課題番号 ：S-17-OS-0032
利用形態 ：機器利用
利用課題名（日本語） ：プラズモンによるEu添加赤色発光ダイオードの発光強度増大
Program Title (English)　：Enhancement of light emission from GaN:Eu LEDs by surface plasmon polariton
利用者名（日本語） ：舘林潤、山田智也、藤原康文
Username (English) ：J. Tatebayashi, T. Yamada and Y. Fujiwara
所属名（日本語） ：大阪大学大学院工学研究科　マテリアル生産科学専攻
Affiliation (English) ：Graduate School of Engineering,Osaka University
キーワード／Keyword　　　 ：希土類添加半導体、表面プラズモン共鳴、走査型電子顕微鏡

１．概要（Summary）
我々は有機金属気相エピタキシャル（OMVPE）法によりEu添加GaN（GaN:Eu）を用いた発光ダイオード（LED）を作製し、室温・電流注入下でEuに起因する赤色発光を得ることに成功している。現在、Eu添加GaN LEDの光出力は当初の目標であった1 mWを達成したが、更なる光出力増大を目指している。これまでのEuイオンの発光メカニズムの解明によりEuの発光遷移確率がEu発光の律速過程であることが判明した[1]。そこで本研究では局在型及び伝搬型表面プラズモンモードと結合させることで、Eu発光遷移確率の増大とGaN:Euの発光強度増大を試みた。

２．実験（Experimental）
【利用した主な装置】
S14走査型電子顕微鏡
S12紫外可視分光光度計
S16 SIMS付カウフマン型イオンミリング装置
【実験方法】
GaN:Eu LEDの表面にEB蒸着法を用いてAg或はAu薄膜を堆積させ、RTA装置を用いて200℃の窒素雰囲気下で30分間アニールを行うことでLED表面にAg或はAuナノ粒子を形成した。走査型電子顕微鏡で構造観察を行った。一方、伝搬型プラズモン作製には微細周期構造のAg或はAu薄膜が必要となるため、電子線描画装置を用いてパターン形成を行った。

３．結果と考察（Results and Discussion）
Fig.1に300Kでのそれぞれの試料のPLスペクトルを示す。PL発光強度はAgナノ粒子の粒径が増加するにつれ増大し、最大で3.4倍の増大に成功した。次にPL発光強度が最も増加したAg 20 nmを蒸着した試料とAgナノ粒子を有さない試料の時間分解PL測定を行った。得られた結果からEu発光寿命を算出すると、Agナノ粒子を有する試料は204 µsとAgナノ粒子を有さない試料(263 µs)と比較して短くなっており、発光遷移確率を1.3倍増大させることに成功した[2,3]。最後に作製した試料に電極を蒸着し、電流注入においてAgナノ粒子を有するLEDの評価を行った。Agナノ粒子の有無によってLEDの電気的特性に大きな変化は無い一方、発光強度はAgナノ粒子を形成することにより約2.1倍増加させることに成功し、今回作製したLEDが電流注入においても発光強度増大に有効であるということが明らかになった。

４．その他・特記事項（Others）
なし。

５．論文・学会発表（Publication/Presentation）
[1] T. Inaba, T. Kojima, G. Yamashita, M. Ashida, and Y. Fujiwara, International Conference on Defects in Semiconductors (ICDS), TuP-64, Matsue, Japan, July 31-August 4 (2017).
[2] 山田智也, 稲葉智弘, 舘林潤, 藤原康文, 第78回 応用物理学会秋季学術講演会, 8a-A414-4 (2017).
[3] T. Yamada, T. Inaba, T. Kojima, and Y. Fujiwara, International Conference on Defects in Semiconductors (ICDS), ThB3-3, Matsue, Japan, July 31-August 4 (2017).

６．関連特許（Patent）
なし。