高効率な緑色発光を実現 東京工業大学が次世代緑色LEDの新材料開発

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高輝度、長寿命、低消費電力で光を発するLEDは、信号機やフラットパネルディスプレイ、照明などの生活に欠かせない光源として幅広く用いられている。

現在、青色と赤色のLEDには、窒化物半導体およびリン化物半導体が用いられている。しかし、これら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、通称「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、高精細が要求される次世代テレビやプロジェクターを実現するためには、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、東京工業大学の研究グループは、電気特性の制御ができ、かつ室温で緑色発光する新しい半導体“SrHfS3”の開発に成功した。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おり、ここに電圧を印加し正孔と電子を再結合させることで発光を得ているが、SrHfS3はp型とn型両方の電気伝導性を持つという。

本研究グループは、新材料でp型/n型の電気伝導性と高効率な緑色発光という2つの機能を両立するために、(1)高対称性結晶中の非結合性軌道の利用と、(2)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た。これをもとに候補材料のスクリーニングを行った結果、ペロブスカイト型硫化物であるSrHfS3に辿り着いた。

新半導体SrHfS3は、適切に元素置換することでp型およびn型の電気伝導性を制御できるうえ、室温においても目視可能なほど明るい緑色発光が可能である。グリーンギャップ問題を解決する次世代緑色LEDとして、今後の応用が大きく期待されている。

論文情報:【Journal of the American Chemical Society】Material Design of Green-Light-Emitting Semiconductors: Perovskite-Type Sulfide SrHfS3