ASIF KHAN、米サウスカロライナ大學(xué)

20世紀(jì)90年代には、窒化ガリウムに基づく高効率なブルーレイ、緑のLEDが誕生したことが後世に銘記されます。その後の10年間で、さらなる改善はあなたには見えません。GaN LEDの発光波長は紫外光に拡張されるためである。Alを使う_xGa_1-xN製の量子井戸はInを置換する。_xGa_1-xN量子井戸は素子を紫外線領(lǐng)域に到達(dá)させ，UVB（315 nmから280 nm）およびUVC（280 nmから100 nm）領(lǐng)域で発光させた。 

【図2】（a）第一世代デバイスのエピタキシャル層構(gòu)造。（b）第二世代デバイスのエピタキシャル層設(shè)計(jì)は，1 mWのパワーを生成でき，外部量子効率（EQE）は1%である。矢印（1?4）は、より高い電力とEQE値をもたらすキー設(shè)計(jì)の変化を説明する。（c）倒置チップの幾何學(xué)形狀を有するデバイス構(gòu)成。（d）歪／欠陥緩和AlN／AlGaN超格子を形成するための嵌合短周期超格子の透過型電子顕微鏡法。

多くの第一世代LEDと同様に，これらの素子の外部量子効率は非常に低い。これは4つの要因のせいにする。サファイア上のAlN／AlGaN層の格子不整合成長によるエピタキシャル欠陥、p?AlGaN層に一般的に存在する低ドーピング効率、正孔供給のp＋?GaNは量子井戸から多くの光子を吸収し、最も短い波長でより深刻な低光抽出率を示す。

これらの問題を解決することによって、紫外LEDの開発者は次の二年間で大きな進(jìn)展を遂げました。私たちのチームと他の米國の機(jī)関にとって、DARPAと米陸軍のサポートを得るために努力しました。それらはSUVOS計(jì)畫を支援して、John Carano中佐によって管理されます。SUVOS計(jì)畫の間に，我々は材料とその成長を改良し，デバイスの設(shè)計(jì)とパッケージ化を行った。これらの改良は，外部量子効率が約1%のデバイスを作成し，25 mAの駆動電流で1 mW近く出力した。

より良い性能は、2μmを超えるAlN/AlGaN超格子のAlGaN層に組み込まれた超格子、マグネシウムをドープしたAlGaN電子障壁層、偏光ドーピング、階層結(jié)合を加えたp-AllGaN層（図2（a）および2（b）參照）、およびデバイスを金屬基板上に倒置する（図2（c）參照）。

上記のように、第二世代デバイスの特徴の一つは、欠陥と歪の管理を補(bǔ)い、出力パワーを高める超格子設(shè)計(jì)を改善することである（図2（d））。この改良された構(gòu)造では，AlN／AlxGa 1?xN超格子は入れ子の短い周期超格子である。それらはアルミニウム成分を利用したAlです。_xGa_1-xN層のマクロ超格子は平均厚さの入れ子の短い周期AlxGa 1?xN／AllyGa 1?yN超格子からなる。この方法を採用することで、2μmをはるかに超える厚さのクラックなし、高品質(zhì)のAlを成長させることができます。_xGa_1-xN＋層（n接觸層）この層を我々のLEDに組み込み，電流拡散を増加させ，電流の混雑を緩和し，電力飽和電流を増加させた。熱管理も改善され、デバイスの壽命が長くなりました。

その後、実質(zhì)的な進(jìn)展を遂げました。2005年までに，我々のデバイスの安定性とそれらの生物化學(xué)検査における適用性を報(bào)告することができた。高出力で安定した紫外LEDを展示し、空気や水の浄化などの応用における商業(yè)化のための確固たる基礎(chǔ)を打ち立てました。これらのデバイスは今は時(shí)代の歩みには遠(yuǎn)く及ばないが、彼らが提供している性能レベルはウイルスや細(xì)菌を殺す上で非常に効果的であり、例えばEcoliである。

