**LEDはナノスケールへ進化するが、効率の障壁が最小規模のLEDを妨げる** 研究者たちは光電発光素子（LED）をナノメートルレベルにまで縮小し、次世代ディスプレイ・光通信・医療機器向けに超コンパクトで高効率なデバイスの実現を目指しています。しかし、活性領域が10 nm以下に縮むと、いくつかの障壁が顕在化します。 - **量子拘束効果** がキャリア動態を変化させ、非放射復合を増大させる可能性があります。 - **表面状態** が支配的になり、トラップサイトが発光を消失させます。 - ナノ構造では熱の拡散が困難となり、連続動作に制限が生じます。 これらの課題克服には、ペロブスカイトや二次元半導体といった新素材の採用、原子層堆積（ALD）や高精度リソグラフィーなど先進的製造技術が検討されています。表面欠陥を低減し熱管理を改善することで、次世代ナノLEDは高輝度と低電力消費の両立が期待でき、真に小型化・省エネルギーな光源への道が開かれるでしょう。

MicroLED はピクセルが数ミクロンにしか広がらないため、ディスプレイ業界の代名詞として長い歴史があります。今やマイクロ‑LEDメーカーはその製品を未踏のナノ領域へと縮小し始めています。1 月には Polar Light Technologies というスタートアップが、500 nm 未満の青色 LED プロトタイプを発表しました。このことは一つの魅力的な疑問を投げかけます。「LED はどこまで縮小できるのか？」私たちにとって答えは少なくともかなり小さくなるということでしょう。

過去 1 年で、異なる研究グループがそれぞれ 100 nm 以下の LED ピクセルを実現しました――これらは史上最小級の LED の一部です。効率面ではまだ十分とは言えませんが、将来的にはナノLED が超高解像度の仮想現実ディスプレイやハイスペクトラムオンチップフォトニクスを動かすことも夢ではありません。さらに小さな LED を作る鍵は、より奇抜な LED を設計することにあるようです。

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LED の新しいアプローチ

Polar Light の例を取り上げます。同社の LED は、ガリウム窒化物（GaN）やインジウム・ガリウム窒化物（InGaN）などの III–V 半導体から作られています。多くの LED がトップダウンで半導体にエッチングされるのに対し、Polar Light は底部から奇妙な六角形ピラミッドを構築して製造しています。このピラミッドは大きめのマイクロLED市場向けに設計されており、2026 年後半に商業生産を開始する予定です。しかし、彼らはピラミッドがどこまで小さくできるかも試したいと考えていました。現在までに 300 nm のピラミッドを製造しています。

「まだ限界には到達していません」と Polar Light の CEO オスカー・ファイエルソン氏は語ります。「限界がわかっているのでしょうか？ いいえ、わからないのですが、もっと小さくすることはできます。」

他方で、研究者たちはすでにそれを実現しています。世界最小の LED の一部は、III–V 半導体ではなく OLED など別のタイプの LED を選択したグループから出てきました。「有機半導体に対して別の道筋を考えています」とスイス ETH チューリッヒの化学工学者チ・ジェン・シー氏は語ります。彼と同僚は、エレクトロンビームリソグラフィを用いた手法で、100 nm のピクセルまで小さな緑色 OLED 配列を作製しました。

今日最高のディスプレイが 14,000 PPI（インチあたりピクセル数）に達する一方で、10 月 2025 年 Nature Photonics に掲載されたこれらのナノLED は 100,000 PPI まで到達可能です。

別のグループはペロブスカイトを試しました。これは高効率太陽電池に優れた性能を示すことで知られるケージ型材料です。近年、ペロブスカイトも LED に採用されるようになりました。「ペロブスカイト LED をマイクロメートルからナノメートル規模まで縮小したら何が起こるかを見てみたかった」と浙江大学（杭州）のエンジニア、ダウェイ・ディ氏は語ります。彼のグループは比較的大きなペロブスカイト LED ピクセル（数百マイクロメートル）から始め、次第に小さくしていきました。1 µm を越えても止まらず、890 nm、440 nm、最終的に 90 nm まで縮小しました。この 90 nm の赤・緑ピクセルは 2025 年 3 月 Nature に掲載され、これまで報告された中で最小の LED と考えられます。

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効率の課題

残念ながら、小さくなると効率も低下します。ディのグループが作ったペロブスカイトナノLED は外部量子効率（注入された電子を光に変換する割合）が 5–10 % 程度です。一方、シー氏のグループは 13 % を超える性能を示しました。対照的に、典型的なミリメートル級 III–V LED は色によって 50–70 % の外部量子効率を達成します。

シー氏は、ナノOLED の製造方法を変更すれば効率を向上できると楽観しています。「理論上、小さいピクセルでも 30 %、40 % の外部量子効率を実現できますが、プロセス最適化には時間がかかります」と語ります。

ディ氏はペロブスカイトナノLED をより良い効率にするために材料の改良に取り組むべきだと考えています。彼のグループは現在大きめのペロブスカイトマイクロLED に注力していますが、最終的には研究者たちがナノLED の効率ギャップを克服すると予測しています。「小さな LED が実際に応用されるようになれば、この問題はますます重要になるでしょう」と述べています。

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ナノLED は何に使えるのか？

本当にこのように小さい LED で何ができるのでしょう。現在、より小さなピクセルを求める主な動機はスマートグラスや仮想現実ヘッドセットなどです。これらのディスプレイメーカーは、低消費電力（効率が重要）と最先端の画質を追求するために、ますます小さくなるピクセルを求めています。Polar Light のファイエルソン氏は、スマートグラス製造業者がすでに 3 µm ピクセルを目指していると語ります。

しかし研究者たちは、VR ディスプレイが 1 µm より小さいピクセルを必要とすることはないと懐疑的です。ピクセルをそれ以上縮小すると光の回折限界に達し、人間の目で解像できなくなります。シー氏とディ氏のグループはすでに 100 nm、90 nm のピクセルでこの限界を超えています。

非常に小さな LED は、AI データセンターなどが現在よりも大きな帯域幅で通信できるようにするオンチップフォトニクスシステムで役立つかもしれません。TSMC などの半導体メーカーはすでにマイクロLED インタコネクトを試していますし、将来的にはさらに小さい LED に切り替えることも想像できます。

しかし最も小さなナノLED は、光の波長よりも小さいため、もっとエキサイティングな応用があるかもしれません。「プロセス面から見ると、過去に不可能だった新しいコンポーネントを作っている」とシー氏は語ります。

たとえば、彼らのグループはナノOLED がメタサーフェス（ピクセル間の相互作用を制御する構造）を形成できることを示しました。将来的には、同様のデバイスがナノLED の光をレーザー状に集中させたり、ホログラフィックな 3D ナノLED ディスプレイを作り出すことも可能になるでしょう。