NIST､高輝度で微小ナノスケールLEDを開発

August, 19, 2020, Gaithersburg--NISTの研究者を含むチームが開発したLEDの新設計には、光源の効率における長年の制約を克服するカギがある｡研究所の微小LEDで実証されたそのコンセプトは､輝度の飛躍的な向上とレーザ光放出力を達成している｡これらは､一連の大規模､微小化アプリケーションで貴重な特性のすべてである｡

研究チームは､詳細をScience Advancesに発表した｡そのデバイスは､従来の小型､サブミクロンサイズのLED設計に対して､輝度が100～1000倍向上することを示している｡

その新設計の考案者､NIST､Babak Nikoobakhtは､｢それはLED作製の新しいアーキテクチャである｡われわれは従来のLEDで同じ材料を使う｡われわれとの違いは､その形状である｣とコメントしている｡

LEDは数10年前から存在するが､最新のLEDでも､設計者が苛つくような制約がある｡ある点までは､LEDに電気を供給すると明るく光るが､すぐにその輝度が低下し､LEDは非常に比効率になる｡いわゆる業界で言う｢効率低下｣である｡その問題は､通信技術からウイルスの除去まで多くの有望なアプリケーションの妨げになっている｡

新しいLED設計は効率低下を克服しているが､研究チームは当初､この問題を解決するつもりではなかった｡主目標は､非常に小さなアプリケーションで使う微小LEDを作ることであった｡例えば､NISTなど､研究者が追求しているlab-on-a-chip技術｡

チームは､一部のLEDで全く新しい設計を実験した｡従来のLEDで使用されるフラットなプレーナ設計ではなく､チームは長く薄い酸化亜鉛から光源を作製した｡いわゆるフィンである(長くて薄いは､相対的な表現｡各フィンは､約5µm長)｡そのフィンアレイは､1㎝程度に延びた微小な櫛のように見える｡

｢長い形状､大きなサイドファセットは､より多くの電流を受けると考えられた｡最初､その新設計がどの程度の電流を取り込むかを計測したかった｡電流を増やし始め､それがつきるまで駆動すると考えたが､LEDはますます明るくなるだけだった｣とNikoobakhtは言う｡

その新設計は､紫と紫外(UV)の境界をまたがる波長で明るく輝き､典型的な微小LEDと比較すると100～1000倍のパワーを生成する｡同氏は､その結果を非常に素晴らしい基礎的な発見としている｡

｢面積がマイクロメートル平方以下の一般的なLEDは､約22ナノワットのパワーで光るが､これは20マイクロワットまで出力する｡その設計は､LEDの効率低下を克服し､より高輝度の光源を作れることを示唆している｣｡

南カリフォルニア大学電気工学教授､Grigory Siminは｢これまで見た中で最高の効率ソリューションの一つだ｡これまで､業界は、LED効率向上に何年も取り組んできた｡他のアプローチは､サブマイクロメートル波長のLEDに適用すると､技術的な問題がよく見られるが､このアプローチは､成功している｣とコメントしている｡

チームは､電流を増やすことで､別の驚くべき発見をした｡最初にLEDがある波長範囲で光っている間､その比較的広い発光は､最終的に2つの強力な紫色に狭くなった｡説明は明確である｡その微小LEDは､微小なレーザになっていたのである｡

｢LEDをレーザに変換することは､大きな成果である｡通常､レーザを造るために光が跳ね回るようにLEDを共振器に結合する｡フィン設計は､それ自体で､その作業全体ができるようである､別のキャビティを加える必要がない｣とNikoobakhtは説明している

微小レーザは､チップスケールアプリケーションにとって重要である｡化学センシングだけでなく､次世代ハンドヘルド通信製品､高精細ディスプレイや殺菌などである｡

｢これが、重要な構成要素となる可能性は大きい｡これは作製されたもので最小のレーザではないが､非常に高輝度なものである｡効率低下がないことで､それは有用になる｣とNikoobakhtは話している｡

(詳細は､https://www.nist.gov)