然には存
在しないが，LED で人工的に発生させることができる．窒
化アルミニウムガリウム（AlGaN）系半導体を用いること
により，波長が 210～ 350 nm の紫外 LED がすでに実現され
ており 1～ 4），特に，殺菌用途の 265～ 280 nm の深紫外 LED
は，現在，市販されている．
図１ 紫外光の分類と AlGaN 系深紫外 LED の実現波長領域．
図２に，深紫外 LED の応用分野を示す 4)．波長が 265 nm
付近の UV-C の紫外線は殺菌効果が高く，殺菌，浄水，空
気浄化への応用に用いられる．殺菌波長の UV-C-LED は、
今後の大きな市場が予測されている。ちなみに波長が 310
nm 付近の UV-B の紫外線は，皮膚治療などの医療や農作物
の病害防止への応用に用いられる．また，波長が 350～ 400
nm の UV-A の紫外線は，UV 樹脂硬化・加工，UV 接着，速乾
印刷・塗装，コーティングなどに有用である．
図２ 深紫外 LED の応用分野．
AlGaN は，バンドギャップエネルギーが 6.02 eV（ AlN）
～ 3.4 eV(GaN)で変化し，206 nm（ AlN）～ 360 nm（ GaN）
の広い紫外波長領域で発光する半導体である．AlGaN 系材
特別 WEB
コラム
特別WEBコラム『新型コロナウイルス禍に学ぶ応用物理』
1 公益社団法人 応用物理学会
料は，高効率発光（効率＞80 %）が可能であり，また，結
晶が硬く深紫外 LED の素子寿命は 1～3 年が可能である．
これらの特徴から，AlGaN 系半導体を用いて幅広い波長帯
の深紫外 LED が実現されている 6,7)． AlGaN 系深紫外 LED
の波長領域は，エキシマレーザー・ランプ，低圧水銀ラン
プ（殺菌灯），窒素レーザー，Ar-SHG（２倍高調波）レーザ
ーなどの，紫外ガス・固体光源の波長域をカバーするため，
これらの紫外光源の置き換えとなることが期待されてい
る．
３．深紫外 LED の開発の経緯と進展
1990 年初頭から開発された青色 LED は，現在では照明用
途として広く普及し，その当初の研究開発により３氏がノ
ーベル物理学賞を受賞した．深紫外 LED は，青色 LED に続
いて，1990 年代の後半頃開発が始められた．青色 LED は
窒化ガリウム（GaN）結晶上に作製されるのに対し，深紫
外 LED は窒化アルミニウム（AlN）結晶上に作製され，よ
り高温で結晶成長を行うため，結晶成長の難易度は深紫外
LED のほうが高い．これまで，AlN 結晶の高品質化ととも
に深紫外発光の高効率化が実現され，深紫外 LED の短波長
化と高効率化の開発が行われてきた．2002 年頃，280 nm
の UVCLED が初めて実現され，2006 年頃に，国内でも AlN
結晶の高品質化が行われ，220～ 350 nm の幅広い波長の深
紫外 LED が実現された 6,7)．その後，深紫外 LED のさらな
る高効率・高出力化が進展している．
図３に，AlGaN 系深紫外 LED の代表的な構造とその動作
スペクトルを示す 7)．構造は，サファイア基板上に製膜し
た AlN バッファ層，n 型 AlGaN バッファ層，AlGaN 量子井
戸発光層，p 型 AlGaN 電子ブロック層，p 型 GaN コンタク
ト層からなる．各 AlGaN 層の Al 混晶組成比を変化させる
ことで幅広い波長の発光が可能で，図３の例では，222～
351 nm でシングルピーク動作が得られている．
深紫外 LED の外部量子効率は，内部量子効率，電子注入
効率，及び光取り出し効率の積で表される 1)．また，電気
から光への電力変換効率は，外部量子効率と電圧効率の積
で表される．内部量子効率は，発光層において電子が光子
に変換される割合であり，結晶の転位密度を低減すること
で高効率化が可能である．
図３ AlGaN 系深紫外 LED の (a)構造と， (b)動作スペクトル．
図４ (a)に，AlGaN 量子井戸発光層の内部量子効率と AlN
バッファの貫通転位密度の関係を示す 8)．サファイア基板
上に製膜した AlN 結晶は，1400 ℃程度の高温成長，材料
のパルス供給成長 6)，高温アニール 9)などを行うことで，
高品質化され，おおむね 2×108～ 1×109 cm-2 の貫通転移
密度まで低減されている．サファイア基板上に作製した
AlGaN 量子井戸発光層の内部量子効率は，最高値で 75 %程
度が観測されている．
図４ (b)に，フォトルミネセンス法を用いて測定した深
紫外 AlGaN 量子井戸の内部量子効率を示す 10)．図４(b)の
観測例では，室温における最高の内部量子効率は 54 %で
あった．最近では，室温における内部量子効率は 70 %程度
