【ノーベル物理学賞】赤崎 勇先生・天野 浩先生・中村修二先生の研究-LED普及のカギを握る「青色発光ダイオード」の実現に貢献

2014年物理学賞 赤崎 勇
あかさきいさむ
先生(名古屋大学特別教授、名城大学教授

2014年物理学賞 天野 浩
あまのひろし
先生(名古屋大学教授

2014年物理学賞 中村修二
しゅうじ
先生(アメリカ・カルフォルニア大学サンタバーバラ校教授

※肩書は受賞当時 ※中村先生は受賞当時、アメリカ国籍

 豊かな生活を営む上で人工的な光は欠かせません。しかし、古くからある白熱電球は光だけでなく熱も生じるため、エネルギー効率の悪さが問題になっていました。省エネルギーが求められている中、白熱電球を使い続けることはできないため、近年、急速に普及しているのが、半導体が光を発する発光ダイオード(LED)です。

 半導体は、電気を流せる導体と電気を流せない絶縁体の中間の性質をもち、外部から電圧や磁力を加えることで電気を流したり、流せなくしたりできます。LEDに使われている半導体は、マイナスの電子によって電気が流れる「n型半導体」と、電子を受け取るプラスの穴(これを「正孔
せいこう
」といいます)によって電気が流れる「p型半導体」をつなげてつくられています。

 この半導体に電圧をかけると、n型半導体側から電子が、p型半導体側からプラスの穴が移動して、両者が衝突すると光を発するしくみになっています。

 その際、白熱電球のように熱を発することはなく、エネルギーのほとんどを発光に利用できるのです。

 だからこそ、LEDは急速に普及しているのですが、その原理が考案されたのは意外に古く、1962年まで
さかのぼ
ります。その後、赤色、黄色、黄緑色に光を発するLEDは開発されていたのですが、なかなか青色の光を放つLEDは実現しませんでした。実は赤色、黄色よりも波長の短い青色の光を放つには、より硬い結晶を用いる必要があり、なかなか青色LEDは実現しなかったのです。

 世界中の研究者がセレン化亜鉛や炭化ケイ素を材料に青色LEDの開発を進めていたのに対して、赤崎勇博士は窒化ガリウムを選びました。サファイアの基板に窒素やガリウムを含むガスを吹き付けて結晶をつくろうとしたものの、窒化ガリウムのきれいな結晶はなかなかできませんでした。

 当時、赤崎博士の研究室の大学院生だった天野浩博士がサファイアの基板の上に窒化アルミニウムの膜をつくった上に窒化ガリウムの結晶をつくることに成功。この結晶はp型半導体だったため、これに微量のマグネシウムを加えてn型半導体をつくり、両者をつなげて電気を流すと青色の光を放ちました。

赤崎博士が開発した窒化ガリウム結晶の製造法

 しかし、赤崎博士、天野博士が考案した方法では、結晶をつくり続けるうちにサファイア基板が熱くなって上向きの対流が生じて、結晶はできにくくなってしまいます。そのため中村修二博士は上から窒素ガスを吹き付けるとともに、半導体の原料のガスを横から吹き付ける「ツーフロー方式」を開発。これなら上向きの対流を抑えられ、安定して窒化ガリウムの結晶をつくれるようになりました。

中村博士が開発したツーフロー方式

 こうして青色LEDを大量生産できるようになったことで、LEDは急速に普及したのです。青色LEDを実現した功績を称えて、2014年、赤崎博士、天野博士、中村博士にノーベル物理学賞が贈られました。

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サイエンスライター。1968年、大阪府生まれ。東京水産大学(現東京海洋大学)卒業後、ライターとなり、最新の研究成果を取材し、科学雑誌を中心に記事を発表している。著書に『がん治療の正しい知識』、『寄生虫の奇妙な世界』、『イヌとネコの体の不思議』、『群れるいきもの』などがある。

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