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産総研､半導体中で発生した光を高効率で外部へ取り出す方法を発見
March 6, 2009, つくば--産業技術総合研究所（産総研）ナノテクノロジー研究部門近接場ナノ工学研究グループ､王学論主任研究員、同研究部門 小倉睦郎主任研究員と、フランス国立科学研究センターパリナノ科学研究所は、微小なV字型の溝を持つ基板上に形成した半導体材料の中で発生した自然放出光が50%を超える効率で空気中に放出される現象を発見し、そのメカニズムを解明した。
半導体材料の屈折率は一般に空気より高いため、半導体と空気との界面では、光の全反射現象が起こりやすい。そのため、半導体材料の中で発生した自然放出光を高い効率で空気中に取り出すことが極めて難しい。例えば、通常の平坦な基板上に形成した半導体発光材料では、全発光量の数%しか空気中に取り出せない。これは、発光ダイオードなど各種の半導体光デバイスの発光効率の向上を妨げる大きな要因である。
今回、微小なV字型の溝を持つ基板上に半導体発光材料を形成した。溝の形状を制御することで50%以上の効率で光を取り出すことができた。発光材料内部で発生した自然放出光が発光材料表面で全反射する際にエバネッセント光が生じ、材料表面がV字型の形状を持つため異なる面で生じたエバネッセント光同士が干渉し空気伝播（でんぱ）光に変換され、50%を超える効率で空気中に放出されることを見いだした。この現象は、さまざまな半導体光デバイス、特に照明・表示用の省エネルギー光源として有望な発光ダイオードへの応用が期待できる。
化合物半導体を用いた高効率の発光ダイオード（LED）は、照明・表示用の省エネルギー光源として大きな注目を集めており、その大規模普及に向けた研究開発が各国で進められている。LEDが普及することで世界で消費されている電気エネルギーの約10%が削減できると予測されている。
LED の発光効率を向上させるには、半導体内部で発生した光をできるだけ高い効率で空気中に取り出さなければならないが、半導体と空気の界面で起こる全反射現象によって光が内部に閉じ込められやすく、高い効率で空気中に取り出すことが極めて難しい。これまでにさまざまな光取り出し技術が開発されたが、効率や製造コストの面で多くの課題が残されている。LEDの大規模普及のために、高効率で低コストの光取り出し技術の開発が強く望まれている。
物質表面で全反射が発生すると反射面の近くにだけ存在するエバネッセント光と呼ばれる特殊な光が発生することが知られている。エバネッセント光は、表面に沿って波長より短い距離を進むとすぐに物質内部に戻るため、通常、外部の空気中へ取り出すことができない。今回、微小なV字型の溝を持つ基板上にナノ構造を持つ半導体発光材料を形成したところ、二つのエバネッセント光が互いに干渉して、極めて高い効率で空気伝播光に変換される現象を見いだした。
今回用いた試料は、微小なV字型の溝を持つヒ化ガリウム（GaAs）基板上に有機金属気相成長法を用いてGaAs/ヒ化アルミニウム・ガリウム (AlGaAs)系のナノ構造を形成したもの。V字型溝間の平坦部分の下に形成したGaAs量子井戸層の発光特性をフォトルミネセンス法で評価｡平坦面の横幅Wを1µm以下に狭くすると、発光の強度が急激に増大することが分かった。また、データを定量的に解析した結果、平坦面の横幅が約0.5µmの試料の場合、量子井戸で発生した光の50%以上が発光材料から空気中に放出されていることが判明した。これは従来の平坦基板を用いた半導体発光材料に比べて20倍も高い効率。
さらに、理論解析および発光強度の空間分布測定により、上記の発光効率増大現象のメカニズムを解明。量子井戸で発生した光が発光材料の傾斜した面と空気との界面に到達すると全反射にともなって左右対称の二つのエバネッセント光が発生し、この二つのエバネッセント光が頂上の平坦面に向かって進み、微細な頂上平坦面で互いに干渉することで、効率よく空気伝播光に変換される。
今後について研究チームは、｢半導体発光材料の構造の最適化を行うことによりさらに高い光取り出し効率の実現を目指すとともに、この現象を利用した高効率半導体発光ダイオードの開発を行う｣としている。
