佐賀大学シンクロトロン光応用研究センターと理工学部電気電子工学部門の共同研究グループは、新しい希土類添加ワイドバンドギャップ酸化物半導体材料を用いた演色性に優れた白色発光ダイオード(LED)の実証に初めて成功しました。

　現在照明等で使われている白色発光ダイオードの中には青色LEDと黄色蛍光体を組合わせたものがあり、このような擬似的な白色発光は高い演色性が求められる用途には適していないことに加え、蛍光体によるストークスロス（エネルギー変換することにより生じるロス）が大きくエネルギー変換効率が低い問題があります。赤・緑・青色の光の三原色からなるLEDを組合わせれば高い演色性と高効率化が期待されますが、緑・青色LEDと赤色LEDでは使用されている材料が異なるために小型化、集積化は容易ではありません。また、これら従来のLEDの発光波長は使用材料のバンドギャップと等しくなりますが、周囲温度によりバンドギャップが変化するため、赤・緑・青色のLEDを組合わせた場合、周囲温度の変化に伴い発光色が変わってしまう問題があります。

　本研究で着目した希土類元素は、4f殻内の電子準位間での遷移により発光が生じるので、発光波長はその元素固有であり周囲温度に依存しない特徴を有しています。これまでの研究により、ワイドバンドギャップ酸化物半導体である酸化ガリウム（Ga₂O₃）にユーロピウム(Eu)を添加することで赤色LEDを、エルビウム（Er）の添加により緑色LEDを、ツリウム(Tm) の添加により青色LEDの実現に成功してきました。

　今回開発に成功した白色LEDは、ユーロピウム(Eu)、エルビウム（Er）、ツリウム(Tm)を添加した酸化ガリウム（Ga₂O₃）を組み合わせることにより実現したもので、次世代フルカラーディスプレイや演色性に優れた白色発光素子、LSIとのモノリシック集積化の実現等に向けた有益な指針を提供する成果と言えます。

　本研究成果をまとめた論文は、米国物理学会（American Institute of Physics）が発行する学術雑誌Applied Physics Lettersに掲載されました。

 

 

語句説明

希土類元素：元素周期表3族のSc，Y，およびランタノイド(La～Lu)15元素の合計17元素のこと。

 

バンドギャップ：半導体結晶のバンド構造における、禁制帯のエネルギー幅で、価電子帯の上部から伝導帯の下部までのエネルギーの差を指し、伝導帯の電子が価電子帯の正孔（電子の抜け穴）と再結合する際にバンドギャップと同じ大きさのエネルギーの光を放出します。これが従来のLEDの発光原理です。

 

演色性：照明で物体を照らすときに、自然光が当たったときの色をどの程度再現しているかを示す指標です。

 

モノリシック集積化：光素子、回路を一体化して集積することであり、性能の高い光回路を実現するだけでなく、集積化技術を駆使して個々の光素子を高性能化する上において大変重要な技術です。

 

 

 

 

 

【お問い合わせ先】

　　佐賀大学シンクロトロン光応用研究センター

　　教授　郭其新

　　TEL : 0952－28－8662

　　E-mail : guoq (at) cc.saga-u.ac.jp