白色LEDは光の三原色の中で最後まで実現が難しかった「青色」を克服することで誕生しました。 青色LEDの鍵となった材料は直接遷移型半導体のガリウムナイトライド（GaN）ですが、高品質結晶の作製とp型ドーピングが極めて困難でした。 赤﨑・天野両氏はサファイア基板上にAlNバッファ層を挿入する方法で転位密度の低いGaN薄膜を成長させ、中村氏は低温GaNバッファと高温成長を組み合わせる手法を開発しました。 さらにMgをドープしたGaNを電子線または熱処理で活性化することでp型層を実現し、n型GaNとのpn接合により高効率発光が得られました。 青色LEDの実用化によって、蛍光体を介した白色LEDランプが可能となり、白熱電球の1/6以下の電力で同等以上の明るさを得られます。 照明に消費される電力量は世界全体の約15〜20％に達するとされ、LEDの普及はCO2排出削減と持続可能社会の構築に大きく貢献しています。 また紫外・可視レーザーダイオード、Blu-ray Disc、光通信向け光源など、新たな応用分野も開拓されました。 これらの成果は結晶成長、材料科学、デバイス物理が連携して社会問題を解決した好例といえます。

GaNは3.4eVのワイドバンドギャップを持つIII-V族化合物半導体で、直接遷移型ゆえに青紫領域で高効率な光を放射します。 しかしGaNと格子整合する安価な基板が存在せず、サファイア基板上に成長させると10の9乗cmマイナス2規模の転位が発生し内部量子効率が低下するという課題がありました。 赤﨑・天野グループはAlN薄層を用いた二段バッファとMOVPEを組み合わせて転位密度を10の8乗cmマイナス2程度に抑制しました。 一方中村氏は低温GaN核層後の高温成長という二温度法を確立し、Siドーピングによるn型GaNの低抵抗化にも成功しました。 MgドープGaNは水素複合体の形成で自己補償されますが、電子線照射や高温アニールで水素を離脱させ、正孔濃度を10の17乗cmマイナス3オーダーに引き上げました。 活性層にInGaN/GaN多重量子井戸を用いることで局在励起子を利用し、内部量子効率60〜80%を達成しました。 青色LEDとYAG系蛍光体を組み合わせた「白色LED」は300lm/Wを超える壁面効率と10万時間を超える寿命を持ちます。 その結果、照明分野におけるエネルギー消費と交換コストが大幅に削減されました。 さらにGaN系レーザーダイオードは409nm帯の短波長を生かし、高密度光記録、ヘッドアップディスプレイ、光殺菌など幅広い応用を開拓しています。 材料研究はAlGaN深紫外LEDや非極性/半極性GaN基板へと発展し、固体照明技術のプラットフォームを拡大しています。 青色LEDの開発はIII-N族半導体物性の再評価を促し、パワーエレクトロニクスやRFデバイスとの統合など新たな産業分野を生み出しました。 以上のように、2014年のノーベル賞受賞研究は、材料科学と光エレクトロニクスの両面にわたり画期的なインパクトを与え続けています。

GaN系青色LEDの高効率化は結晶整合性の向上、p型活性化、量子井戸設計、光取り出しの四つの技術要素に帰着する。 赤﨑らはAlN緩衝層を介したMOVPE成長で縦転位を抑制するとともに、サファイアとGaNの格子定数差および熱膨張係数差に起因する亀裂の最適化を行った。 中村は低温核層後の高温成長により3Dアイランドを2D成長に転移させ、スレッド転位の自己組織的アニール効果を誘発した。 Mg複合体の脱離により生成した浅い受容体準位は深さ約160meVであり、室温でも十分な正孔を提供する。 InGaN/GaN多重量子井戸におけるIn組成勾配は弾性緩和とドット化を引き起こし、局在励起子がシュタインブッフ効果で非輻射再結合を回避することで高内部量子効率が実現する。 しかし極性c面上では内部電界によるスタークシフトが問題となるため、m面・a面またはナノワイヤ構造で無極性/半極性のデバイス開発が進む。 光取り出し効率向上のためにサファイア裏面ラフニング、PSS、チップ側壁への反射膜蒸着などが導入された。 壁面効率はパッケージを含め65%以上に到達し、TRIAC調光やヒューマンセントリック照明への応用が拡大している。 深紫外領域ではAlGaNの欠陥生成エネルギーが高いため、フリップチップ構造やナノカソード励起など非従来型駆動方式が模索されている。 GaN on Siウェーハ技術はパワーHEMTと照明チップのモノリシック集積を可能にし、製造コストをSiラインに近づけている。 デバイスモデリングでは非平衡キャリア輸送、ポラロン効果、フォノン散乱を含むMonte-Carloシミュレーションが進み、励起子の密度依存非線形性やAuger再結合が高出力動作を制限する要因として定量化された。 アカサキ-アマノ-ナカムラの成果はIII-N族半導体物性の再評価を促し、量子ドットレーザー、µLEDディスプレイ、光LiFi通信など次世代応用を牽引し続けている。