Effecten van meshed p-type contactstructuur op het lichtextractie-effect voor Deep Ultraviolet Flip-Chip Light-Emitting Diodes

Resultaten en discussies

Effect van de optische holtedikte op LEE

Zoals bekend kan het effect van de optische holte de stralingsmodus voor MQW's in flip-chip-LED's afstemmen, die gevoelig is voor de p-type laagdikte, terwijl de p-type laagdikte een significante invloed heeft op LEE [27] . Daarom bestuderen we eerst het effect van de p-AlGaN-laagdikte op de TE-gepolariseerde en TM-gepolariseerde LEE's voor conventionele LED-structuur. De p-AlGaN-laagdikte vertegenwoordigt ook de afstand tussen MQW's en Al-reflector. Zoals getoond in Fig. 1b, tonen alle LEE-curven een periodieke oscillatie met de p-AlGaN-laagdikte en is de periode ongeveer 50 nm. Het oscillerende gedrag is te wijten aan het effect van de optische holte dat wordt geïntroduceerd door de constructieve interferentie tussen het licht van de bron en het licht dat wordt gereflecteerd door de Al-spiegel. Volgens de interferentietheorie kan de periode worden berekend met Δd =λ /2n _AlGaN =53 nm [21], wat goed overeenkomt met de gesimuleerde resultaten in figuur 1b. Bovendien zijn de piek-LEE's voor TM-gepolariseerd licht tegengesteld aan die voor TE-gepolariseerd licht. Volgens de vergelijkingen van Fresnel en de Mueller-matrix [28] zijn er verschillende reflectieamplitudes en faseverschuivingen voor de reflectie van het TE- en TM-gepolariseerde licht vanaf het grensvlak tussen twee lineaire isotrope media. Bovendien kan worden vastgesteld dat, hoewel de sterke absorptie van de p-GaN-laag het effect van de optische holte verzwakt, de LEE voor LED met een 100 nm dikke p-GaN-laag nog steeds een kleine amplitudefluctuatie vertoont. Het zwakkere optische holte-effect voor LED met p-GaN-laag leidt ertoe dat, voor zowel TE- als TM-gepolariseerd licht, de minimale LEE voor de LED met p-GaN-laag groter is dan die voor de LED zonder p-GaN laag zoals getoond in Fig. 1b. Ondertussen kan ook worden waargenomen dat de gemiddelde LEE voor TM-gepolariseerd licht slechts een tiende is van die voor TE-gepolariseerd licht, en de bevindingen hier zijn consistent met de resultaten in [23]. Bovendien is het vermeldenswaard dat de LED's zonder p-GaN-laag de grootste LEE's voor TE-gepolariseerd licht en TM-gepolariseerd licht laten zien van respectievelijk 16% en 1,5%, terwijl deze getallen slechts 5% en 0,5% zijn voor de LED's met respectievelijk p-GaN-laag. Daarom kan een drievoudige verbetering in de LEE worden verkregen voor de LED's zonder een p-GaN-laag, wat aangeeft dat zowel TE- als TM-gepolariseerd licht aanzienlijk kan worden geabsorbeerd door de p-GaN-laag. Dit komt omdat sommige lampen meerdere reflecties moeten ondergaan om te ontsnappen, en de geoptimaliseerde dikte van p-AlGaN zorgt ook voor het beste optische holte-effect. Daarom is het verminderen van de absorptie van p-GaN erg belangrijk voor de LEE van DUV LED en kan dit leiden tot een meer dan dubbele toename van LEE.

