표면 플라즈몬 현상을 이용하여 Localized Surface Plasmon(LSP)과 Quantum Well(QW)간의 Energy transfer로 LED(Light Emitting Diode)의 효율을 증가시킬 수 있다는 연구 결과가 있었다. 본 논문에서는 Ag의 크기, SiO2의 두께, QW의 위치, 나노입자(core-shell)개수와 QW에서 발광하는 빛의 편광에 따라 InGaN/GaN LED의 ...
표면 플라즈몬 현상을 이용하여 Localized Surface Plasmon(LSP)과 Quantum Well(QW)간의 Energy transfer로 LED(Light Emitting Diode)의 효율을 증가시킬 수 있다는 연구 결과가 있었다. 본 논문에서는 Ag의 크기, SiO2의 두께, QW의 위치, 나노입자(core-shell)개수와 QW에서 발광하는 빛의 편광에 따라 InGaN/GaN LED의 내부 양자효율과 외부 추출효율이 어떻게 변하는지를 3차원 유한 차분 시간 영역법(Finite-Difference Time-Domain FDTD) 전산모사를 통해 살펴보았다. 이때, Ag의 반경 15nm, SiO2 의 두께는 20nm 이며 나노입자는 삼각격자 구조로 서로 붙어있게 구성하였다. GaN와 SiO2의 굴절률은 각각 2.45, 1.55이고, 광원은 편광된 점광원으로 중심 파장은 450nm이고 선폭은 30nm을 가지고 있다. 계산의 결과는 planar 구조 대비 Ag/SiO2 나노입자코팅 LED의 양자효율 비율로 나타냈다. 첫 번째로 Ag의 크기의 결과를 보면 TM 편광의 빛은 Ag 나노입자에 의한 비발광 결합의 증가로 425nm 부근에서 일반적인 InGaN/GaN LED 구조에 비해 자발 방출율이 낮아지는 것을 볼 수 있다. TE 편광 빛의 경우 역시 425nm 영역에서는 자발 방출율이 줄어들지만, 장파장 영역에서는 증가하였다. 이는 빛의 쌍극자 방사와 LSP 모드 사이의 근접장 에너지 결합 때문인데, 자발 방출율은 최대 1.3 배 증가하였다. 광 추출효율의 경우 TM, TE 편광 모두에서 증가하지만 빛의 편광에 따라 전기 쌍극자의 방사 방향이 달라서 증가량은 크게 차이가 났다 TM 편광은 475nm 부근에서 8.5배 증가, TE 편광은 1.8배정도 증가하였다. 둘째로 SiO2의 두께의 결과를 보면 TM 편광은 SiO2의 두께가 두꺼울수록 자발방출율의 감소가 줄어들고 TE편광은 두께가 얇을수록 자발방출율이 증가하여 470nm 부근에서 1.25배 정도 증가하였다. 그리고 광 추출효율은 TM 편광은 두께가 5nm일 때 6배, TE 편광은 두께가 20nm일 때 1.6배로 최대가 되었다. 세 번째로 QW 위치의 결과는 TM 편광은 QW이 표면에 가까울수록 급격히 증가하여 거리 11nm일 때 7.5배, TE 편광은 적정 거기가 있어서 51nm 일 때 1.2 배가 되었다. 그리고 광 추출효율은 TM 편광은 51nm일 때 450nm 부근이서 4.2배, TE 편광은 11nm 일 때 475nm 부근에서 2배가 되었다. 마지막으로 나노입자 개수에 따른 양자효율 변화는 TM 편광은 입자가 많을수록 자발방출율이 감소하였고 TE 편광은 7개일 때 1.2배로 최대였다. 그리고 광 추출효율은 TM 편광은 7개일 때 4.5배, TE 편광은 450nm 부근에서 1.5배 증가하였다. 