2026.08.03 NEWS

単一材料で同一箇所から多色発光！電流量で波長が変わらない次世代LEDを実現！ー超高精細フルカラー・マイクロLEDディスプレイ実現に新たな道ー

研究成果のポイント

窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)^※1に希土類元素のテルビウム(Tb)^※2を添加した発光ダイオード(LED)を開発し、室温電流駆動条件下で、同一箇所から青・緑・黄・赤の多色発光を得ることに成功し、高い波長安定性も示した。
GaN系LEDは、各色をモノリシック^※3に集積することにより次世代のマイクロLEDディスプレイ^※4を実現可能なことから、近年高い注目を集めているが、電流量により発光色が変化してしまう大きな課題があった。
Tb添加AlGaN中のアルミニウム（Al）の割合を増やすことで、Tbイオンへのエネルギー輸送過程が円滑になり、発光効率が飛躍的に向上することを発見し、超高解像度かつ広色域・波長安定のフルカラーマイクロLEDディスプレイの実現に期待。

概要

　立命館大学総合科学技術研究機構の藤原康文教授と大阪大学大学院工学研究科の市川修平准教授らの研究グループが協力し、希土類元素のテルビウム(Tb)を添加した窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)を用いて、室温で動作する多色発光LED(青・緑・黄・赤)の実証に成功しました。
　GaN系LEDは、各色を集積することで、次世代のマイクロLEDディスプレイを実現可能なことから、近年高い注目を集めています。一方で、電流注入量により発光色が変化してしまうことが大きな課題でした。また従来の半導体LEDでは、一つの発光層からは一つの色のみしか実現できないことから、フルカラーディスプレイを実現するために、複数の発光層を積層（あるいは横方向に配置）する必要がありました。
　本研究で実現したLEDは、これら双方の課題を打破できる新たな種類の可視光LEDです。このLEDは、電流量を変えても各発光色が全く変化しない極めて高い波長安定性があることを示しました。また、Tb添加AlGaN LEDにおいて、アルミニウム（Al）の組成割合を増加させることでTbイオンへのエネルギー輸送が円滑になり、発光効率が劇的に向上するメカニズムがあることも明らかにしました。
　Tb添加AlGaNは、単一材料で安定な可視多色発光を実現できることから、今後LED成膜後に光共振器などを利用して各色の発光比率を自在に制御できれば、複数の発光層の集積が必須だった従来手法とは異なる道筋でのフルカラーモノリシック集積が可能になります。

　これらの理由から本成果は、次世代マイクロLEDディスプレイ実現に向けて重要な技術進展と言えます。本研究成果は、米国科学誌「Applied Physics Letters」に、2026年7月1日（水）に公開され、編集者が選ぶ注目論文「Editor’s Pick」にも選出されました。

図1 電流注入時に安定な青・緑・黄・赤色発光を呈すTb添加AlGaN LEDの模擬図。

詳細は、以下のプレスリリースをご覧ください。
https://www.ritsumei.ac.jp/profile/pressrelease_detail/?id=1318

藤原教授のコメント

　希土類元素Tbを添加したAlGaN半導体を用いることで、単一の発光層から安定した多色発光を実現し、従来のマイクロLEDが抱える課題に対する新たな解決策を示すことができました。従来のInGaN系LEDでは、発光色の波長シフトやRGBごとに異なる発光層を必要とすることが課題でしたが、本研究ではTbイオン特有の発光特性を活用することで、同一材料から複数色を取り出せる可能性を実証しました。また、Tbイオンへの効率的なエネルギー伝達や結晶品質の向上が発光特性の改善に大きく寄与することを明らかにし、デバイス設計に有用な知見を得ることができきました。さらに、本研究で用いた作製手法は既存のGaN系半導体の量産プロセスであるMOVPE法を利用していることから、将来的な製造技術への展開も期待されます。
　今後は、さらなる発光効率や色純度、耐久性の向上に取り組むとともに、次世代マイクロLEDディスプレイをはじめとするさまざまな光デバイスへの応用を目指して研究を発展させていきたいと考えています。

用語説明

※1 窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)
窒化ガリウム系のLEDや半導体レーザーなど、現代の省エネ・高輝度な光デバイスを根幹から支える半導体材料です。とくに窒化アルミニウムガリウムは窒化ガリウム（GaN）と、窒化アルミニウム（AlN）を混ぜ合わせた半導体材料で、組成を変えることで、バンドギャップ等の物性を制御することが可能です。
※2 テルビウム(Tb)
希土類元素の一種であり、3価のTbイオンは、4f内殻遷移に伴う青（約490nm）、緑（約550nm）、黄（約580nm）、赤（約620nm）の複数の色を同時に発光する性質を持つことが知られています。GaN結晶中に添加することで、電流駆動可能な波長安定な多色LEDとしての応用が可能となります。
※3 モノリシック
フルカラーLEDのモノリシック集積とは、少なくとも赤・緑・青（RGB）の3原色のLEDを、単一の基板上に一体（モノリシック）として作り込む技術のこと指します。従来は、個別に製造した赤・緑・青のチップを一つずつ基板に並べる「ピック＆プレイス」方式が一般的でした。これに対しモノリシック集積では、結晶成長とプロセス技術により、同一基板上にフルカラーLEDを一度に集積できるため、製造工程の大幅な効率化、デバイスの小型化・高精細化を可能にする次世代技術として注目されています。
※4 マイクロLEDディスプレイ
極小の無機LEDを一つ一つの画素として敷き詰めた次世代のディスプレイです。従来の液晶や有機ELと比べて、高解像度で効率が高く、非常に明るいのが特徴です。