韓国の研究チームが、全く新しい材料による深紫外（DUV）LEDを開発しました。DUV LEDは、200～280ナノメートルの短い波長の紫外線（UV）を放射するように設計された半導体光源である。このLEDをウイルスや細菌に照射することで、人体への害を最小限に抑えながら、有害な病原体を破壊することができます。
キム・ジョンファン教授、ソン・スボム博士、ユン・サンホ博士（材料工学科）が率いるPOSTECH研究チームは、六方晶窒化ホウ素（hBN）を用いてDUV LEDを初めて作製しました。研究チームの成果は、学術誌『Nature Communications』に掲載されました。
紫外光は可視光と異なり、物質の形を破壊したり変化させたりすることができる。紫外線の中でも近紫外線は浸透深度が高く、皮膚に当てると病気を引き起こす可能性がある。しかし、DUV光は皮膚透過性が極めて低く、安全に使用できることが期待されている。
このため、主に窒化アルミニウムガリウム（AlxGa1-xN）を用いたDUV LEDの開発研究が盛んに行われてきた。しかし、この材料は、波長が短くなるとエレクトロルミネッセンスが急激に劣化するという基本的な限界があり、DUV周波数で使用できるLEDの作製は依然として課題となっています。
金正官教授の研究チームが使用した六方晶窒化ホウ素（hBN）は、グラファイトと同じファンデルワールス（vdW）層状物質である。 単層構造がグラフェンに似ており、透明であることから、「白いグラフェン」とも呼ばれている。AlxGa1-xNとは異なり、DUV周波数で発光するため、DUV LEDの開発に有効な新材料と考えられている。しかし、バンドギャップ※1が大きいため、電子や正孔を注入することが難しく、LED化が困難でした。
そこで研究グループは、hBNナノ薄膜に強い電圧をかけ、トンネル機構を誘起することで、hBNのバンド端に電子と正孔を注入することに着目しました。これにより、グラフェン、hBN、グラフェンを積層したファンデルワールスヘテロ構造によるLEDデバイスの作製に成功した。その後、DUVマイクロスペクトロスコピーにより、今回作製したデバイスが強い紫外光を発することが確認された。
本研究を主導した Jonghwan Kim 教授は、「新しい周波数の高効率 LED 材料の開発は、これまでにない画期的な光デバイス応用を開拓するための出発点となり得る」と述べています。「この研究が、hBNを用いた深紫外LEDの最初のデモンストレーションであることは重要です」と述べています。
また、「従来のAlxGa1-xN材料に比べ、発光効率が大幅に向上し、小型化も可能です。今後、ウイルスや細菌の殺菌装置、半導体デバイスの製造工程、近距離無線通信などに高い応用性が期待されます。" と述べています。
最近、世界的に有名な雑誌「Nature Communications」に掲載されました。本研究は、韓国国立研究財団の上級研究員プログラムおよび基礎科学研究所の支援を受けて実施されたものです。
*1. バンドギャップ
半導体や絶縁体に結合している電子が脱出するために必要な最小のエネルギー。
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