그 결과 양자효율은 편광에 무관하게 7개 정도의 입자일 경우 최대 증가를 얻을 수 있었다. 이상의 전산모사를 바탕으로 각 편광별로의 최적 구조를 살펴보면, 청색 LED의 경우 (λ = 450 nm ± 15nm) TM 편광 빛은 Ag/SiO2 나노입자의 개수가 7개이면서 LED 표면으로부터 QW의 위치는 11nm, Ag의 반경은 20nm, SiO2 의 두께는 10nm 이고, TE 편광 빛은 Ag/SiO2 나노입자의 개수가 7개이면서 LED 표면으로부터 QW까지의 거리는 80nm, Ag의 반경 15nm, SiO2 의 두께는 10nm 이다. 전산 모사 결과를 바탕으로 제작한 InGaN/GaN MQW LED의 구조는 c면 사파이어 기판 위에 저온에서 GaN 버퍼층을 성장한 뒤 400nm 두께의 undoped GaN를 성장하고, 그 위에 5쌍의 InGaN/GaN 양자우물 구조를 도입한 다음,. 마지막으로 10nm 두께의 undoped GaN층을 성장한 구조이다. Sol-gel 기법으로 Ag/SiO2 나노입자를 제작한 결과 Ag는 20±5nm, SiO2 두께 15±5nm 정도로 만들어졌다. InGaN/GaN MQW LED 표면에 제작된 Ag/SiO2 나노입자를 droplet 방식으로 코팅을 하여 Time Correlated Single Photon Counting(TCSPC) 측정방법을 이용해서 LED 시료의 발광 재결합 수명을 측정하였다. 그 결과 Ag/SiO2 나노입자의 개수가 7개 일 때 광자수명이 15%정도 줄어들었다. 이상의 결과를 바탕으로 향후 LSP LED을 제작할 경우 고효율 저전력 조명 광원으로 활용이 기대된다.
표면 플라즈몬 현상을 이용하여 Localized Surface Plasmon(LSP)과 Quantum Well(QW)간의 Energy transfer로 LED(Light Emitting Diode)의 효율을 증가시킬 수 있다는 연구 결과가 있었다. 본 논문에서는 Ag의 크기, SiO2의 두께, QW의 위치, 나노입자(core-shell)개수와 QW에서 발광하는 빛의 편광에 따라 InGaN/GaN LED의 내부 양자효율과 외부 추출효율이 어떻게 변하는지를 3차원 유한 차분 시간 영역법(Finite-Difference Time-Domain FDTD) 전산모사를 통해 살펴보았다. 이때, Ag의 반경 15nm, SiO2 의 두께는 20nm 이며 나노입자는 삼각격자 구조로 서로 붙어있게 구성하였다. GaN와 SiO2의 굴절률은 각각 2.45, 1.55이고, 광원은 편광된 점광원으로 중심 파장은 450nm이고 선폭은 30nm을 가지고 있다. 계산의 결과는 planar 구조 대비 Ag/SiO2 나노입자코팅 LED의 양자효율 비율로 나타냈다. 첫 번째로 Ag의 크기의 결과를 보면 TM 편광의 빛은 Ag 나노입자에 의한 비발광 결합의 증가로 425nm 부근에서 일반적인 InGaN/GaN LED 구조에 비해 자발 방출율이 낮아지는 것을 볼 수 있다. TE 편광 빛의 경우 역시 425nm 영역에서는 자발 방출율이 줄어들지만, 장파장 영역에서는 증가하였다. 이는 빛의 쌍극자 방사와 LSP 모드 사이의 근접장 에너지 결합 때문인데, 자발 방출율은 최대 1.3 배 증가하였다. 광 추출효율의 경우 TM, TE 편광 모두에서 증가하지만 빛의 편광에 따라 전기 쌍극자의 방사 방향이 달라서 증가량은 크게 차이가 났다 TM 편광은 475nm 부근에서 8.5배 증가, TE 편광은 1.8배정도 증가하였다. 