が得られるようになり，殺菌用 UVCLED の市販が可能とな
ってきた．今後も，AlGaN 深紫外発光の内部量子効率を向
上させることは重要な課題であり，徳島大学のポスト LED
（ pLED）プロジェクトでも，深紫外 LED の内部量子効率と
素子寿命を改善するため，AlN 結晶の高品質化の研究を進
めている．
図４ AlGaN 量子井戸発光層の内部量子効率と貫通転位密度の関
係，内部量子効率の観測例．
図５に，これまでに市販された殺菌用 UV-C-LED を示す．
いくつかの企業によって 265～ 280 nm の UV-C-LED が商品
化され，その出力や効率は向上している．これまでにシン
グルチップで 50～ 100 mW の UV-C-LED が実現され，電力変
換効率（WPE）は 3.3～ 4.5 %が実現されている．家庭用浄
水器（流量が 2 L/分）で殺菌に必要とされる出力は 100 mW
程度であるため，これらの LED を 1～ 2 個搭載して市販化
が可能である．
図５ これまでに市販された殺菌用 UV-C-LED の出力．
特別WEBコラム『新型コロナウイルス禍に学ぶ応用物理』
2 公益社団法人 応用物理学会
４．今後の高効率・高出力化の展望
深紫外 LED の効率は，いまだ青色 LED に比べて低いため，
その高効率・高出力化が今後の課題となっている．これま
での開発で，上述の内部量子効率と電子注入効率は大分改
善されてきた．今後は，光取り出し効率を向上することに
よりその高効率化が期待されている．
深紫外 LED では本来，紫外に透明な p 型 AlGaN コンタク
ト層を用いるべきであるが，p 型 AlGaN はホール濃度が低
いため電極電圧の上昇を招く．そのため，ホール濃度の高
い p 型 GaN コンタクト層が用いられているが、光取り出し
効率は，p 型 GaN コンタクト層による紫外光の吸収により
低下している．そこで最近，光取り出し効率を向上させる
試みが行われている．
深紫外 LED の光取り出し効率は、LED の母体材料と空気
の間の屈折率差により、深紫外光が LED 内部で全反射を繰
り返すうちに吸収され減衰し、大幅に低下する。光取り出
し効率を向上させるには、素子内部での光吸収を低減する
ことや、レンズを接合し光を全反射させることなく外に取
り出す方法、高反射パッケージに実装すること、などが有
効である。
図６に，UV-C-LED における光取り出し効率の向上の例
を示す 11,1 2 )．図６では，従来の UV-C-LED 構造（図３(a)参
照）に，透明 p 型コンタクト層，反射電極，加工サファイ
ア基板，および，レンズ状樹脂モールドを導入して，光取
り出し効率向上を図った．その結果，従来の構造に対し５
倍の光取り出し効率の向上が観測され，外部量子効率の世
界最高値である 20.3 %が得られた 12）．このほかにも，深
紫外 LED の p 型 -GaN コンタクト層に，反射型のフォトニ
ック結晶を形成し，光取り出し効率を向上させる試みも報
告されている 13,1 4 )．今後は，低電圧駆動で高い光取り出し
効率を可能にすることで，ワットクラスの高出力・深紫外
LED の実現が期待されている
図６ 光取り出し効率の向上を達成した UV-C-LED の外観と出力
の向上．
図７に，報告されている深紫外 LED の外部量子効率を示
す 13)．深紫外 LED の開発競争は多くの企業が参画し，殺
菌波長を中心に，現在非常に活発に行われている．殺菌に
用いられる 260～ 280 nm の UV-C-LED は高効率化が進み，
外部量子効率 10～ 20 %が報告されている．一方，波長が
240 nm よりも短い領域，および UV-B の領域では，効率は
いまだに低く課題となっている．今後，深紫外 LED は，上
述の光取り出し効率の向上とともに，高効率・高出力化が
進むと考えられ，ポストコロナ時代の殺菌用光源として広
く普及していくものと期待される．
図７ 報告されている深紫外 LED の外部量子効率．
文 献 1) 平山秀樹，藤川紗千恵，塚田悠介，鎌田憲彦: 応用物理 80, 319 (2011). 2) 平山秀樹: オプトロニクス 19，145 (2000). 3) H. Hirayama: J. Appl. Phys. 97, 091101 (2005). 4) M. Kneissl and J. Rass eds.: III-Nitride Ultraviolet Emitters, p.4, Springer (2016). 5) 日経エレクトロニクス 2017 年 9 月 20 日号, p. 54 (2017). 6) H. Hirayama, T. Yatabe, N. Noguchi, T. Ohashi, and N. Kamata : Appl. Phys. Lett.
