ULTECの深紫外半導体レーザーの実用化　深紫外半導体レーザーとは何か？強力な殺菌効果を持つ理由は？

この記事で分かること

ULTECの深紫外半導体レーザーの実用化

　旭化成初のベンチャー企業ULTECが、深紫外半導体レーザーの実用化2027年に行うと発表したことがニュースになっています。

　https://www.nikkan.co.jp/articles/view/00758200

　この取り組みは、従来の光源に比べて小型化、高効率化、長寿命化が期待されており、さまざまな分野での応用が注目されています。

深紫外半導体レーザーとは何か

　深紫外半導体レーザーは、深紫外（UV-C）と呼ばれる特定の波長域（200〜280nm）の光を放出する半導体素子です。この光は、細菌やウイルスのDNAを破壊する効果が高く、殺菌・消毒の分野で特に注目されています。

　従来の深紫外光源である水銀ランプに比べ、小型で高効率、長寿命、瞬時ON/OFFが可能という利点があります。

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仕組みと特徴

　深紫外半導体レーザーは、特殊な材料である窒化アルミニウムガリウム（AlGaN）系の半導体を用いて作られます。この材料で作られた素子に電流を流すと、電子と正孔が再結合する際にエネルギーを放出し、レーザー光が発生します。その主な特徴は以下の通りです。

• 波長: 200〜280nmの深紫外域で、殺菌効果が最も高い265nm付近の波長を放出できる。
• コヒーレンス: レーザー特有の単一波長（光の波長が揃っている）かつ指向性が高い（光の方向が揃っている）光を放出するため、特定の場所に集中的に光を照射できる。
• 高出力: 従来の深紫外LEDに比べて、より高い出力の光を生成できる。
• 小型・省電力: デバイスが小型で、少ない電力で動作する。

　深紫外LEDも似たような半導体素子ですが、レーザーは光を特定の方向に強く集約して放出できるのに対し、LEDはより広範囲に光を拡散させて放出します。この違いが、レーザーの高い出力と指向性を生み出しています。

応用分野

　深紫外半導体レーザーは、その強力な殺菌効果と精密な加工能力から、幅広い分野での応用が期待されています。

• 医療・ヘルスケア: 医療器具の殺菌、空気や水の浄化装置、手術室の滅菌など。
• 工業: 樹脂の硬化、微細なレーザー加工、半導体製造プロセスの改善。
• 分析・研究: バイオテクノロジー分野でのDNA解析や、化学物質のセンシング。
• その他: 食品・飲料水の衛生管理、空気清浄機など、私たちの生活に身近な製品にも応用が進められています。

窒化アルミニウムガリウム系半導体が用いられる理由は何か

　窒化アルミニウムガリウム（AlGaN）から深紫外半導体レーザーが発生する理由は、そのバンドギャップエネルギーの大きさと、それに伴う量子井戸構造を利用しているためです。

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バンドギャップエネルギーの重要性

　半導体は、電子が存在できない「バンドギャップ」と呼ばれるエネルギーの隙間を持っています。このバンドギャップの大きさによって、放出される光の波長が決まります。

• バンドギャップが大きい → 電子がより高いエネルギーを放出して光に変換される →波長の短い光（紫外線など）が生まれる。

　AlGaNは、このバンドギャップを組成（ガリウムとアルミニウムの比率）によって調整できるという特長があります。アルミニウムの比率を増やすとバンドギャップが大きくなり、深紫外の波長（200〜280nm）を発生させることが可能になります。

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量子井戸構造によるレーザー発振

　単にAlGaNを積層するだけでは、効率よく光を発生させることができません。そこで、量子井戸構造という、非常に薄い層を重ねた構造を用います。

　この構造では、バンドギャップの小さい層（AlGaN）を、バンドギャップの大きい層（AlNなど）で挟み込みます。電流を流すと、電子と正孔（電子の抜け穴）がこの薄い層に閉じ込められ、高い密度で再結合します。この再結合の際に、誘導放出という現象が起こり、光が増幅されてレーザー発振に至ります。

強力な殺菌効果を持つ理由は

　窒化アルミニウムガリウムから発生する深紫外レーザーが強力な殺菌効果を持つ理由は、その光が細菌やウイルスのDNAやRNAを直接破壊するからです。

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DNA/RNAの破壊メカニズム

　深紫外光（特に260-270nmの波長）は、生物の遺伝子情報が詰まっているDNAやRNAに効率よく吸収されます。この光エネルギーが吸収されると、DNAを構成する塩基（チミンやシトシンなど）が化学的に結合し、異常な二量体（ダイマー）を形成します。

　この異常な結合が、遺伝情報の複製や転写といったプロセスを阻害し、最終的に細胞の機能を停止させて死滅させます。

従来の殺菌方法との比較

• 熱消毒: 熱は細胞全体にダメージを与えますが、深紫外光は特定の分子（DNA/RNA）を標的にするため、より効率的です。
• 薬剤消毒: 薬剤は特定の細胞壁やタンパク質に作用しますが、深紫外光は遺伝子そのものを破壊するため、耐性を持つ細菌が出にくいとされています。

　このDNA/RNAを標的とした直接的な破壊が、深紫外光の強力な殺菌効果の根源です。

従来のレーザー加工との違いは何か

　加工に用いた際の深紫外レーザーと従来のレーザーとの主な違いは、光の波長です。深紫外レーザーは波長が非常に短いため、より微細で精密な加工が可能となり、熱による材料への影響も抑えられます。

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波長の違いと加工への影響

　従来のレーザー（赤外線、可視光）は波長が長いため、熱エネルギーに変換されやすく、加工時に材料を溶かしたり、熱影響を与えたりする欠点がありました。これにより、加工部の周囲にひび割れや変色が生じたり、精度の高い加工が難しくなったりします。

　一方、深紫外レーザーの波長は、物質の分子結合エネルギーに近いため、熱ではなく光化学反応によって材料を切断・除去します。この現象は「アブレーション」と呼ばれ、材料が直接分解・蒸発するため、熱による影響が非常に小さくなります。

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具体的な利点

• 高精度加工: 波長が短いため、光を集束させたスポット径も小さくなり、μm（マイクロメートル）オーダーの微細な加工が可能です。半導体チップの配線や、医療機器の精密部品など、高い精度が求められる分野で有利です。
• 熱影響の抑制: アブレーション加工により、熱によるひび割れや焼け跡が生じにくく、高品質な仕上がりが得られます。
• 多様な材料への適用: 有機EL材料やプラスチック、ガラスなど、熱に弱い材料でもダメージを抑えて加工できます。

　これらの特性から、深紫外レーザーは、半導体製造、医療機器、ディスプレイ製造といった精密加工技術が不可欠な分野で、従来のレーザーに代わる有力なツールとして注目されています。