둘째로 SiO2의 두께의 결과를 보면 TM 편광은 SiO2의 두께가 두꺼울수록 자발방출율의 감소가 줄어들고 TE편광은 두께가 얇을수록 자발방출율이 증가하여 470nm 부근에서 1.25배 정도 증가하였다. 그리고 광 추출효율은 TM 편광은 두께가 5nm일 때 6배, TE 편광은 두께가 20nm일 때 1.6배로 최대가 되었다. 세 번째로 QW 위치의 결과는 TM 편광은 QW이 표면에 가까울수록 급격히 증가하여 거리 11nm일 때 7.5배, TE 편광은 적정 거기가 있어서 51nm 일 때 1.2 배가 되었다. 그리고 광 추출효율은 TM 편광은 51nm일 때 450nm 부근이서 4.2배, TE 편광은 11nm 일 때 475nm 부근에서 2배가 되었다. 마지막으로 나노입자 개수에 따른 양자효율 변화는 TM 편광은 입자가 많을수록 자발방출율이 감소하였고 TE 편광은 7개일 때 1.2배로 최대였다. 그리고 광 추출효율은 TM 편광은 7개일 때 4.5배, TE 편광은 450nm 부근에서 1.5배 증가하였다. 그 결과 양자효율은 편광에 무관하게 7개 정도의 입자일 경우 최대 증가를 얻을 수 있었다. 이상의 전산모사를 바탕으로 각 편광별로의 최적 구조를 살펴보면, 청색 LED의 경우 (λ = 450 nm ± 15nm) TM 편광 빛은 Ag/SiO2 나노입자의 개수가 7개이면서 LED 표면으로부터 QW의 위치는 11nm, Ag의 반경은 20nm, SiO2 의 두께는 10nm 이고, TE 편광 빛은 Ag/SiO2 나노입자의 개수가 7개이면서 LED 표면으로부터 QW까지의 거리는 80nm, Ag의 반경 15nm, SiO2 의 두께는 10nm 이다. 전산 모사 결과를 바탕으로 제작한 InGaN/GaN MQW LED의 구조는 c면 사파이어 기판 위에 저온에서 GaN 버퍼층을 성장한 뒤 400nm 두께의 undoped GaN를 성장하고, 그 위에 5쌍의 InGaN/GaN 양자우물 구조를 도입한 다음,. 마지막으로 10nm 두께의 undoped GaN층을 성장한 구조이다. Sol-gel 기법으로 Ag/SiO2 나노입자를 제작한 결과 Ag는 20±5nm, SiO2 두께 15±5nm 정도로 만들어졌다. InGaN/GaN MQW LED 표면에 제작된 Ag/SiO2 나노입자를 droplet 방식으로 코팅을 하여 Time Correlated Single Photon Counting(TCSPC) 측정방법을 이용해서 LED 시료의 발광 재결합 수명을 측정하였다. 그 결과 Ag/SiO2 나노입자의 개수가 7개 일 때 광자수명이 15%정도 줄어들었다. 이상의 결과를 바탕으로 향후 LSP LED을 제작할 경우 고효율 저전력 조명 광원으로 활용이 기대된다.
Surface-plasmon-assisted light emitting diodes could improve quantum efficiency because of energy transfer between the localized surface plasmon (LSP) and quantum well (QW). In this study, we numerically investigated polarization-dependent spontaneous emission (SE) rate and light extractin efficienc...
