情報通信研究機構（以下、NICT）は10月22日、チップ上面から深紫外光を取り出す、高効率なトップエミッション型深紫外LEDを開発したと発表した。発光波長275nmで最大電力変換効率（WPE）6.5％を達成。従来のフリップチップ型深紫外LEDと比べ、WPEを約35％高めた。NICTによると、高効率なトップエミッション型深紫外LEDの実現は世界初だという。

マイクロリング電極とナノ構造で光の吸収・全反射を抑制

現在実用化されている深紫外LEDは、光を基板側から取り出すフリップチップ型を採用している。この構造では、LEDチップを上下反転させ、配線・支持基板へ精密に位置合わせした上で、半田やバンプで接合する工程が必要となる。また、AlGaN半導体層とサファイア基板の界面で生じる屈折率差により、光の一部が素子内部に閉じ込められるという課題もあった。

これに対し、トップエミッション型は、基板を介さずにチップ上面から直接光を取り出す構造である。フリップチップ工程が不要になるため、製造工程を簡略化できる。一方、深紫外波長領域には透明な電極材料が存在せず、電流注入に必要なp型電極やp型半導体コンタクト層が深紫外光を強く吸収することから、高効率化が難しかった。

NICTは今回、p型電極とp型半導体コンタクト層を同心円状のマイクロリング構造に微細加工した。これにより、チップ上面での深紫外光の吸収を抑えながら、高い電流注入効率を確保した。

  • トップエミッション型深紫外LED

    従来のフリップチップ型深紫外LEDと今回開発したトップエミッション型深紫外LED

さらに、電極の開口部に酸化ハフニウム（HfO₂）からなるナノ光取出し構造を形成した。この構造で全反射を抑え、光を外部へ取り出せる角度範囲を広げることにより、光取出し効率を高めたという。

発光波長275nmで最大WPE 6.5％、最大EQE 7.5％を達成

開発したトップエミッション型深紫外LEDは、発光波長275nmにおいて、電気効率85％、最大外部量子効率（EQE）7.5％、最大WPE 6.5％を達成した。WPEは、LEDに供給した電力に対し、外部へ取り出された光出力の割合を示す指標である。

  • トップエミッション型深紫外LEDの模式図

    トップエミッション型深紫外LEDの模式図

NICTは比較のため、同じエピウェハと電極メサ構造を使って、従来のフリップチップ型深紫外LEDも作製した。評価の結果、トップエミッション型は従来型と同等の電気特性を維持しながら、光出力を向上させ、WPEは従来型を約35％上回った。

今回の構造ではフリップチップ工程が不要になるため、製造工程の大幅な簡略化とコスト低減が可能になるという。NICTは今後、深紫外光デバイス技術の研究開発と社会実装に向けた取り組みを進める方針。

なお、研究成果は、アメリカ化学会が発行する学術論文誌「ACS Photonics」の電子版に掲載され、Supplementary Coverに選出された。