大阪大学と立命館大学は、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）の実証に成功した（ニュースリリース）。
現在、注目されている「マイクロLEDディスプレイ」の実現には、赤・緑・青（RGB）などの微細なLEDチップを同一基板上に一括して作り込む「モノリシック集積」が求められる。しかし、現在主流のインジウムガリウム窒化物（InGaN）を用いた緑色や赤色LEDは、電流を増やすと発光する色にずれが生じてしまうという大きな課題があった。また、通常の半導体からの発光は、一つの発光層からは一つの色しか実現できないことから、複数の発光層を積層する必要があった。
研究グループは、一つの材料で多色に光り、周辺環境の変化に発光色が影響されない「希土類元素」を添加した半導体に注目した。なかでも、青・緑・黄・赤色と同時に4色で発光するTbイオンに着目し、結晶成長過程でTbを添加したAlGaN半導体による新たな可視光LEDの実現を目指した。作製にあたっては、すでにGaN系半導体の量産に使用されているMOVPE法を利用。実際に作製したTb添加AlGa NLEDに対して、室温下で電流を流すことでTbイオン由来の安定した4色の発光が得られることを実証した。
研究の結果、母体となるAlGaN半導体のアルミニウム（Al）の割合を増やすほど、Tbイオンへ効率よくエネルギーが伝達され、発光効率（外部量子効率）が劇的に向上する機構があることがわかった。さらに、発光層の下地層に窒化アルミニウム（AlN）を用いると、基板との格子のずれが減少して高い結晶品質が得られることや、Tb周りの結晶に圧縮ひずみが導入されることで、Tbがより発光しやすい状態（高い放射遷移速度）へと変化する。そうして、電気的・光学的特性が大幅に向上することを実証した。また、カラーフィルターを通すことで、同じ発光領域からRGBそれぞれの光を選択的に取り出すことにも成功した。
研究成果により、単一の半導体材料（Tb添加AlGaN）から、電流注入量に対して高い波長安定性を示す多色発光が得られることが示された。これにより、RGB個別のチップを一つずつ並べる複雑な製造工程から脱却し、同一基板上にフルカラーLEDを一括で形成する「モノリシック集積」に向けた新たな可能性が示された。今後は、発光効率のさらなる向上や、各色の発光比率を自在に制御する技術の確立を目指す。製造工程の大幅な効率化につながるだけでなく、スマートグラスやウェアラブル端末向けの超小型・高精細フルカラーディスプレイの実用化を加速させる画期的な成果だとしている。
