UVLEDTEKの研究開発チーム「紫外線発光コアの進展」が国際半導体権威誌に相次いで報道された

長い間、半導体深紫外LED技術は広く注目されてきたが、その光電転化効率は常に10%を突破できず、商業化応用の初級段階をさまよって前進することが難しく、その省エネ、環境保護、携帯、寿命が長く、医療用光治療、殺菌消毒、空気浄化、秘密通信、ガス検査に広く応用できる市場潜在力は放出できない

これに対して、日本理化学研究所H.Hirayama研究チーム、ドイツベルリン工業大学C.Kuhn研究チームは、電子障壁層による電子の漏洩抑制、P型アルミニウムガリウム窒素層の代わりにトンネル接合を用いた正孔注入効率の向上など、多くの方法を次々と提案してきたが、いずれも画期的な進展は得られなかった

陳長清、戴江南チームは今回の研究開発成果でこの国際的な難題を解決した

モノリシック集積技術は、2つ以上のデバイスまたは機能構造を単一チップに集積し、それらの相互作用を利用してデバイスの性能を向上させる技術である。本質的に、このようなシステムレベルの革新は新しいデバイス環境を構築し、「オンチップシステム」を実現することができる。陳長清、戴江南科学研究チームはモノリシック集積技術を導入する新しい構想を提出し、p-i-n窒化ガリウム探査構造を深紫外LEDエピタキシャル構造（MPC-DUV LED：Monolithic integration of deep ultraviolet LED）にその場成長させ、キャリア循環注入、光増倍増幅機能を有するチップデバイスを実現した

陳長清、戴江南チームは長時間の調査と探索を通じて、革新的にp-i-nの探査構造を深紫外LEDチップに応用し、量子井戸活性領域から放出される280 nm以下の深紫外光を吸収し、新しい電子正孔対に変換することができる。高電圧を印加することにより、発生した電子正孔対が分離し、正孔キャリアが電界作用下で量子井戸方向にドリフトし、量子井戸に再注入される

研究により、小電流の下で、伝統的なDUV LEDチップは電流駆動の動作モードであり、その出光電力は線形に増加していることが分かった。これとは異なり、MPC-DUV LEDチップは電圧駆動の動作モードであり、その出光電力は指数関数的に増加している

研究はさらに小電流下のMPC-DUV LEDチップが超高変換効率を得るメカニズムを明らかにした。APSYSシミュレーション計算により、i-GaN層中の電場は5×106 V/cmに達することができ、窒化ガリウム材料中のガイガーモードの閾値電場（2.4 ~ 2.8×106 V/cm）を超えることができるため、空乏層中に衝突イオン化が発生する確率が極めて高く、数十乃至数百倍の高利得が得られ、それにより正孔キャリア数段の向上が実現される

光電サイクル全体の過程で量子井戸中の電子と正孔は複合発光し、一部の深紫外光子はデバイス底部から脱出し、もう一部の光子はMPC構造中に入って吸収され、高エネルギーの深紫外光子は窒化ガリウム材料を励起して相応の電子正孔対を生成し、電圧を印加した場合に分離し、正孔は空乏域の強電場の作用下で衝突イオン化し、複数回増倍した後に量子井戸に再注入し、量子井戸中にある電子と新たな放射複合を発生し、このように循環し、最終的にキャリア注入効率を大幅に向上させた

陳長清、戴江南チームは2008年に華中科学技術大学武漢光電国家研究センター（元武漢光電国家実験室（計画））に加入して以来、半導体深紫外発光チップデバイス分野の探索研究に専念してきた

論文リンク

https://pubs。 acs。 org/doi/abs/10。 1021/acsphotonics。 9b00882

https://www。 sciencedirect。 com/science/article/pii/S2211285519308882?via%3Dihub

コラム記事リンク

http://www。 semiconductor-today。 com/news_items/2019/oct/kaust-301019。 shtml

https://compoundsemiconductor。 net/article/109321/Integration_Boosts_Deep_UV_LED_Efficiency