2014 Fiscal Year Annual Research Report
高効率プラズモニック光・電子デバイスの基盤技術開発
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26289109
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
岡本 晃一 九州大学, 先導物質化学研究所, 准教授 (50467453)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
只友 一行 山口大学, 理工学研究科, 教授 (10379927)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | プラズモニクス / 光デバイス / 発光ダイオード / 窒化物半導体 / 量子井戸 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目標である、InGaN系量子井戸を用いた実用化レベルにおける電流駆動の高効率プラズモニックLEDの開発にむけて、初年度は以下の項目について研究を進めた。
(1). もともと高い発光効率を有する最高品質のInGaN/GaNにおいて、表面プラズモン（SP）共鳴による高効率化を試みた。研究分担者の山口大学のグループが、GaNの半極性基板上に成長した高品質InGaN/GaN試料を作製し、九州大学においてSP共鳴の効果を測定した。評価方法としては、光励起による発光スペクトルの測定、その温度依存性によるIQEの測定、時間分解発光測定によるPurcell増強ファクターの測定を行った。
(2). 電磁波解析シミュレーションによる金属ナノ構想の最適化を行った。SPの共鳴波長域と電場増強度は、金属ナノ構造のサイズ・形状等によって変わり、例えばAgナノ微粒子の直径を変化させることにより、SP－フォトン共鳴スペクトルを全可視光域にわたって変調でき、さらに微粒子対や２次元配列構造においては、微粒子間のナノギャップに特に強い増強電場が生じ、距離や配列によって共鳴波長・強度が大きく変わる。よって高効率化したい発光材料に合わせて、金属ナノ構造を最適化することは本目標を達成するためには必要不可欠である。
(3). 電流注入においてもSP共鳴の効果が有効に得られるように、極薄のP＋GaN層を備えたInGaN/GaN系LED構造を作製し、その上に熱処理によって銀ナノ微粒子を作製することによって、電流注入による発光の高効率化を実証できた。
(4). SP共鳴を提供する金属としては、多くの場合銀が用いられているが、新たな試みとして銀の代わりにアルミニウムを用いた。それによって予想以上の著しい発光増強効果を得ることに成功した。
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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
各研究項目について、進展を以下に述べる。
(1). 半極性GaN基板上に成長させた試料についても、通常のC面GaN基板上の試料と同様にSP共鳴による高効率化の効果があることがわかった。しかし、増強度はかなり低く、発光寿命もかなり短くなっていることがわかった。これを踏まえて、さらなる高効率化を達成するための金属ナノ構造やデバイス構造について、検討を続ける。
(2). 電磁波解析シミュレーションによる金属ナノ構想の最適化については、従来の計算ソフトに加え、あらたに並列計算系を構築し、さらに複雑な構造を短時間で計算できるように環境を整えた。これに関してはこれからの大きな発展が期待できる。
(3). 有効なSP共鳴の効果を保ちつつ、効率よく電流注入できるデバイス構造として、通常は厚み200nm以上あるP-GaN層を大幅にカットし、高ドープのP+GaNを20nm残した構造を作製した。この構造において、通常の試料と同等の電流注入発光を得ることができた。そこに金属ナノ構造を作製し、サイズの最適化を行うことで４倍程度の光励起による発光増強効果が得られた。さらに電流注入においても、約２倍の高効率化に成功した。増強度は約２倍に落ちてしまったとはいえ、本研究課題の目標とする電流駆動のプラズモニックLEDの作製にはすでに成功したため、本年度はおおむね順調に進展していると考えている。今後は増強効果の低下の原因をさぐり、さらなる最適化・改良を加える必要がある。
(4). アルミニウムを用いた予想外に著しい発光増強効果については、励起光の増強と発光の増強の相乗効果によるものであることを解析の結果明らかにした。このことは、アルミニウムを用いたSP共鳴がLEDのみならず、高効率太陽電池にも適していることを示している。本結果はApplied Physics Litterersで論文発表するまでに至った。
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| Strategy for Future Research Activity |
基本となるデバイス構造の作製にはすでに成功したので、これまでの結果を論文にまとめると同時に、さらなる金属ナノ構造とデバイス構造の最適化を、実験とシミュレーションの両面から進め、実用化レベルの効果が得られるように改良を加える。
具体的には、電磁波解析シミュレーションについては、古典電磁気学的に基づいたFDTD計算に量子場の効果を取り入れ、量子力学的な相互作用であるSP励起子－SP共鳴を予測する手法を考案する。さらにSPと電子系の相互作用を考慮し、それによってデバイス構造を最適化・デザインする。
計算で最適化した金属ナノ構造を実現するために、金属ナノグレイン、微粒子アレイ、微粒子２次元シート等のナノ構造を厳密に制御し、さらなる高効率化の達成を目指す。金属ナノ構造の最適化により、発光の内部量子効率(IQE)だけでなく、光取り出し効率も改善できる可能性がある。これは、金属ナノ構造のサイズによってSP－フォトン共鳴の効率と、光放射の角度が決まり、出射角度を制御することによって、結晶からの光取り出し効率も向上するためである。よって金属ナノ構造の最適化によって、励起子－SP共鳴による内部量子効率の向上と、SP－フォトン共鳴による光取り出し効率の向上の両方の達成を目指す。
光学特性評の価法方法としては、先述のIQEとPurcell増強ファクターの測定の他に、SP共鳴による高効率化とナノ構造の関係を詳細に理解するために、ナノスケールでの高空間分解における光学特性評価が必要である。その際に、通常の近接場光学測定では解像度が不十分である。そこで原子間力顕微鏡(AFM)のチップを用いたチップエンハンス型近接場光学測定の系を構築し、金属微粒子周辺の発光増強効果の原子分解能での観測を試みる。
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| Causes of Carryover |
当初の予定では、初年度に金属ナノ構造を試料い基板の特定の場所に作製するために、マスクアライナーを導入する予定であった。しかし、マスクアライナーは共通利用機器として用いることが可能になったため、導入を見合わせることにした。研究が進むにつれて、発光特性の空間分解パターンの解析と、さらにはナノ構造試料の電気特性を空間分解において評価することが非常に重要であることがわかったきた。そこで、原子間力顕微鏡(AFM)のチップを用いたチップエンハンス型近接場光学測定の構築とその改良に予算を当てることとした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
28年度に、SP共鳴の効果とデバイス性能の両方を保つ構造を作製するために、発光層、電子ブロック層(EBL)、正孔ブロック層(HBL)層の最適化を計画している。高効率プラズモニックLEDの開発に置いて最も重要なのは、有効なオーミックコンタクトを保ったままで、P層をいかに薄くできるかであることがわかってきた。本年度は厚み20nmの薄膜化が達成できているが、本研究期間内に最もSP共鳴が効果的に作用する厚み10nmを達成する必要がある。それによって、金属界面と量子井戸の距離を数nmに保ったままで、PN接合を作製し、良好なオーミックコンタクトによって発光を得ることができると期待できる。それがInGaN系量子井戸による初めての実用化レベルでの高効率プラズモニックLEDの開発につながると確信するにいたった。そこで27年度にチップエンハンス型近接場光学測定を構築し、28年度にそれにナノ電流特性評価の機能を追加するために予算を用いる。
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Research Products
(20 results)
