課題番号 ：S-18-OS-0015
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GaN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、佐々木豊、松出耀司、藤原康文
Username (English) ：J. Tatebayashi , Y. Sasaki, Y. Matsude 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

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を達成しており、現在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】
走査型電子顕微鏡[SU-9000]
【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。走査型電子顕微鏡を用いて構造観察を行った。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。パターン作製後上下に電極を形成し電流注入下で出力光特性を評価した。

３．結果と考察（Results and Discussion）
300Kでの各々の試料のPLスペクトルを評価した。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倍の発光強度増大に成功した。次に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)と比して短くなり、発光遷移確率を1.3倍増大させることに成功した[1-3]。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、発光強度は約2.1倍増加させることに成功した。（Fig. 1）

４．その他・特記事項（Others）
なし。

５．論文・学会発表（Publication/Presentation）
[1] J. Tatebayashi, T. Yamada, T. Inaba, Y. Matsude, S. Ichikawa and Y. Fujiwara, International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN2018), OD6-4, Kanazawa, Japan, 2018 November.
[2] Y. Matsude, T. Yamada, S. Ichikawa, J. Tatebayashi, and Y. Fujiwara, IWN2018, CR4-1, Kanazawa, Japan, 2018 November.
[3] J. Tatebayashi, T. Yamada, T. Inaba, S. Ichikawa, and Y. Fujiwara, Jpn. J. Appl. Phys. In press.

６．関連特許（Patent）
なし。