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» 2006年12月27日 08時00分 UPDATE

次世代ITを支える日本の「研究室」:ダイヤモンドがLEDに? シリコンを超える未知のチカラ (1/3)

高品質な人工ダイヤモンドでLEDを作り、高効率の紫外線発光を成功させた産総研の研究は、シリコンなどでは無理とされたこれまでの常識を打ち破るものとして、各方面から熱い視線が向けられている。

[富永康信(ロビンソン),ITmedia]

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単元素のダイヤモンドが紫外線LEDの有力候補に

 美しい輝きで万人をとりこにするダイヤモンドは、自然界で生成される物質の中では最も硬い鉱石とされる。炭素原子同士が幾何的に理想的な角度で構成され、ゆがみのない「共有結合」によって飛び抜けた硬度が保たれているからだという。しかし、ダイヤモンドの魅力はその美しさや硬さだけではない。

 産業技術総合研究所(産総研)では、2006年8月に科学技術振興機構と共同で、ダイヤモンドの発光ダイオード(LED)を開発した。「発光」とはいえ、単に目に見える光を放つLEDではない。波長が235ナノメートル以下の「深紫外線」を発する、世界で初めてのダイヤモンドLEDである。

図1 既存発光デバイスの波長

 紫外線とは、可視光の限界、400ナノメートル以下の波長の光をいうが、特に350ナノ以下の紫外線を深紫外線と呼ぶ。深紫外線はエネルギーが大きいため殺菌や浄水などに利用されているが、現状は高い電圧を使った大がかりな紫外線ランプを利用するしかなく、小型軽量な深紫外線LEDの実現が望まれている。

 深紫外線領域のLED実現には、青色LEDで成功したアルミニウム系窒化ガリウム(AlGaN)や、窒化アルミニウム(AlN)の化合物半導体を使用しなければならないとされてきた。しかしこれらの素材には、化合物・多元系特有な構造的欠陥や、自ら発するエネルギーで結晶が劣化するなどの問題を抱え、実用化は難しいとみられている。

 この産総研の研究成果は、2006年9月にポルトガルで開催されたダイヤモンドの国際会議「17th European Conference on Diamond and Related Materials,Diamond 2006」で発表され、単元素のダイヤモンドが紫外線LED実用化の有力候補に浮上したとして大きな注目を集めた。

不純物が少ない高品質な人工ダイヤモンドが実現

 これまで一般に、ダイヤモンドが半導体になるという認識は少ないようだ。半導体を電子デバイスに使う研究は、ゲルマニウム(Ge)から始まり、シリコン(Si)へと進展してきた歴史がある。その流れからすると次の注目は、同じ性質を持ち、周期律表のGe、Siのすぐ上にある炭素(C)となる。炭素の結晶であるダイヤモンドも当然、半導体の一員となるわけだが、半導体の性質を示すためには、欠陥や不純物が少ないことが条件になる。

 自然界で産出される天然ダイヤモンドはもとより、高温高圧合成法(*1)で作られる一般的な人工ダイヤモンドも、不純物が多く含まれるため半導体の性質をほとんど示さない。また、人工ダイヤモンドの加工や製造プロセスには高度な技術が必要となり、それが半導体としてのダイヤモンドを未発達にした原因でもあった。

 そんな中、十数年前に化学気相成長法(CVD)(*2)が開発されるようになったことで、欠陥や不純物の少ない高品質な人工ダイヤモンド製造の道が開け、半導体実用化への可能性が高まった。

図2 プラズマ化学気相合成装置


*1 高温高圧合成法:HPHT(High Pressure High Temperature)。炭素(カーボン)に1200〜2400℃、5万5000〜10万気圧をかけて作られる人工ダイヤモンドの製造法の1つ。


*2 化学気相成長法:CVD(Chemical Vapor Deposition)。プラズマ状にしたガスを素材に用いて、大気圧レベルで物質を生成する方法。熱CVD法、プラズマCVD法、光CVD法、燃焼炎法などがある。
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