世界初、高効率なトップエミッション型深紫外LEDの開発に成功

低コスト化と高い電力変換効率（WPE）を同時に達成可能な次世代の深紫外LEDを実現

2026年10月22日
国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT） (リンク »)

ポイント

■　独自の光取出し構造技術により、世界で初めて高効率なトップエミッション型深紫外LEDの開発に成功

■　従来のフリップチップ型深紫外LEDと比較し、約35%高い電力変換効率（WPE）を達成

■　製造工程の大幅な簡略化によるコスト低減と高効率化を同時に達成可能な次世代型深紫外LEDを実現

 

　国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT （ エヌアイシーティー ） 、理事長: 大野 英男）未来ICT研究所の井上 振一郎 室長らの研究グループは、世界で初めて高効率なトップエミッション型深紫外LEDの開発に成功しました。現在実用化されている深紫外LEDは、すべて基板側から光を取り出す「フリップチップ型（ボトムエミッション構造）」を採用しており、その製造コストや光利用効率に課題がありました。本研究では、マイクロリング電極構造とナノ光取出し構造を組み合わせた独自の素子構造を開発することで、チップ上面から直接的に深紫外光を高効率に取り出すことに成功しました。その結果、深紫外LEDの製造工程を大幅に簡略化でき、さらに、従来のフリップチップ型構造と比較して約35%高い電力変換効率（WPE）を実現しました。

　本成果は、低コストで高性能な次世代の深紫外LEDの実用化につながるもので、殺菌や医療、食品衛生、半導体製造、情報通信など、幅広い応用分野への社会普及を加速させる技術として期待されます。

　なお、本成果は、American Chemical Society（アメリカ化学会）発行の学術論文誌ACS Photonics（電子版: 米国東部時間2026年10月21日（水））に掲載され、Supplementary Coverに選出されました。

 

背景

　深紫外LEDは、空気や水の殺菌・浄化、食品衛生、医療分野、半導体製造、情報通信など、幅広い用途への応用が期待されている次世代の半導体光源です。特に近年は、水銀ランプに代わる環境負荷の低い小型固体光源として、その重要性が高まっています。

　現在実用化されている深紫外LEDは、すべて「フリップチップ型（ボトムエミッション構造）」が採用されています（詳細は図2参照）。この構造では、発光層で生成された深紫外光を基板裏面側から取り出すため、LEDチップを上下反転（フリップ）し、配線・支持基板（サブマウント）へ精密な位置合わせを行い、半田／バンプ接合する工程（フリップチップ工程）が必要となります。そのため製造プロセスが複雑になり、コスト増加の要因となっていました。また、深紫外LEDのAlGaN半導体層とサファイア基板界面における屈折率差により、光の一部が素子内部に閉じ込められてしまうため、光取出し効率にも課題がありました。

　これらの課題を解決する方法として、光をチップ上面から直接取り出す「トップエミッション構造」が期待されてきました。トップエミッション構造では、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ります。また、基板を介さずに光をチップ上面から取り出せることから、光利用効率の向上も期待されます（図1参照）。

 

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　しかし、深紫外波長領域において、透明な電極材料は存在せず、深紫外LEDでは、電流を注入するために必要な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ため、チップ上面から効率よく光を取り出すことは、これまで極めて困難でした。このため、高効率なトップエミッション型深紫外LEDはこれまで実現されておらず、長年にわたり世界的に重要な研究開発課題の一つとなっていました。

 

今回の成果

　今回、当研究グループは、独自の光取出し構造技術により、世界で初めて高効率なトップエミッション型深紫外LEDの開発に成功しました（図2参照）。p型電極及び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することにより、チップ上面における深紫外光の吸収を抑制しながら、高い電流注入効率を実現しました。さらに、その電極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することで全反射を抑制し（図3参照）、チップ上面から直接的に光を外部へ取り出せる角度範囲を拡大することにより、高い光取出し効率を実現しました。

　その結果、発光波長275 nmにおいて、電気効率（Electrical Efficiency）85%、外部量子効率（EQE: External Quantum Efficiency）7.5%、電力変換効率（WPE: Wall-Plug Efficiency）6.5%のトップエミッション型深紫外LEDを実証し（図4（a）、（b）参照）、高い電気特性と高効率発光の両立を実現しました。

　また比較用として、従来のフリップチップ型深紫外LEDを同一のエピウェハ・電極メサ構造を用いて作製し、同様の評価を行いました。その結果、今回開発したトップエミッション型深紫外LEDは、従来のフリップチップ型と同様の良好な電気特性を維持しながら（図5参照）、高い光取出し効率の実現により、従来のフリップチップ型深紫外LEDに比べ、大幅に光出力が向上し（図6参照）、約35%高い電力変換効率（WPE）を示しました。

　今回の成果は、深紫外LEDの製造工程を大幅に簡略化でき、さらに、従来のフリップチップ型構造と比較して高効率なトップエミッション型深紫外LEDを世界で初めて実現したものであり、これまでトレードオフの関係にあった「低コスト化」と「高効率化」を同時に達成可能な次世代深紫外LEDへの道を切り拓く成果です。

 

 

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図3 （a） 今回開発したトップエミッション型深紫外LEDの模式図、（b） HfO2ナノ光取出し構造部を拡大して撮影した走査型電子顕微鏡（SEM）写真 鳥瞰像 及び （c） 断面像

 

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図4(上) 今回開発した高効率なトップエミッション型深紫外LEDの注入電流に対する外部量子効率（EQE）及び（下） 電力変換効率（WPE）

 

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図5 今回開発したトップエミッション型深紫外LEDと従来のフリップチップ型深紫外LEDの電流電圧特性の比較

 

 

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図6 今回開発したトップエミッション型深紫外LEDと従来のフリップチップ型深紫外LEDの注入電流に対する光出力の比較

 

 

今後の展望

　今回の成果は、殺菌・浄化、医療、食品衛生、半導体製造、情報通信など幅広い分野における深紫外LEDの社会普及を加速させる画期的な技術になると期待されます。今後、NICTは、今回実証した成果をはじめとする深紫外光デバイス技術のさらなる研究開発と社会実装に向けた取組を推進し、安心・安全で持続可能な社会の実現に貢献していきます。

 

論文情報

著者: Guo-Dong Hao, Manabu Taniguchi, Lingjie Wei, and Shin-ichiro Inoue

論文名: High-Efficiency Top-Emitting AlGaN-Based Deep-Ultraviolet Light-Emitting Diodes

掲載誌: ACS Photonics

DOI: 10.1021/acsphotonics.6c00589

 

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