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» 2017年03月01日 15時30分 UPDATE

水銀ランプに迫る効率:理研、深紫外LEDの効率を従来比5倍に向上

理化学研究所(理研)は、殺菌用深紫外LEDの効率を、従来に比べて約5倍に高めることに成功した。殺菌灯に用いられている現行の低圧水銀ランプに迫る効率となる。

[馬本隆綱,EE Times Japan]

殺菌や浄水、医療向け携帯紫外LEDランプに期待

 理化学研究所(理研)は2017年2月、殺菌用深紫外LEDの効率を従来に比べて約5倍に高めることに成功したと発表した。殺菌灯として用いられている現行の低圧水銀ランプに迫る効率となる。

 今回の研究は、理研の産業連携本部イノベーション推進センター高効率紫外線LED研究チームの椿健治チームリーダーや高野隆好研究員、美濃卓哉研究員、阪井淳研究員、野口憲路研究員、及び平山量子光素子研究室の平山秀樹主任研究員らが共同で行った。

 深紫外LEDは発光波長が200〜350nmで、殺菌や浄水、空気清浄、さらには樹脂硬化、印刷などの用途において、その応用が期待されている。しかし、これまでの深紫外LEDは光取り出し効率が低く、実用化に向けて解決すべき課題の1つとなっていた。

新たに開発した深紫外LEDの外観

 共同研究チームは、殺菌用途で用いられる発光波長が270nm帯の深紫外LEDを中心に研究/開発を行っている。今回は、深紫外LEDのコンタクト層を透明化することや、高反射電極を導入することで、光取り出し効率を改善することに取り組んだ。従来用いていたp型窒化ガリウム(GaN)コンタクト層を、紫外光に対して透明なp型窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)コンタクト層に変更した。また、従来のニッケル/金(Ni/Au)電極を、反射特性に優れたロジウム(Rh)電極に替えた。これによって、電極反射率は従来の約2.5倍に向上したという。

 具体的には、加工サファイア基板(PSS)上に、有機金属気相成長法(MOCVD法)を用いて、高品質の窒化アルミニウム(AlN)テンプレート層を結晶成長させる。その上に、n型AlGaNコンタクト層や発光層、電子ブロック層及びp型AlGaNコンタクト層などの成膜を行った。さらに、Rh電極をp型電極として形成した。

深紫外LEDの構造イメージ。左が従来品、右は開発品 出典:理化学研究所

 試作したフリップチップ構造のLED素子を、シリコンサブマウント上に実装した。さらに光取り出し効率を高めるため、樹脂でレンズ状にコーティングした。新たに開発した深紫外LEDを、室温/連続動作の条件下で動作させたところ、殺菌用波長(275nm)における外部量子効率は20.3%となった。既に市販されている深紫外LEDの外部量子効率は4.3%だという。

殺菌用波長(275nm)における深紫外LEDの光出力と外部量子効率の比較。赤色が開発品、青色が従来品 出典:理化学研究所

 今回の研究成果を用いると、従来品に比べて効率が約5倍高い深紫外LEDを実現することが可能である。殺菌灯として一般的に用いられている低圧水銀ランプの効率(約20%)とほぼ同じ数値を得ることができるという。

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