1. 窒化物半導体ナノ構造の構造・光学特性
発光ダイオード(LED)は高効率で低消費電力，小型・軽量，長寿命，低コストという多くの利点を持つ光電子デバイスです．高輝度青色LEDが作製され光の三原色が達成されて以来LEDの応用分野は大きく広がり，社会の発展に貢献しています．さらに，LEDを三原色集積型にすることで，次世代のディスプレイとして期待されているマイクロLEDディスプレイ・網膜走査型ディスプレイおよび高機能性の白色光源などのインパクト性の高い次世代デバイスを開拓でき，超スマート社会の実現に繋がると期待されます．
すでに実用化・商品化されている青色LEDは窒化物半導体のInGaNで作製されています．InGaNは，In組成を変化することにより可視光全域で発光が得られますが，低In組成で得られる青色発光に比べて，より高In組成で得られる緑色・赤色の発光効率は劇的に低下し，改善が求められています．ここで，In組成増大に伴うInGaN発光効率低下の原因として，転位密度の増大や結晶性の低下に伴う非輻射再結合確率の増大，格子歪の増加に伴う輻射再結合確率の低下が提示されています．
これらの問題を解決するために，本研究室ではナノ構造に着目して研究を進めています．系統的に作製された窒化物半導体ナノ構造に対して，ナノ構造導入が光学特性に与える影響について，構造特性と光学特性を対応させながら理解することを目指しています．コラム側面で自由端となるため応力が0になり，活性層に導入される歪が緩和し，輻射再結合確率の回復や臨界膜厚の増大に繋がります．特に，あるコラム径以下になると臨界膜厚は無限大に発散して不整合（ミスフィット）転位が発生しないことが理論的に示されていますが，InGaNナノコラムでも400 nm以上の大きい臨界膜厚になっていることを実験的に示しました．このように，高い結晶性や輻射再結合確率を維持したまま自由度高くデバイス構造を設計できることが，ナノコラム系の特徴となっています．
代表論文
T. Oto, Y. Mizuno, K. Yamano, J. Yoshida, and K. Kishino
"Column diameter dependence of strain relaxation effect in GaN/AlGaN quantum wells on GaN nanocolumn arrays”
Appl. Phys. Express 12, 125001 (2019).
T. Oto, Y. Mizuno, J. Yoshida, R. Miyagawa, K. Ema, and K. Kishino
“Effects of introduction of InGaN quantum structures on structural and optical properties of InGaN nanocolumns”
Phys. Status Solidi B 255, 1700481 (2018).
T. Oto, Y. Mizuno, A. Yanagihara, K. Ema, and K. Kishino
“Effect of structural properties on optical characteristics of InGaN/GaN nanocolumns fabricated by selective area growth”
Appl. Phys. Express 10, 045001 (2017).
2. プラズモニック結晶の発光デバイス応用
半導体だけでなく金属ナノ構造の研究も盛んに行われており，“表面プラズモン”と呼ばれる金属／誘電体界面の電子の疎密波を利用した発光増強や負の屈折率などが報告されています．表面プラズモンの導入は金属の蒸着という簡便な手法で行うことができ，様々な材料・構造において研究が進められています．
本研究室では，従来の半導体ナノ構造の作製技術や特性評価を発展させ，“プラズモニック結晶”と呼ばれる「金属／半導体のハイブリッド周期構造」を提案し，作製を行っております．表面プラズモンの状態を制御して発光増強や光機能制御を行うことで，高効率なLED・低閾値ナノレーザや新機能を付加した光電子デバイスの実現を目指して，研究を進めています．
実際に，三角格子配列のInGaN/GaNナノコラム（ナノワイヤ）に金を用いたプラズモニック結晶を導入することで，橙～赤色領域において最大5.2倍程度の発光増強を達成しました．プラズモニックバンド端で表面プラズモンの定在波が生じ，発光増強に寄与していることを示しました．
さらに，銀を用いたプラズモニック結晶の導入においても，赤色領域まで表面プラズモンの共鳴波長を長波化できることを示し，金より高い発光増強率が出られることを理論・実験の両方から示しました．
ナノコラム構造においてはコラム側面で表面プラズモン結合を引き起こしながら，電流注入が可能なLED構造が実現可能であり，結晶成長後のポストプロセスであるため，発光効率が低い赤色領域など特定の領域だけに後から導入できます．したがって，プラズモニック結晶は高効率なプラズモニックLEDの実現に繋がるだけでなく，赤色発光の高効率化の鍵になっていると考え，研究を推進しています．
代表論文
T. Oto, M. Namazuta, S. Hayakawa, K. Okamoto, R. Togashi, and K. Kishino
"Comparison of surface plasmon polariton characteristics of Ag- and Au-based InGaN/GaN nanocolumn plasmonic crystals"
Appl. Phys. Express 14, 105002 (2021).
T. Oto, K. Kikuchi, K. Okamoto, and K. Kishino
"Enhancement of light emission and internal quantum efficiency in orange and red regions for regularly arrayed InGaN/GaN nanocolumns due to surface plasmon coupling”
Appl. Phys. Lett. 111, 133110 (2017).
3. 金属ハライドペロブスカイトナノ結晶の光学特性と発光デバイス応用
金属ハライドペロブスカイト（CsPbX3, X = Cl, Br, I）ナノ結晶（量子ドット：QD）はハロゲン原子の組成比によって，InGaN系と同様に可視光全域で発光可能な材料であり，次世代のマイクロLEDディスプレイへの応用が期待されています．ペロブスカイトナノ結晶表面に長鎖アルキルを配位子として導入することで，塗布印刷プロセスという簡便な手法を用いて薄膜の作製が可能であり，さらにインクジェット技術を用いて高精細かつ微小領域の塗分けができます．ペロブスカイトナノ結晶の詳細な光学特性の評価から得られた知見を基にして，ペロブスカイトナノ結晶の劣化を抑制し，高輝度な発光が得られるようなRGB発光のナノ結晶・デバイス構造を提案し，研究を推進しています．
代表論文
H. Ebe, R. Suzuki, S. Sumikoshi, M. Uwano, R. Moriyama, D. Yokota, M. Otaki, K. Enomoto, T. Oto, T. Chiba, and J. Kido
"Guanidium Iodide Treatment of Size-controlled CsPbI3 Quantum Dots for Stable Crystal Phase and Highly Efficient Red LEDs"
Chem. Eng. J. 471, 144578 (2023).
【主な実験装置】
- 光学測定関係
・顕微分光装置（オリンパス社製BX53F2をベースとして自作）
・角度分解顕微分光装置
・時間相関単一光子計測装置(TCSPC)
・液体窒素冷却クライオスタット
・半導体レーザ（波長：405 nm，CW）
・ピコ秒パルスレーザ（波長：405 nm）
・Nd:YAGレーザ3倍波（波長：355 nm，パルス）
・水銀ランプ・ハロゲンランプ
・積分球 - シミュレーション関係
・有限差分時間領域法（FDTD）
・有限要素法解析（FEM）
・フォトニックバンド構造計算（PWE）
・厳密結合波解析（RCWA） - 半導体プロセス関係
・ドラフトチャンバー（成田研と共用）
・真空蒸着装置
・スピンコーター
・基板研磨装置
・電気炉
・ファインガラスカッター - その他
・3Dプリンター
・電子回路工作部品一式
