solar cell 및 solid-state lighting에서 plasmon의 역할을
생각해 보는 것이 필요할듯 하군요.


상용 발광다이오드(LED)들은 운반자 재결합이 느리기 때문에, 최대변조속도가 1 GHz 정도까지만 가능하므로 그 응용분야가 단거리 광통신 링크로 제한되고 있다. 반도체에서 운반자의 복사성 재결합속도는 Rr = Bnp로 정의되는데, 여기서 B는 격리된 전자-정공 쌍의 재결합속도이며, n과 p는 각각 전자와 정공의 활성층 농도이다. 따라서 이 속도를 높일 수 있는 2가지 방법은 전자와 정공의 농도를 증가시키거나, 퍼셀효과(Purcell effect)를 이용하여 B를 증가시키는 것이다. 그러나 불행히도 n과 p의 첨가물농도를 증가시키면 비복사성 재결합이 일어나 내부 소자효율을 감소시킨다. 그래서 휴렛패커드연구소(Hewlett-Packard Laboratories)의 연구진은 LED 내부의 금속-유전체 경계에 표면플라즈몬 폴라리톤(surface-plasmon polaritons : SPP)을 형성시켜 양자우물 엑시톤과 상호작용 시킴으로써 복사를 크게 향상시켰다. 이들의 플라즈몬 LED에서는 운반자 수명이 462 ps로부터 44 ps로 10배나 감소된 것이 관찰되었다.

LED 디자인을 최적화하기 위해, 엄격한 결합파분석에 일련의 계산식들을 사용함으로써 인장변형이 가해진 GaAsP(gallium arsenide phosphide) 양자우물 구조로부터 얼마만큼 떨어진 곳의 은 층이 SPP 발생을 최대화할 것인지를 결정하였다. 양자우물 층과 2000 A 두께의 은 층 사이에 다양한 틈이 있는 LED들이 제조되었다. 이 LED들을 시험하기 위해, 100 MHz 반복률을 가진 780 nm 다이오드레이저에서 나오는 2 ps 펄스로 LED 구조들을 여기시켰다. 스펙트럼분해 광발광 도표(Spectrally resolved photoluminescence plots)에는 LED들의 방출 피크가 805 nm에 있는 것으로 나타났으며, 양자우물과 은 사이의 틈이 감소함에 따라 빛의 세기가 감소했다. 이러한 세기 하락의 원인은 2가지 상호작용 때문이다. 그 첫 번째는 양자우물 층이 은 층에 가까워짐에 따라, 더 많은 빛 에너지가 자유복사 모드보다는 SPP 모드로 방출된다는 것이다. 그리고 그 두 번째는 반도체 틈 영역에서의 은의 확산이 운반자들의 비복사성 소멸 및 그에 상응한 방출광의 세기 하락을 일으키는 것이다.

단광자 검출기를 이용하여 이 LED들에 대한 시간분해 광발광도 연구되었다. 양자우물과 은 층 사이에 40 nm 틈이 있는 LED의 소멸시간은 약 44 ps였는데, 이것은 3 dB 변조속도 3.6 GHz에 해당하는 것이다. 80 nm 틈이 있는 시료의 소멸시간은 약 462 ps로 증가되었다. 이것은 은 층이 전혀 없는 LED에서 관찰된 소멸시간인 500 ps와 거의 동일한 것이다. 본질적으로, 틈이 감소할수록 소멸시간은 감소한다(그림참조). 비록 양자우물과 은 층 사이에 40 nm 틈이 있는 장치는 겨우 3.6 GHz의 변조속도를 달성할 수 있지만, 10^19 cm^-3 정도로 더 높은 자유운반자밀도를 가진 장치를 제조하면 10 GHz 변조속도를 쉽게 달성할 수 있을 것이라고 연구진은 기대하고 있다.

연구팀의 다음 과제는 외부효율이 우수한 전기구동 장치를 연구하는 것이다. “10 Gbps 변조속도가 가능한 LED는 컴퓨터 랙 내부의 초단거리 링크에 쓰일 저렴한 차세대 광원이 될 수 있다. 광부품의 가격은 컴퓨터 속으로 포토닉스를 도입하기 위한 가장 큰 완화요소들 중 하나다. 이러한 LED는 오늘날의 데이터통신용 VCSEL보다 제조하기가 훨씬 더 쉽고 가격은 50~100배나 저렴할 것이다.”라고 휴렛패커드연구소의 수석과학자인 마이클 탠(Michael Tan)은 말한다.