Efficiency Enhancement in GaN LED using Nanofeatures by Means of FDTD Simulation

Abstract

1990년 대 GaN blue LED가 개발된 이래 관련 연구분야에서는 GaN blue LED의 물리적 특성과 공학적인 응용성의 연구에 초점을 맞추어왔다. LED의 효율에는 내부양자효율 (Internal quantum efficiency), 주입효율 (Injection efficiency), 전기효율 (Electric efficiency) 등이 존재하나 광학적인 관점에서는 광효율 (Light extraction efficiency)에 그 중점을 둔다. LED를 구성하는 물질의 고유한 물성과 관련되어 있는 다른 효율들과는 달리, LED의 광효율은 LED의 발광특성과 관련이 있다. LED는 광학적으로 Incoherent한 면광원이기에 LED 내부에서 생성되어 LED의 표면에 임계각 (GaN: 24°) 이상의 각도로 입사한 광자는 스넬의 법칙에 따라 전반사되어 LED 외부로 방출되지 못한다. 그러나 근래에 들어 이를 micron scale 혹은 nanoscale의 구조물을 이용하면 적지 않은 수의 광자가 임계각을 극복하여 LED 외부로 방출되는 현상들이 보고되었으며 이에 본 연구실에서는 nanoscale의 나노구조물이 Multiple Quantum Wells GaN LEDs 구조에 얹어져 있을 경우 LED 구조의 광효율과 광학적 특성이 어떻게 변화하는지를 시뮬레이션 프로그램을 통하여 알아보고자 하였다. 이를 위하여 3D Finite-Different Time-Domain (FDTD) 프로그램을 이용하여 나노구조물들이 얹어진 Galluim Nitride (GaN) light-emitting device (LED) 의 light extraction efficiency를 향상시키는 연구를 수행하였다. 본 연구에서 GaN LED의 Top에 얹어진 나노구조물들은 light extraction layer로 쓰였다. 나노구조물을 구성할 물질의 종류로는 향후의 실험적 구현을 가정하여 구형, 반구형, 그리고 박막 형태의 Polyethylene glycol (PEG)과 구형의 Zirconia (ZrO2)를 선택하였다. Subwavelength scale과 over-wavelength scale의 나노구조물이 얹어진 GaN LED에 대한 FDTD 시뮬레이션을 수행하여 우리는 각각의 LED 구조의 Poynting vector intensity의 분포에 대한 정보를 비롯하여 각각의 LED의 효율과 그 산란 특성 등의 광학적 현상이 어떠한 방식으로 일어나는지를 연구하였다.