従來の大面積UVC LEDの開発に大きな貢獻(xiàn)をするほか，マイクロピクセルデバイスを示した。2004年に報(bào)道されたその配置は熱管理に役立つ。デバイス全體の抵抗の減少により，デバイスの動作溫度はより低くなり，これは電流の混雑とJoule熱に対抗する措置である。マイクロピクセルデバイスのもう一つの利點(diǎn)は、深紫外LEDディスプレイ、UVC光通信和深紫外リソグラフィーシステムの理想的な選択となるように単一ピクセルのバイアスを可能にすることである（図3參照）。紫外LEDの成長に対して最も一般的な基板はサファイアである。このような材料は透明で、コストが低く、入手可能性が広く、AlNバッファ層と結(jié)合して使用する場合、UVエミッタに良好な基礎(chǔ)を提供します。しかし，AlN基板を量産する米國の2つのグループ--Crystal ISとHexatech Inc--は，この基板の深い紫外線LEDにおける潛在力を探索した。注意すべきことは，AlN基板の高コストと有限可用性のために，他のグループは今回の評価に參加していないことである。自己サポートAlNを用いることは有望であるが，大量生産材料の一つの問題は，その成長過程で不純物が混入し，この不純物はUVCバンドで強(qiáng)い吸収効果を持つことである。 

図3：10×10アレイのマイクロピクセルLEDが、280ナノメートルで送信される。（a）10×10マイクロピクセルアレイを有する280 nmの深紫外LEDの走査電子顕微鏡畫像。各ピクセルの直徑は約30ミクロンです。（b）マイクロピクセルLEDのバイアス下の畫像は、均一な発光を示す。（c）二重直列パッケージに実裝された全パッケージデバイスと，増幅されたデバイス畫像は，深い紫外LEDピクセルマトリックスがアドレッシングされた電極幾何形狀を明確に示した。（d）バイアスを制御することにより、7 x 9モードのマイクロピクセルLEDをUVCディスプレイ、UVC通信システム和深紫外リソグラフィシステムに利用することができる。

商業(yè)征服

深紫外線LED業(yè)界では、大學(xué)の研究チームが発展を推進(jìn)しました。彼らの知識の成果はすでに創(chuàng)始會社に移転し、早期の商業(yè)化を推進(jìn)しました。最近、いくつかのベンチャー企業(yè)はすでに提攜関係を形成しています。

私たちのチームはこの傾向を切り開いた。私たちの深い紫外線LED技術(shù)はすでにSETiとNitek Incのバックグラウンドランナーとなりました。この二つはサウスカロライナ州のコロンビアにある小さい企業(yè)がそれぞれSeoul Viosys CompanyとSeoul Semiconductorsに買収されました。同じように、名古屋大學(xué)と明治大學(xué)の技術(shù)もUV Crafterry社を生み出しました。このベンチャー企業(yè)はその後、ニッキー/FPGに買収されました。また、Rikenの技術(shù)はDOWA/Panasonicに直接買収されました。最近、ドイツのベルリン理工大學(xué)/FBHの技術(shù)はUV Photonicasに譲渡されました。

AlNを基板として開発した深い紫外LEDも同様の狀況である。倫斯勒理工學(xué)院が発明した技術(shù)はCrystal ISの創(chuàng)立のために基礎(chǔ)を打ち立てました。同様に、北カロライナ州立大學(xué)の研究はHexatechを創(chuàng)造し、現(xiàn)在はスタンレーの一部となっています。このほか、サムスン、LG Innotek、QD Jason、Nichiaなどの大手會社も深紫外線分野に進(jìn)出し始めました。 

図4：深紫外線LEDが開発したグローバルパートナーシップ。また、各グループが使用する基板材料も図に示しています。

今日はほとんど報(bào)告されている深い紫外LEDは図2（b）に描かれているそれらの初期デバイスの大部分の構(gòu)造を持っている。しかし、それらはしばしば重要な違いがあります。多くの場合、歪管理を提供するAlNバッファ層とAlGaN短周期超格子は淘汰され、代わりに厚い、完全に緩和されたAlNバッファ層、そしてAlGaN超格子と厚いn＋AlGaN接觸層である。後者は緩和することができ，また擬似結(jié)晶形態(tài)であってもよい。

