2019 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation of optical characterizations in nitride semiconductor/metal hybrid nanostructures and their optoelectronic device applications
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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 | プラズモニック結晶 / ナノコラム / 表面プラズモン / 窒化物半導体 / 発光デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
【最終年度に実施した研究の成果】
Tiマスクを用いた選択成長法によって，GaN/AlGaN量子井戸を有した窒化物半導体ナノコラムアレイ構造を直径55 nmまで細線化することに成功した．コラム直径の減少に伴って，量子井戸からの発光波長は短波長側にシフトし，そのシフトの起源が歪緩和効果であることを理論計算から明らかにした．
また，ナノコラム結晶上部から活性層を光励起でき，電流注入も可能なプラズモニックナノ構造を提案して，実際に作製を行った．具体的には，ナノコラムアレイ間を塗布ガラスで埋め込み，BHFを用いたエッチングを行った後，金をコラムが完全に埋まるまで蒸着した．その後，ナノコラムトップが露出するまで金のウェットエッチングを行った．不均一性は大きいもののナノコラム間に金ナノ構造を形成でき，金ナノ構造導入前後のPLスペクトルを結晶上部から評価したところ，金ナノ構造導入によって最大4倍程度のPL増強を達成した．
【研究機関全体を通じて実施した研究の成果】
窒化物半導体ナノコラム構造を直径を変えながら作製し，電子顕微鏡による構造特性評価と顕微PL測定による光学特性評価を比較して，ナノ構造効果が光学特性に与える影響について系統的に議論した．ナノコラム構造における歪緩和効果や表面再結合を実験的に明らかにすることでInGaN系発光デバイスの設計指針を与え，本分野に大きな貢献を果たした．
また，ナノコラムアレイ構造にプラズモニック結晶を導入することで，橙～赤色領域において発光増強を達成し，発光増強の起源は表面プラズモンの定在波であることを明らかにした．さらに，プラズモニック結晶を用いることで発光特性が大きく変化し，プラズモニックバンドを利用した出射方向制御の可能性を見出した．高効率プラズモニックLEDを実現するために必要なプラズモニック構造を作製し，ナノコラム側面での発光増強にも成功した．
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