Повышение эффективности извлечения света в глубоковioletовых flip-chip светодиодах с нанометрическими контактными сетками и наклонными наноконусами AlGaN

Аннотация

В этом исследовании исследуются глубоковioletовые (DUV) светодиоды на базе AlGaN с flip-chip архитектурой и различными геометриями контактных сеток p-типа. Используя трехмерные FDTD-моделирование (3D-FDTD), показано, что эффективности извлечения света (LEE) для поперечно-электрической (TE) и поперечно-магнитной (TM) поляризаций высоко чувствительны к шагу и наклону сетчатых структур. Обнаружено, что большой коэффициент заполнения не улучшает LEE из-за конкурирующих потерь: поглощения в p-GaN, плазмонного поглощения алюминия и рассеяния сеткой. Гибридный контакт из наностержней p-GaN и усеченных наноконусов p-AlGaN с наклоном 30° увеличивает TE- и TM-поляризованные LEE примерно в 5 и 24 раза соответственно при длине волны 280 нм.

Введение

AlGaN-основанные DUV-светодиоды востребованы для водоочистки, фоттерапии, сенсорики и фотокатализа. Однако достижение высокого внешнего квантового выхода (EQE) остается сложной задачей, особенно на коротких длинах волн. EQE равен произведению внутреннего квантового выхода (IQE) и эффективности извлечения света (LEE). Обычные flip-chip DUV-светодиоды дают EQE <10%, в основном потому, что LEE ограничена 7–9%. Мировой рекорд EQE 20% при 275 нм был достигнут благодаря продвинутым техникам LEE: структурированному сапфиру, прозрачным p-электродам и улучшенной упаковке. Таким образом, повышение LEE критично для высокоэффективных DUV-светодиодов.

LEE страдает от полного внутреннего отражения (ПВО) и потерь Френеля из-за высокого контраста показателей преломления между AlGaN (n≈2.6) и воздухом. Увеличение содержания Al в квантовых ямах также способствует TM-поляризованному излучению, которое трудно извлечь из устройства. Стратегии повышения LEE включают нагрубление поверхности, структурированный сапфир, наклонные боковые стенки и плазмонные резонансы — все они вводят центры рассеяния, перенаправляющие фотоны. Другое ключевое ограничение — поглощение в контактном слое p-GaN, который трудно заменить Al-насыщенным p-AlGaN из-за плохой дырочной проводимости. Для снижения этих потерь предлагались сетчатые p-контакты, распределенные брагговские отражатели или фотонные кристаллы. Сетчатые контакты особенно выгодны по стоимости и проявили перспективы в микронном масштабе; однако нанометрические сетки и их рассеянное воздействие не изучались глубоко.

Здесь мы систематически исследуем дизайны нанометрических сетчатых контактов и Al-отражатель для оценки их влияния на LEE DUV-светодиодов. Сравниваются p-GaN наностержни, гибридные p-GaN/p-AlGaN наностержни и гибридные p-GaN/p-AlGaN усеченные наноконусы. Наш 3D-FDTD анализ показывает, что гибридная усеченная наноконусная структура может обеспечить более чем пятикратное улучшение для TE-света и 24-кратное для TM-света.

Модель и методы моделирования

Моделирование выполнялось в Lumerical FDTD Solution, решающем уравнения Максвелла во временной области. Базовая flip-chip модель (Рис. 1a) включает 92%-отражающий верхний Al-слой для перенаправления фотонов к сапфировой подложке. Стек из 100 нм p-GaN, 1.5 мкм n-AlGaN и 1 мкм сапфира содержит 100 нм множественных квантовых ям (MQW). Одиночный дипольный источник в центре MQW, поляризованный по X (TE) или Y (TM), возбуждает излучение при 280 нм. Коэффициенты поглощения при 280 нм: 10 см⁻¹ для AlGaN, 1000 см⁻¹ для MQW, 170 000 см⁻¹ для GaN. Показатели преломления: 2.6 (AlGaN), 2.9 (GaN), 1.8 (сапфир). Область моделирования 8 мкм × 8 мкм в плоскости, с идеально согласованными слоями (PML) сверху и снизу. Неоднородная сетка с минимальным размером ячейки 5 нм обеспечивает точное полевое разрешение. Мониторы мощности, размещенные на 300 нм выше сапфира, захватывают прошедшую мощность, которая Фурье-преобразуется в дальнее поле. LEE рассчитывается как отношение переданной мощности к общему дипольному излучению.