緩和した厚いAlNバッファ層を形成するために，多くの異なる方法が採用されている。このような緩衝層は低い転位密度が活性領(lǐng)域の欠陥を低減し，LEDの內(nèi)部量子効率を向上させるために非常に理想的である。これらのバッファ層は高溫パルスエピタクシーと水素化物気相エピタクシーによって成長していますが、Rikenの研究者はアンモニア流量変調(diào)エピタクシーによってこれらのバッファ層を作製しています。ベルリン理工大學(xué)のチームは移動によって強(qiáng)化された橫方向エピタクシーによって過度に成長し、非その場高溫スパッタリングAlNを用いてこれらのバッファ層を作製しています。

深い紫外線LEDの商業(yè)的進(jìn)展は，240 nmから300 nmの間の発光素子の発売をもたらした。大きな進(jìn)展があったにもかかわらず，これらのデバイスの外部量子効率と電気光學(xué)変換効率は可視光デバイスよりも遙かに低い。InGaNに基づく青色LEDは80%程度の電気光學(xué)変換効率を?qū)g現(xiàn)したが、266 nmと300 nmの深い紫外LEDは通常5%-6%しかない。

効率は低いが、深い紫外線LEDの壽命が印象的だ。それらの壽命は通常10,000時(shí)間で、空気、水の浄化、消毒、ポリマーの固化と光療に利用できます。

発光波長が短くなると，深い紫外LEDの外部量子効率は低下し，同時(shí)に電気光學(xué)変換効率も低下した。部分的な原因は材料品質(zhì)の低下とアルミニウム成分を増加させた窒化物合金中のドーピング困難によるものである。また、カンザス州立大學(xué)のグループによれば、放射波長が270-280ナノメートル以下に下がると、価電子帯の並び替えのため、橫磁極化発光がより主要になる。この形式の光はc面に橫に移動するので，素子に効果的に閉じ込められ，光子の抽出を妨げた。

図5：深紫LEDによる異なるパッケージ方式。図には（a）各種TOヘッド、（b）光をより良く抽出するためにカスタマイズされたアルミメッキヘッド、（c）基板上のLEDチップ（International Light Corporation）、および（d）エポキシ樹脂と石英ドームを有するパッケージが示されている。

現(xiàn)在、商用の深紫外線LEDのパッケージと外形寸法の違いが大きい。分立裝置はTO-39パッケージを採用することができます。これらのデバイスは優(yōu)れた熱管理を必要とするので，大型デバイスには適しない。これらのチップはAlNサブ実裝を有するSMDパッケージに配置されている。最近では、UV透明エポキシ樹脂パッケージを採用したデバイス（異なるデバイスパッケージの畫像は図5參照）も発売されており、深紫LED分野で働く人にとって、最大の課題は、可視光対応デバイスに相當(dāng)する値までデバイス性能を向上させることである。今日の市販品のデバイス設(shè)計(jì)には二つの主要な欠點(diǎn)がある。まずp＋GaN正孔注入層はp電極と活性領(lǐng)域の導(dǎo)波路に光損失をもたらす。第二に、光抽出効率は低い。

p＋?GaN層の光吸収を軽減し，p?AlGaN層を用いてp電極により多く伝送される光を抽出／収集する方法を含む。

この方法はセンシング電子技術(shù)會社（Sensor Electronic Technology）、倫斯勒理工學(xué)院（Rensselear Polytechnic Institute）と米陸軍研究実験室の協(xié)力によって創(chuàng)始されたものであり、RIKEN率いる日本チームの協(xié)力によって完成されたものであり、彼らは反射式p接觸器を採用した。両チームは10%までの外部量子効率を?qū)g現(xiàn)した。

より大きな成功はRIKENと松下のEco Solutions社の協(xié)力によるものです。彼らは，パターン化サファイア基板と透明p‐AlGaN接觸層を結(jié)合することにより，外部量子効率が20%に達(dá)したと報(bào)告した。

未來の方向

全體として，AlGaNに基づく深い紫外LEDの開発はInGaNに基づく可視光LEDの開発と良く一致した。後者は現(xiàn)在トンネル接合を結(jié)合しており，これは深い紫外LEDでの探索を開始する技術(shù)である。オハイオ州立大學(xué)の研究者はMOCVDで成長したアクティブ層にMBEで成長したn+/p+A lを加えることによって_0.15Ga_0.85N製の紫外透明AlGaNトンネルは接觸層を接合し，280?290 nmの範(fàn)囲で放出されたLEDの出力パワーと外部量子効率を倍にした。

