2017 Fiscal Year Research-status Report
窒化物半導体／金属を用いたハイブリッドナノ構造の光物性探索と光電子デバイス応用
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17K18110
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| Research Institution | Yamagata University |
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Principal Investigator |
大音 隆男 山形大学, 大学院理工学研究科, 助教 (20749931)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 表面プラズモン / プラズモニック結晶 / 窒化物半導体 / ナノ構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，新しい光機能性を付加した窒化物半導体系光電子デバイスの実現に向けて，窒化物半導体／金属ハイブリッド周期ナノ構造を作製し，その光学特性評価を進めている．初年度は特に，ナノ構造効果と表面プラズモン効果を同時に窒化物半導体に導入することで，特に発光効率が低い橙～赤色領域において，発光効率の大幅な改善を目指して研究を推進した．初年度に得られた主な研究実績を以下に記す．
１．系統的にコラム径を変化したGaNナノコラム上にInGaN単一量子構造を作製して，光学特性評価を行った．ナノコラム構造に量子構造を導入することによって，輻射再結合確率が増大するだけでなく，よりコラム径の細い領域までコアシェル構造が形成されて表面再結合が抑制できることを明らかにし，ナノ構造発光デバイスの高効率化の設計指針を示した．
２．GaNナノコラム上に成長時間を変化させながらInGaNを成長して構造観察を行うことにより，GaNナノコラム上InGaNの成長機構を調査した．初期成長においては，島状成長によってGaNナノコラムの頂上にInGaN量子ドット構造が形成され，成長時間を長くすると横・高さ方向ともに成長していく．しかしながら，ある直径に達すると歪エネルギーの観点からそれ以上は横方向に成長することはできず，高さ方向のみに成長するという成長機構を明らかにした．
３．発光効率が特に低い橙～赤色領域において発光増強を実現するために，プラズモニック結晶に着目した．プラズモニック結晶を規則配列InGaN/GaNナノコラムに導入することで，橙色で最大5.2倍，赤色で最大3.8倍の発光増強を達成した．また，発光増強はプラズモニック結晶のバンド端近傍で顕著に起こることを電磁界シミュレーションおよびプラズモニックバンド計算の結果と比較することにより実証した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度の研究は，以下に示すように，申請書に記した計画がおおむね順調に進展している．なお，本研究は上智大学でスタートしたが，10月からは山形大学に移って研究を行っている．研究場所や環境の変化に伴い，一時的に研究の実施が滞ったが，研究内容の進捗には大きな影響はなかった．
１．GaNナノコラムのコラム径を系統的に変化させて，GaNナノコラム上の単一InGaN量子構造を作製した．この同一試料のコラム径に対する光学特性の変化を解析することで，ナノコラム構造における量子構造導入の効果を詳細に探求できるようになった．その結果，ナノ構造において量子構造を導入することにより，輻射再結合確率が増大するだけでなく，よりコラム径の細い領域までコアシェル構造が形成されて表面再結合が抑制できることを明らかにした．
２．GaNナノコラム上に成長時間を変化して成長したInGaNナノコラム試料を作製した．それらのHAADF-STEM観察を行うことにより成長機構を調査し，初期成長におけるInGaN量子ドット構造の形成からナノコラム構造の形成までの成長機構を明らかにした．
３．効果的に表面プラズモン結合を引き起こす構造を提案して実際に作製を行った．三角格子状に配列したInGaN/GaNナノコラム間を塗布ガラスで埋め込み，BHFを用いたウェットエッチングによって頭出しを行った後，その上にAu薄膜を蒸着した．表面プラズモン導入により，橙色で最大で5.2倍，赤色領域で最大3.8倍の発光増強を達成した．また，内部量子効率が増大していることも実証した．さらに，電磁界（FDTD）シミュレーションと平面波展開法によるバンド計算を組み合わせて評価することにより，プラズモニック特性の評価を進めた．その結果，発光増強はプラズモニック結晶のバンド端近傍で顕著に起こることを明らかにした．
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| Strategy for Future Research Activity |
１．井戸幅の異なるInGaN/GaN量子構造を有したナノコラムも同様にして，光学特性のコラム径依存性の評価を行うことで，ナノ構造における量子効果が光学特性に与える影響の理解を深める．
２．窒化物半導体からの赤色発光のさらなる発光増強や発光効率の向上を目指す．現状では，発光層の励起子と表面プラズモンとの結合確率が半分程度であると予想され，発光増強の改善にはプラズモニック結晶を導入するプロセスの最適化が必要不可欠である．表面プラズモンを発光デバイスに応用する場合，発光層と金属／半導体界面の距離が重要であるので，発光増強が顕著に起こる膜厚を最適化し，プロセス技術の精度を向上する．
３．高効率な窒化物半導体プラズモニックLEDの実現にむけて，電流注入型のデバイスに最適なプラズモニック構造をFDTDシミュレーションを用いて理論的に探索する．特に，申請書で述べたように，金の上部をエッチングで削ってナノコラムトップを露出した構造で発光増強が実現できるかを探索する．実際に，理論的に最適化した構造を作製し，プラズモニック特性の評価を進める．
４．窒化物半導体系の発光デバイスにおいて，新たな光機能性を発現するために，メタサーフェスやメタマテリアル応用を目指す．まずは，FDTDシミュレーションを用いて，サブ波長程度の窒化物半導体／金属のプラズモニック構造を作製し，光の出射方向・偏向などの光学応答の変化を探求する．
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