Surface-plasmon-assisted light emitting diodes could improve quantum efficiency because of energy transfer between the localized surface plasmon (LSP) and quantum well (QW). In this study, we numerically investigated polarization-dependent spontaneous emission (SE) rate and light extractin efficiency (LEE) in LSP-coupled LEDs. The closely packed seven Ag/SiO2 core-shell(CS) nanoparticles(NPs) lie on top of the GaN surface for LSP coupling with a radiated dipole. According to the dipole direction, both the SE rate and the LEE are significantly modified by LSP effect at Ag/SiO2 CS NPs when the size of Ag, the thickness of SiO2, the position of the dipole source, and the number of Ag/SiO2 CS NPs are varied. In the dipole oscillating parallel to the surface, the SE rate is modified by strong near-field energy coupling and the interference effect between a real dipole and an induced dipole at the Ag, and the LEE is changed due to light scattering and ohmic loss at Ag/SiO2 CS NPs. In the dipole oscillating normal to the surface, the SE rate is dramatically enhanced by extremely strong near-field coupling only when the dipole is near the Ag. And the LEE is significantly enhanced because the light mostly guided in the substrate is extracted by scattering with LSP modes. Finally we suggested the optimum QW position for maximizing extracted power in blue InGaN/GaN LEDs at each dipole direction. In TM polarization, the extracted power keeps increasing as the QW is close to the Ag/SiO2 CS NPs. However, in TE polarization, the extracted power is maximized about 1.3 times higher than that in the blue LED without Ag/SiO2 CS NPs when the QW is near 80 nm from the surface. We prepared InGaN/GaN MQW LED coated by Ag/SiO2 CS NPs. The radius of Ag was 20 ± 5 nm, and the thickness of SiO2 was 15 ± 5 nm in extent. The photo-luminescence time decay of prepared sample was measured by time-correlated single photon counting (TCSPC) method with ps-pulse 405-nm laser. From the experimental results, the radiative recombination decay time of LSP LED with ~ 7 Ag/SiO2 CS NPs was reduced about 15% in comparison with that of bare LEDs, which is the best performance. We believe that these results help to optimize the nitride-based LSP-LED structures with different growth directions.
Surface-plasmon-assisted light emitting diodes could improve quantum efficiency because of energy transfer between the localized surface plasmon (LSP) and quantum well (QW). In this study, we numerically investigated polarization-dependent spontaneous emission (SE) rate and light extractin efficiency (LEE) in LSP-coupled LEDs. The closely packed seven Ag/SiO2 core-shell(CS) nanoparticles(NPs) lie on top of the GaN surface for LSP coupling with a radiated dipole. According to the dipole direction, both the SE rate and the LEE are significantly modified by LSP effect at Ag/SiO2 CS NPs when the size of Ag, the thickness of SiO2, the position of the dipole source, and the number of Ag/SiO2 CS NPs are varied. In the dipole oscillating parallel to the surface, the SE rate is modified by strong near-field energy coupling and the interference effect between a real dipole and an induced dipole at the Ag, and the LEE is changed due to light scattering and ohmic loss at Ag/SiO2 CS NPs. In the dipole oscillating normal to the surface, the SE rate is dramatically enhanced by extremely strong near-field coupling only when the dipole is near the Ag. And the LEE is significantly enhanced because the light mostly guided in the substrate is extracted by scattering with LSP modes. Finally we suggested the optimum QW position for maximizing extracted power in blue InGaN/GaN LEDs at each dipole direction. In TM polarization, the extracted power keeps increasing as the QW is close to the Ag/SiO2 CS NPs. However, in TE polarization, the extracted power is maximized about 1.3 times higher than that in the blue LED without Ag/SiO2 CS NPs when the QW is near 80 nm from the surface. We prepared InGaN/GaN MQW LED coated by Ag/SiO2 CS NPs. The radius of Ag was 20 ± 5 nm, and the thickness of SiO2 was 15 ± 5 nm in extent. The photo-luminescence time decay of prepared sample was measured by time-correlated single photon counting (TCSPC) method with ps-pulse 405-nm laser. From the experimental results, the radiative recombination decay time of LSP LED with ~ 7 Ag/SiO2 CS NPs was reduced about 15% in comparison with that of bare LEDs, which is the best performance. We believe that these results help to optimize the nitride-based LSP-LED structures with different growth directions.
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