もう一つの研究分野は深い紫外光集積光學(xué)である。ここでは，UVC透明導(dǎo)波路を用いて，AlNまたはアルミニウムリッチAlGaNから成るU(xiǎn)VC光學(xué)および電子素子をチップに集積することに取り組んでいる。私たちのチームは南京郵電大學(xué)の研究者と協(xié)力して、UVC LEDと検出器と平面とチャンネル導(dǎo)波路を統(tǒng)合した初歩的な実証を提供しました。

このような成功は過去20年間の深紫LEDの巨大な発展を促進(jìn)した。このようなデバイスはいくつかの応用サービスのために安定した信頼性の向上とその出力パワーとコストの利點(diǎn)の向上に伴い、その応用が急増します。深い紫外線LEDの発展経路は基本的にその青先輩の発展経路に従います。いくつかの段階でもっと速く歩いて、2002年の初めての模範(fàn)から第一陣の商業(yè)製品の出現(xiàn)まで、5年間しかかかりませんでした。しかし、技術(shù)の拡張、電力、効率の向上には10年間がかかり、これらは十分な性能を提供できる低コストデバイスを作るための基本的な要素である。これらの素子開発の新しい知見が大規(guī)模生産に統(tǒng)合されると，商用深紫外LED効率の向上につながる。過去20年間で、私たちは長い道を歩いてきました。新しい20年間で、私たちはもっと遠(yuǎn)くに行くべきです。

紫外LEDの用途

深紫外線LEDの応用は消毒、生物醫(yī)療機(jī)器、ポリマー硬化と生物化學(xué)センシングに分けられます。

一つのポイントで使う浄水システム（左）。UVC LEDアレイを含むエアコンシステムは、ウイルスや細(xì)菌のリストを減らすことができます。UVB LEDによる乾癬治療システム（右）。

地球オゾン層はUVC帯の太陽放射を遮斷しているので、ほとんどの生物はこのスペクトル範(fàn)囲の放射に対応する生存機(jī)構(gòu)がない。生體が放射されるとRNA／DNAは変化し、繁殖に影響を與える。

したがって，生體は不活性になる。異なる生物は異なる線量レベルを必要とし、ある程度波長を慎重に選ぶ必要があることに注意してください。バイオマスが出力電力100-125ミリワット、ピーク波長約265ナノメートルのUVC LEDに露出した場合、40-50 mJ/cm² 的通量可以使大多數(shù)細(xì)菌、孢子和病毒喪失活性。一些UVC LED公司或其戰(zhàn)略合作伙伴正在出售基于UVC LED的凈化系統(tǒng)，可以用在中等容量的點(diǎn)位水凈化中。

最近では、Covid-19ウイルスなどのウイルスに対する表面浄化に紫外線を照射する研究が始まっています。先頭はSeoul Viosys Companyです。同社のVioleds深紫外LED技術(shù)は中國最大のエアコンメーカーである「グレイ電気」が生産しているFresh Airブランドのエアコンに応用されています。もう一つはこの技術(shù)を採用したのは米國のトップクラスの室內(nèi)空気処理サプライヤーRGF環(huán)境グループです。これらの努力は，深紫外LED技術(shù)が各種の有害生物に対して保護(hù)を提供できることを示している。

もう一つのクラスの深い紫外LED応用は高分子硬化である。UVA／B／C放射がポリマーに到達(dá)すると化學(xué)反応が起こる。発生した場合、光誘発剤分子の曝露はラジカルを発生させ、それによって単量體とオリゴマー分子の重合を促進(jìn)する。固化応用は塗料、印刷用インク、接著剤、リソグラフィーなどの重要な業(yè)界の柱です。

深UV LEDは生物體內(nèi)で光化學(xué)反応を生成するのにも非常に効果的である。UVBで発光するLEDは代謝物の濃度を増強(qiáng)する絶好の源である。これは、深紫外光照射を利用して植物の成長周期、風(fēng)味、品質(zhì)を制御できることを意味する。経済効果をもたらす以外に、これらの紫外線光源は全世界の食糧不足に対処する上で大きな意義があります。

光治療システムは、深い紫外線LEDのための別のビジネス機(jī)會を提供します。これらのシステムは、ビタミンD欠乏癥、季節(jié)的な情緒失調(diào)、乾癬の治療に使われています。