小型で効率的な発光ダイオード (LED) は、照明の明るい未来であると考えられています。ただし、懐中電灯や携帯電話の画面に十分な低電力でのみ最高のパフォーマンスを発揮します。昔ながらの白熱電球のように部屋を照らすのに十分な電流を増やすと、自慢の効率が急降下します。これは LED ドループと呼ばれ、業界にとっては大きな足かせとなっています。現在、研究者は、同じ量の電流からより多くのキックを得られる、より効率的な LED を成長させる方法を発見しました。特に、スペクトルの製造が難しい緑と青の部分で顕著です。
LED は、金属電極の間に半導体の層を挟んだサンドイッチのように見えます。電極間に電圧が印加されると、負に帯電した電子と正に帯電した「正孔」がサンドイッチの中央に押し込まれ、結合して光を放ちます。
それは簡単に聞こえます。しかし、しばしば問題が発生します。青色と緑色の LED では、中央の半導体層は通常、窒化ガリウムでできています。 LED を通過する電流が増加すると、ダイオードの窒化ガリウム層が独自の電界を生成します。この 2 番目の電界は、電極から突入する正電荷と負電荷を押しのけ、それらが結合して光を放出するのを防ぎます。電流が大きくなるほど、2 番目の電界が大きくなり、電子と正孔が結合しにくくなります。効率が落ちます。この垂下はすぐにひどくなり、LED ははるかに効率が悪いが製造コストが安い蛍光灯や通常の白熱電球に比べてコスト面での優位性を失います。
今回、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の材料科学者 Yuji Zhao と同僚たちは、効率を損なう電場を最小限に抑える方法を見つけました。 LED 用の窒化ガリウムは、通常、サファイアまたは炭化ケイ素基板上に成長します。残念なことに、それを成長させる最も簡単な方法 (そしてすべての商用サプライヤーが行っている方法) は、効率を低下させる電場を最大化する「極性」方向に沿って窒化ガリウム結晶を形成することを促進します。
Zhao のグループは、三菱ケミカル株式会社から特別な基板を入手しました。この基板自体が窒化ガリウムでできているため、窒化ガリウム ダイオードは、通常使用される極方向に近いが異なる非常に特定の結晶方向で成長するようになりました。不要な電界のほとんどを除去しました。他のチームは、無極性および半極性の向きのダイオードを作成しましたが、ドループを減らすことに成功したチームはありません。 Zhao のチームは、20 mA で 52% のピーク効率を持つ青色 LED を作成しました。 電流を10倍に増やしても効率の低下は14%未満です。一般的な LED は、大量の電流が流れると効率が 60% 以上低下します。チームは、5 月 10 日にサンノゼで開催されるレーザーと電気光学に関する会議でその研究を発表します。
ミシガン大学アナーバー校の計算材料科学者である Emmanouil Kioupakis は、「これは LED のコストを下げることができる非常に有望な解決策です。彼によると、Zhao の結果は不要な電場の減少の直接的な効果であるだけでなく、再配向された窒化ガリウムが、光の代わりに熱を生成する不要な電子-正孔相互作用を減少させるためでもあるという。
現在、Zhao 氏らが使用している特別に準備された基板は、高価で入手が困難です。しかし、潜在的な市場は巨大です。部屋を照らすことができる効率的な LED は、効率を高めたい先進国の人々と、限られた電力で照明を点灯させたい発展途上国の人々の両方にアピールするでしょう。
