室温で緑色発光するp型/n型新半導体を開発――ペロブスカイト型硫化物で実現 東工大

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東京工業大学は2019年4月4日、同大学の研究グループが独自の化学設計指針をもとに、適切な元素置換により電気特性の制御ができ、室温で緑色発光するペロブスカイト硫化物の新半導体「SrHfS3」を開発したと発表した。高効率、高輝度、高精細が要求される次世代光学素子用の緑色光源としての応用が期待される。

高輝度、長寿命、低消費電力で光を発するLEDは、電子の穴(=正孔)が動く「p型半導体」と電子が動く「n型半導体」を接合した構造を持っている。ここに、電圧を印加し正孔と電子を再結合させることでバンドギャップに応じた発光が得られる。現在、青色と赤色のLEDにはInGaN系(窒化物)とAlGaInP系(リン化物)のⅢ-V族半導体が用いられている。

しかし、InGaN系、AlGaInP系の材料は、人間の視感度が最も高い緑色域において光変換効率が大きく低下してしまう「グリーンギャップ問題」を抱えており、小型で高効率、高輝度、高精細が要求されている次世代テレビやプロジェクターを実現するためには、p型とn型両方に制御可能であり、かつ高効率に緑色発光する全く新しい半導体材料が求められている。

今回、研究グループはp型とn型両方の電気伝導性と高効率な緑色発光という2つの機能を新材料で両立するため、高対称性結晶中の非結合性軌道の利用と、バンドの折り畳みを利用した直接遷移型バンドギャップを有する結晶構造の選定という2つの化学設計指針を提案し、その後候補材料のスクリーニングを行った。

その結果、硫黄(S)とハフニウム(Hf)が設計指針に合致した新材料であることが判明した。そこで研究グループは、SrHfS3試料を固相反応法で合成し、リン(P)とランタン(La)を、それぞれS、ストロンチウム(Sr)位置に適量で置換することにより、p型およびn型の電気伝導性を制御できることを実験的に実証した。また、フォトルミネッセンス(PL)測定では、室温においても目視可能なほど明るい緑色発光(波長520nm)を観測した。

これらの結果は、SrHfS3が緑色発光ダイオード用の半導体材料として有望であることを示すとともに、今回の材料設計の有用性も実証している。今後は、単結晶薄膜を用いたpn接合を作製することにより、より高効率な次世代緑色LEDの実現が期待できるとしている。

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