Результаты и обсуждение

Влияние толщины оптической полости на LEE

Расстояние между MQW и Al-отражателем, управляемое толщиной p-AlGaN, образует оптическую полость, модулирующую LEE. Рис. 1b показывает осциллирующие кривые LEE с периодом ~50 нм, соответствующим теоретическому λ/2n≈53 нм. TE и TM пики находятся в противофазе, как предсказано анализом Френеля и матрицей Мюллера. Наличие 100-нм слоя p-GaN демпфует эффект полости, однако минимальные TE/TM LEE остаются выше, чем у устройств без p-GaN. Следовательно, устранение или уменьшение слоя p-GaN может более чем удвоить LEE.

Влияние сетчатых p-GaN контактов на LEE

Для снижения поглощения в p-GaN сплошной слой заменен квадратной сеткой наностержней диаметром 250 нм и высотой 100 нм, вмонтированных в Al-отражатель (Рис. 2a). Оптимальная толщина p-AlGaN — 125 нм. Межстержневой шаг критичен: меньший шаг улучшает рассеивание тока, но увеличивает коэффициент заполнения p-GaN, усиливая поглощение. Рис. 2c показывает, что TE LEE растет с шагом до 125 нм, давая >3-кратный прирост, затем падает при доминировании рассеяния. Эта тенденция подтверждается моделью с нулевым поглощением GaN и идеальным проводящим отражателем (PEC), где LEE сначала растет, потом падает с шагом, подтверждая роль рассеяния.

Мы также исследовали влияние высоты наностержней. Уменьшение высоты с 100 нм до 25 нм повышает LEE за счет снижения поглощения, но выгода насыщается для высот ниже 25 нм, так как Al-отражатель доминирует в рассеянном поведении (Рис. 4).

Влияние гибридных p-GaN/p-AlGaN сетчатых контактов на LEE

Введение p-AlGaN наностержней вместе с p-GaN (Рис. 5a) дополнительно усиливает рассеяние без ущерба для отражательной способности. LEE для различных высот p-AlGaN (0, 25, 75, 100 нм) все превосходят чистую p-GaN структуру, с случаем 75 нм, дающим максимальную TE LEE (Рис. 5b). Дальние поля подтверждают более интенсивное электрическое поле для устройств с p-AlGaN наностержнями (Рис. 5c,d).

Влияние гибридных p-GaN/p-AlGaN усеченных наноконусов на LEE

Для решения проблемы низкой TM LEE p-AlGaN наностержни заменены усеченными наноконусами с углом наклона α (Рис. 6a). Уменьшение α увеличивает и TE, и TM LEE. При α = 30° TE LEE достигает пика 26% (шаг = 375 нм), а TM LEE поднимается до 12% (шаг = 260 нм), что составляет 5-кратный и 24-кратный прирост относительно базовой структуры. Это демонстрирует, что наклонные наноконусы драматически улучшают TM-рассеяние.

Заключение

Наше комплексное моделирование подтверждает, что нанометрические сетчатые контакты — p-GaN наностержни, гибридные p-GaN/p-AlGaN наностержни и гибридные p-GaN/p-AlGaN усеченные наноконусы — существенно повышают LEE в глубоковioletовых светодиодах. Ключевые компромиссы — поглощение в p-GaN слое и плазмонные потери Al против выгод рассеяния. Гибридный усеченный наноконус с наклоном 30° достигает наиболее драматичного улучшения, давая 24-кратный рост TM LEE при сохранении прироста TE LEE.

Аббревиатуры

3D FDTD:

Трехмерный метод конечных разностей во временной области

DBR:

Распределенный брагговский отражатель

DUV LEDs:

Глубоковioletовые светодиоды

EQE:

Внешний квантовый выход

IQE:

Внутренний квантовый выход

LEE:

Эффективность извлечения света

MQWs:

Множественные квантовые ямы

ODR:

Омни-направленный отражатель

PEC:

Идеальный электрический проводник

PML:

Идеально согласованный слой

TE:

Поперечно-электрическая

TIR:

Полное внутреннее отражение

TM:

Поперечно-магнитная