表面プラズモン共鳴によるInGaN/GaN多重量子井戸の発光増強

摘要

我々は2004年に，プラズモニクスの技術を高効率LEDの分野へ応用し，Agのランダムグレイン構造によってInGaN系発光材料表面の発光強度を約14倍まで大きく増強できることを実証した[1].プラズモニクスとは金属/誘電体界面に発生する電子の集団的振動である表面プラズモン(SP)を制御し，ナノ光導波路などに利用する近年注目を集めている技術である.金属/誘電体界面の表面波は表面プラズモンポラリトン(SPP)と呼ばれ，界面に2次元的に閉じ込められた電磁波の状態で存在する.その際に電磁場が界面垂直方向へ数十nm程度の侵入長をもっために，InGaN系量子井戸(QW)の近傍に金属を蒸着するとQW内の励起子とSPPが共鳴し，励起子のエネルギーがSPPに変換され，その一部が光として取り出される[2-3].このSPP を介する新たな発光プロセスが，非輻射再結合に比べ速く行われることで，相対的に発光が増強されるというのがSPによるLEDの高効率化の要因である.実際に時間分解測定により発光寿命が短くなることを確認している「4-5].さらにその発光増強度はQWまで侵入したSPPの電界強度に依存しており，QWが表面に近いほどSPの増強が顕著にあらわれることも明らかにした[1].したがって実用的なLEDの構造として主に用いられる多重QWでは深部の活性層ほどSPPの侵入電界強度が弱く，共鳴による増強効果も弱くなるため，単層QWと比べ全体の増強度が低くなってしまうと予想される.