主要成果
研究チームは、1525nmで動作する極めて効率的な重金属フリーの短波赤外（SWIR）LEDを実現しました。このデバイスは、最大外部量子効率（EQE）3.5%および記録的な輝度である約17 W sr⁻¹ m⁻²を達成し、T50動作寿命は16時間を記録しています。特に、1400nmを超える発光波長において、55%を超えるPLQYを測定した点が大きな成果です。
技術・詳細
今回の性能向上は、シェルの成長メカニズムの制御と界面エンジニアリングという2つのアプローチによって達成されました。
- シェル成長の最適化： 高温でのZnCl₂処理と連続的な前駆体注入を採用することで、シェルの核生成と成長を改善しました。
- 界面酸化の制御： 意図的な界面酸化を導入することで、シェルの厚み増加に伴う歪みの影響を軽減し、シェルを厚くしてもPLQYを高く維持することに成功しました。
- デバイス構造の改善： 半導体InAs CQDの中間層を導入することで、界面での消光を抑制し、電子の過剰注入を調節しました。さらに、ドープされた正孔輸送層を組み合わせることで直列抵抗を低減させています。
背景・業界の文脈
短波赤外（SWIR）光源は、高度な光通信、深部組織のバイオイメージング、マシンビジョンなどの次世代技術に不可欠です。従来の化合物半導体を用いたエピタキシャルSWIR LEDは、格子整合の厳しい制約や製造コストが高く、シリコンへの統合が困難という課題がありました。一方、コロイド量子ドット（CQD）は、サイズによるバンドギャップ調整が可能で、溶液プロセスによる低コストな製造ができるため、有力な代替手段とされてきました。
しかし、1400nmを超える波長域では、コアとシェルの格子不整合による非放射再結合などの影響でPLQYが通常20%以下に留まっており、また、多くの研究が毒性の高い重金属ベースの半導体に依存していたため、重金属フリーな材料での高性能化は困難な課題となっていました。
今後の展望
本研究で示されたメカニズム主導のシェル成長と合理的なデバイス設計の統合は、コロイド発光体のボトルネックを克服する戦略となります。これにより、環境負荷の低い重金属フリーな材料を用いても、実用的な効率を持つ短波赤外デバイスの構築が可能となり、SWIRアプリケーションへの移行が加速することが期待されます。
元記事: https://doi.org/10.1038/s41467-026-77896-0
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