Surface plamons mediated Light-emitting diodes

Abstract

본 논문은 녹색 GaN 기반의 표면 플라즈몬 여기 발광 다이오드의(SP-LED) 광효율 증가에 대한 이론 분석과 첫번째 실험 결과를 보고한다. 먼저, SP-LED 의 물리적인 원리에 대한 기술 이후SP-LED 가 실제로 이득을 보기 위해 필요한 이득 조건에 대해 이론 분석과 수치 계산을 통해 설명하였다. 이론적인 분석은 SP-LED의 이득 조건에 대해 설명하고 있으며 수치 계산을 통해 SP-LED의 방향성 개선에 의한 광 추출 효율 증가에 대한 분석을 포함한다. 반사형 금속 격자 구조를 가진 SP-LED 가 투과형에 비해 유리하며 녹색 파장을 방출하는 녹색 SP-LED의 이론적인 광효율은 최대 53% 에 이른다.

두번째로 반사형 금속 격자 구조를 갖는 녹색 GaN SP-LED 의 첫번째 전기 여기(Electro-luminescence, EL) 증가 실험 결과를 보고하였다. TRPL측정을 통해 기록된 Purcell 증가 수치를 통해 표면 플라즈몬 여기를 통해 광효율이 증가했다는 것을 확인하였으며 LED의 파워효율 측정을 통해 SP-LED가 고출력 LED에 적합하다는 사실을 확인하였다. SP-LED의 파워효율은 출력이 높을수록 지속적으로 증가하여 0.1A 에서는 기준샘플 대비 51.2% 의 효율 증가를 보였다. 마지막으로 청색 GaN SP-LED 의 견조속도 측정을 통해 무선 광통신을 위한 광원으로써의 청색 SP-LED의 가능성을 확인하였다. 표면 플라즈몬 여기시 청색 파장은 녹색 파장에 비해 표면 플라즈몬의 열손실에 의해 추출 효율이 나쁘지만 청색 SP-LED 의 견조속도는 녹색 SP-LED에 비해 빠르기 때문에 광통신을 위한 광원으로 사용이 가능하다. 실험적으로 측정된 청색 SP-LED 의 견조속도는 450nm 파장에서 기준샘플에 비해 2.4배 빠르다. 그러나 청색 표면 플라즈몬의 모드 크기가 작기 때문에 녹색에 비해 얇은 p-GaN 층의 두께가 요구된다. p-GaN 층의 두께를 조절한 결과 p층에 표면 플라즈몬 여기 구조를 만드는 방법은 p층에 손실을 주기 쉬워 적합하지 않다는 결론을 도출하였다.