わずかマイクロメートルのピクセルを持つ MicroLED は、長い間ディスプレイの世界の特徴でした。現在、マイクロLEDメーカーは自社製品の未知のナノ領域に挑戦し始めています。 1月、Polar Light Technologiesと呼ばれる新興企業は、直径500ナノメートル未満の青色LEDのプロトタイプを発表した。このことから、LED はどこまで縮小できるのかという興味深い疑問が生じます。

少なくとも、その答えは非常に短いものであることがわかっています。過去 1 年間、2 つの別々の研究グループが 100 nm 以下のサイズの LED ピクセルを実証しました。

これらは、これまでに作られた中で最も小さな LED の一部です。効率性に関してはまだ改善の余地が多くありますが、いつか NanoLED が超高解像度の仮想現実ディスプレイや高帯域幅のオンチップ フォトニクスに電力を供給する可能性があります。そして、これらの初期の取り組みが一例であるとすれば、さらに小型の LED を製造するための鍵は、より珍しい LED を製造することかもしれません。

LEDへの新たなアプローチ

極光の例を考えてみましょう。多くの LED と同様、スウェーデンに拠点を置くこの新興企業のダイオードは、窒化ガリウム (GaN) や窒化インジウム ガリウム (InGaN) などの III-V 族半導体で作られています。半導体を上から下に彫り込む多くの LED とは異なり、Polar Light は奇妙な形の六角錐を下から上に彫り込むことによって作られています。

Polar Light は、より大規模な microLED 市場向けにピラミッドを設計しており、2026 年末に商業生産を開始する予定です。しかし、彼らはまた、ピラミッドがどの程度小さくなるかをテストしたいとも考えていました。これまでに直径300nmのピラミッドを作成した。 「私たちはまだ限界に達していません」とPolar Light CEOのOscar Fagersonは言います。 「限界を知っていますか? いいえ、わかりませんが、知っているかもしれません。」 [make] 彼らは小さいんです。」

他の場所では、研究者たちはすでにそうしています。世界最小の LED の一部は、OLED などの他のタイプの LED を支持して、標準的な III-V 族半導体を放棄したグループからのものです。

「私たちは有機半導体への別のルートを考えています」とスイス工科大学チューリッヒ工科大学の化学エンジニア、Chih-Jen Shih 氏は言う。 Shih 氏と彼の同僚は、より小型の OLED を大規模に製造する方法を見つけることに興味を持っていました。電子ビームリソグラフィーベースの技術を使用して、わずか100nmのピクセルを持つ緑色OLEDのアレイを製造した。

現在の最高のディスプレイは 1 インチあたり 14,000 ピクセルですが、これらは NanoLED で導入されます (2025 年 10 月) 自然フォトニクス 紙 – インチあたり 100,000 ピクセルに達する場合があります。

別のグループは、高効率ソーラーパネルでの電力で最もよく知られるかご状の材料であるペロブスカイトに挑戦しました。ペロブスカイトは、最近 LED でも人気が高まっています。 「ペロブスカイト LED をマイクロメートルおよびナノメートルの長さスケールに小型化したらどうなるかを知りたかったのです」と、中国杭州にある浙江大学のエンジニア Dawei Di 氏は言います。

Di氏のグループは、直径数百マイクロメートルの比較的巨大なペロブスカイトLEDピクセルからスタートした。次に、それぞれが最後のピクセルよりも小さい、ますます小さなピクセルのシーケンスを作成しました。 1 ミクロンのマークを超えた後でも、それらは止まらず、890 nm、次に 440 nm となり、90 nm でのみ底を打ちました。これらの 90nm の赤と緑のピクセルは、2025 年 3 月に導入されました 自然 この論文は、おそらくこれまでに報告された中で最小の LED を表します。

効率性の課題

残念ながら、サイズの小型化にはコストがかかります。LED が縮小すると、効率も低下します。 Di のペロブスカイト ナノ LED グループの外部量子効率 (注入された電子がどれだけ光子に変換されるかの尺度) は約 5 ～ 10 パーセントです。 Shih のグループのナノ OLED アレイのパフォーマンスはわずかに向上し、最高は 13% でした。比較のために、一般的なミリメートルサイズの III-V LED は、色に応じて 50 ～ 70% の明るさに達します。

しかし、Shih 氏は、ナノ OLED の製造方法を変更することで効率が向上する可能性があると楽観視しています。 「理論上、OLED では、より小さなピクセルでも 30%、40% の外部量子効率が得られますが、プロセスの最適化には時間がかかります」と Shih 氏は言います。

ディ氏は、研究者が材料を工夫することでペロブスカイトナノLEDの効率をそれほど重要ではないレベルまで引き上げることができると信じている。同氏のグループは現在、より大型のペロブスカイトマイクロLEDに焦点を当てているが、最終的には研究者がナノLEDの効率ギャップに注目するようになるだろうとディ氏は期待している。より小型の LED のアプリケーションが魅力的になれば、「この問題はますます重要になる可能性があります」と Di 氏は言います。

NanoLED は何に使用できますか?

このような小さな LED で実際に何ができるのでしょうか?現在、より小さなピクセルを求める動きは主に、スマート グラスや仮想現実ヘッドセットなどのデバイスから来ています。これらのディスプレイのメーカーは、低消費電力で最先端の画質を追求するために、ますます小型のピクセルを求めています (効率が重要な理由の 1 つです)。 Polar Light の Fagerson 氏は、今日のスマートグラスメーカーはすでに 3 ミクロンのピクセルを要求していると述べています。

しかし研究者らは、VR ディスプレイに約 1 ミクロンより小さいピクセルが必要になるかどうかについては疑問を抱いています。それ以上にピクセルを縮小すると、光がオーバーシュートします 回折限界-これは、人間の目で解像するには小さすぎることを意味します。 Shih氏とDi氏のグループは、100nmと90nmのピクセルですでに閾値を超えている。

代わりに、はるかに小型の LED をオンチップ フォトニクス システムで使用することができ、AI データ センターが現在可能であるよりも広い帯域幅で通信できるようになります。チップ製造大手TSMCは、 MicroLED 相互接続はすでに試行中そして、チップメーカーが将来的にはさらに小型のLEDに注目することは容易に想像できます。

しかし、最小のナノLEDは光の波長よりも小さいため、さらに珍しい用途がある可能性があります。 「プロセスの観点から見ると、過去には不可能だった新しいコンポーネントを作成していることになります」と Shih 氏は言います。

たとえば、Shih氏のグループは、ナノOLEDがメタサーフェス、つまりナノサイズのピクセルを使用して各ピクセルが隣接するピクセルとどのように相互作用するかを制御する構造を形成できることを示した。いつか、同様のデバイスがナノLED光をレーザーのようなビームに集束させたり、ホログラフィック3DナノLEDディスプレイを作成したりできるようになるだろう。