メタサーフェスにより、MicroLEDの指向性放出と効率の向上が可能


4月17日 Display Daily

 

マイクロLED技術において注目すべき進展が、Lumiledsとアイントホーフェン工科大学の共同研究によりもたらされました。この研究チームは、金属または誘電体のメタサーフェスをLED構造に直接組み込むという新たな手法を開発し、マイクロLEDの光の指向性と効率を飛躍的に向上させることに成功しました。この成果は、これまでマイクロLEDの発展を妨げてきた2つの大きな課題、すなわち外部量子効率(EQE)の低さと、光が全方向に分散するランバート型放射パターンという特性に対する解決策となるものです。

 

研究を主導したのは、アイントホーフェン工科大学のハイメ・ゴメス・リバス氏とLumiledsのトニ・ロペス氏で、彼らはLEDのアーキテクチャ内にナノ構造のメタサーフェスを統合するという斬新な方法を開発しました。これらのメタサーフェスは、アルミニウム(Al)または二酸化ケイ素(SiO₂)のナノ粒子を正六角形格子状に精密に配置したもので構成されています。この革新の核心は、メタサーフェスがLED内の量子井戸とどのように相互作用するかにあります。従来のように半導体材料自体を改変するのではなく、LEDの複数量子井戸(MQWs)の上にメタサーフェスを配置することで、ナノ粒子配列全体に局在共鳴が結合し、集団的な共鳴を引き起こすことを可能にしました。

 

研究チームは、3種類の異なるメタサーフェス強化型マイクロLEDを作製しました。1つ目は、電界発光の方向性を高めるために設計されたアルミニウムナノ粒子による回折型六角格子アレイ、2つ目は小型LEDデバイスにおいて全方向の光抽出を促進するサブ回折メタサーフェス、そして3つ目は、金属によるオーミック損失を回避するため、アルミニウムの代わりにSiO₂ナノ粒子を使用した回折型六角格子アレイです。

 

実験結果は非常に有望でした。1つ目のマイクロLEDでは、±30°の放射円錐内でおよそ8.6倍の方向性強化が確認されました。3つ目のSiO₂ナノ粒子を使用したタイプでは、基準デバイスと比較して光抽出効率(LEE)が21.4%に達し、大きな改善が見られました。

 

a Schematic cross-section of a LED device integrated with an Al metasurface. By applying a DC voltage, the device emits electroluminescence with a central wavelength of 450 nm from the sapphire side. The device size is 300 μm × 300 μm, divided into rectan
a Schematic cross-section of a LED device integrated with an Al metasurface. By applying a DC voltage, the device emits electroluminescence with a central wavelength of 450 nm from the sapphire side. The device size is 300 μm × 300 μm, divided into rectan
Source: Lumileds
Source: Lumileds

 

最初のマイクロLEDからの遠方場の放射パターンは、アルミニウム製メタサーフェスが六角格子構造を形成していることにより、六重対称性を示し、発光方向を精密に制御することが可能となりました。これは、方向性のない標準的なランバート型放射パターンを示す従来の基準デバイスとは著しく異なる特徴です。

 

従来、マイクロLEDの性能を向上させるための手法には大きな限界がありました。例えば、一部の方法では、メタサーフェスとの結合を強化するためにp型GaN層をエッチングする必要があり、さらに積極的な手法では、能動層を貫通してナノピラー型LEDを形成するためのエッチングが行われることもあります。しかし、これらの手法は、結晶成長層に欠陥を生じさせることでエピタキシャルの信頼性を損ない、非放射再結合チャネルを増加させて内部量子効率を低下させるなど、デバイス性能に悪影響を与えます。

 

一方で、今回新たに開発された手法は、いくつかの重要な利点を備えています。まず、半導体層を損傷させることなくエピタキシャル構造の完全性を保持できます。次に、光抽出の向上と放射方向の制御の両方に適した構造を実現しており、さらに既存の製造技術とも高い互換性を持っています。

 

Lumiledsによれば、従来のランバート型放射パターンをもつLEDでは、拡張現実(AR)やデータ通信といった用途において、光の広がりすぎが原因で光学的結合効率が低下し、また周囲の明るい環境下ではディスプレイの輝度が不足するという課題がありました。これに対処するため、Lumiledsのチームはナノフォトニクス技術に注目しました。同社のCTOは、今回のアプローチの実用的な利点として、メタサーフェスを標準的な複合コンタクト技術に統合することで、半導体構造を損なうことなく、既存の製造手法の範囲内で実装できる点を強調しています。

 

この技術はさまざまな応用分野での恩恵が期待されています。たとえば、ARディスプレイでは、光学系との結合効率が高まり、小型・軽量でバッテリー持続時間にも優れるヘッドセットの実現につながります。また、明るい環境でも輝度を保つ高解像度ディスプレイや、省電力性能の向上、光通信における指向性制御の最適化、さらには一般照明用途での高効率LED開発にも寄与する可能性があります。

 

Lumiledsとアイントホーフェン工科大学のハイメ・ゴメス・リバス教授のチームによるこの共同研究は、複数年にわたるパートナーシップの一環として継続されています。この研究の進展は、LEDの放射角を狭めつつ効率を高めることが可能であることを示しており、今後の研究成果への期待も高まっています。

 

この研究が特に注目されるのは、その実装方法にあります。過去の多くの研究では、半導体材料自体のエッチングを伴い、結果的に能動層を損傷するリスクがありました。しかし今回の手法では、メタサーフェスを半導体構造に損傷を与えずに統合しており、技術的な前進といえます。

 

LEDへのメタサーフェス応用に関する研究は、過去10年にわたって複数の研究グループが取り組んできたため、基本的な発想自体は新しいものではありません。しかし、今回の研究で示された実装方法と性能改善、特にSiO₂ナノ粒子による21.4倍という光抽出効率の向上は、明確な進歩として高く評価されます。

 

参照:

Abdelkhalik, M. S., Garcia-Santiago, X., van Raaij, T.-J., López, T., Berghuis, A. M., de Jong, L. M. A., & Gómez Rivas, J. (2025). Enhanced and directional electroluminescence from MicroLEDs using metallic or dielectric metasurfaces. Communications Engineering, 4(1), 1–10. https://doi.org/10.1038/s44172-025-00401-w