91, 071901(2007). 7) H. Hirayama, N. Noguchi, S. Fujikawa, J. Norimatsu, T. Takano, K. Tsubaki, and
N. Kamata: Phys. Stat. Sol. (a) 206, 1176 (2009). 8) K. Ban, J. Yamamoto, K. Takeda, K. Ide, M. Iwaya, T. Takeuchi, S. Kamiyama,
I. Akasaki, and H. Amano: Appl. Phys. Express 4, 052101 (2011). 9) K. Nagamatsu, X. Liu, K. Uesugi, and H. Miyake: Jpn. J. Appl. Phys. 58,
SCCC07, (2019). 10) T. Kohno, Y. Sudo, M. Yamauchi, K. Mitsui, H. Kudo, H. Okagawa, and Y.
Yamada: Jpn. J. Appl. Phys. 51, 072102 (2012). 11) H. Hirayama, N. Maeda, S. Fujikawa, S. Toyota, and N. Kamata: Jpn. J. Appl.
Phys. 53, 100209 (2014). 12) T. Takano, T. Mino, J. Sakai, N. Noguchi, K. Tsubaki, and H. Hirayama: Appl.
Phys. Express 10, 031002 (2017). 13) M. Kneissl, T.Y. Seong, J. Han, and H. Amano: Nat. Photon. 13, 233 (2019). 14) Y. Kashima, N. Maeda, E. Matsuura, M. Jo, T. Iwai, T. Morita, M. Kokubo, T.
Tashiro, R. Kamimura, Y. Osada, H. Takagi, and H. Hirayama: Appl. Phys. Express 11, 012101 (2018).
15) H. Hirayama: Chapter 7, Light-Emitting Diode: An Outlook On the Empirical Features and Its Recent Technological Advancements, J. Thirumalai ed., p.127 (IntechOpen, 2018).
脱稿日 2020 年 8月 14日
特別WEBコラム『新型コロナウイルス禍に学ぶ応用物理』
3 公益社団法人 応用物理学会
永松 謙太郎（ながまつ けんたろう） 2010 年名城大学博士（工学）. 同年４月パナソニック株
式会社半導体デバイス研究センター入所．15 年名古屋
大学研究員．18 年三重大学特任助教を経て，19 年徳島
大学ポスト LED フォトニクス研究所特任准教授．現在は
同研究所准教授．
安井 武史（やすい たけし） 1997 年徳島大学博士（工学），13 年奈良県立医科大学
博士（医学）. 通商産業省工業技術院計量研究所博士
研究員，大阪大学大学院基礎工学研究科助手を経て，
10 年徳島大学大学院ソシオテクノサイエンス研究部教
授．16 年徳島大学副理事（研究担当），19 年 3 月ポスト
LED フォトニクス研究所設置とともに所長に就任．
平山 秀樹（ひらやま ひでき） 1994 年東京工業大学・電子物理工学専攻・工学博士，
同年，理化学研究所入所，現在に至る．05 年テラヘルツ
量子素子チーム・チームリーダー，12 年平山量子光素
子研究室主任研究員，東京理科大学客員教授，埼玉大
学連携教授，徳島大学招聘教授．主に，未開拓波長半
導体光デバイスの研究に従事（AlN 系半導体の結晶成
長と深紫外 LED，LD の開発，THz 量子カスケードレーザ
の開発）．現在，応用物理学会理事・JJAP/APEX 論文
誌・副編集長，NPO 法人日本フォトニクス協議会理事，
NPO 法人皮膚光線治療の会理事．
特別WEBコラム『新型コロナウイルス禍に学ぶ応用物理』
4 公益社団法人 応用物理学会