Effect van de meshed p-GaN-contacten op LEE

Om de absorptie van de p-GaN-laag te verminderen, wordt p-GaN in submicrocontacten gemaasd om LEE te verhogen. Gebaseerd op de conventionele flip-chip DUV-LED in figuur 1a, is de p-GaN-laag ontworpen voor nanostaafjes die zijn ingebed in de Al-reflector om de p-type submicrocontactelektrode (zie figuur 2a) te vormen met een vierkante array (zie afb. 2b). De hoogte voor p-GaN nanostaafjes is ingesteld op 100 nm. De diameter voor p-GaN-nanostaafjes is vastgesteld op 250 nm, wat dicht bij de emissiegolflengte ligt. De geoptimaliseerde p-AlGaN-laagdikte is ingesteld op 125 nm volgens Fig. 1b. Voor de DUV LED met vermaasde p-GaN-contacten is de afstand het belangrijkst. Enerzijds zal de kleinere tussenruimte ervoor zorgen dat de stroom zich efficiënter over het gehele actieve gebied verspreidt. Aan de andere kant zal de kleinere afstand de vulfactor van vermaasde p-GaN-contacten verhogen en dus de optische absorptie vergroten. Daarom is een geoptimaliseerde afstand die zowel een goede stroomspreiding als een uitstekende LEE mogelijk maakt, van cruciaal belang voor de voorgestelde DUV-leds. Vervolgens onderzoeken en tonen we het effect van afstand op LEE in figuur 2c. Zoals verwacht zijn de TE-gepolariseerde en de TM-gepolariseerde LEE's voor DUV-LED's met vermaasde p-GaN-contacten aanzienlijk verbeterd in vergelijking met de conventionele DUV-LED. De LEE voor het TE-gepolariseerde licht neemt toe met de toenemende afstand totdat de afstand 125 nm bereikt, omdat de absorptie van p-GaN afneemt als gevolg van een afnemende vulfactor van p-GaN. En de LEE's hebben een meer dan drievoudige verbetering wanneer de afstand ongeveer 125 nm is. Na 125 nm wordt de LEE voor het TE-gepolariseerde licht echter verlaagd met de vulfactor. De waarnemingen wanneer de afstand groter is dan 125 nm, leiden af ​​dat er een andere factor is die een belangrijk effect heeft op LEE. Volgens het rapport in [29] kan de uitdovingslengte van het foton worden uitgedrukt in 1/L _uitsterven =1/L _verstrooiing + 1/L _absorptie , waar L _verstrooiing en L _absorptie corresponderen met respectievelijk de verstrooiingslengte en de absorptielengte. Omdat de LEE voornamelijk afhangt van de materiaalabsorptie en structurele verstrooiing, kan worden geconcludeerd dat het verstrooiingseffect veroorzaakt door de vermaasde p-GaN-contacten de LEE overheersend beïnvloedt wanneer de afstand groter is dan 125 nm.

een Schematisch zijaanzicht van de flip-chip DUV LED met vermaasde p-GaN-contacten. b Schematisch bovenaanzicht van vermaasde p-GaN-contactdistributie. c LEE's voor DUV LED met de vermaasde p-GaN-contacten als functie van de afstand van nanostaafjes wanneer de p-AlGaN-dikte 125 nm is

Om het verstrooiingseffect door de vermaasde p-GaN-contacten te bevestigen, wordt een model zonder absorberend materiaal ingesteld, zodat de absorptiecoëfficiënt voor GaN-materiaal wordt ingesteld op 0 en de Al-reflector wordt vervangen door de perfecte elektrische geleider (PEC) met bijna 100 % reflectiviteit, waarvoor de simulatieresultaten zijn uitgezet met een zwarte vierkante lijn in Fig. 3a. Het is te zien dat de LEE toeneemt en vervolgens afneemt met de grotere afstand. Het verstrooiingseffect van het p-GaN-submicrocontact is namelijk incrementeel en neemt vervolgens af met de grotere ruimte. Daarom zal de grotere afstand voor de vermaasde p-type GaN-contacten het verstrooiingseffect onderdrukken, en dit interpreteert de waarneming in figuur 3a dat wanneer de afstand groter is dan 50 nm, de LEE afneemt met grotere afstand.

een LEE's als functie van de nanostaafafstand voor DUV-LED's met de 100 nm hoge niet-absorberende/absorberende p-GaN-nanostaafjes, en de reflectoren zijn respectievelijk Al en PEC. b Reflectiviteit van normale inval met vermaasde Al-reflector en vlakke Al-reflector als een functie van de nanostaafafstand. De inzet toont het effect van p-GaN-laagabsorptie, Al-metaalabsorptie en structuurverstrooiing in DUV LED met vermaasde p-GaN-contacten. Dwarsdoorsnedeverdelingen van elektrisch veld op de nanostaafafstand van 50 nm met c Al en d PEC-reflector

Bovendien, wanneer de absorptie van GaN is ingesteld op 0 en Al-reflector wordt toegepast, neemt de LEE ook eerst toe en neemt vervolgens af als de rode driehoekslijn die wordt weergegeven in figuur 3a. De maximale LEE van 20% voor de constructie met Al-reflector is echter veel kleiner dan die van 56% voor de constructie met PEC-reflector. Figuur 3b geeft de afhankelijkheid van de reflectiviteit van de afstand voor de vermaasde Al-reflector weer. De reflectiviteit voor vermaasde Al-reflector neemt af naarmate de afstand kleiner wordt. Met andere woorden, het Al-metaaloppervlak wordt ruw wanneer de afstand kleiner wordt. Daarom kan de afname van de reflectiviteit voor ruwe metalen oppervlakken worden toegeschreven aan de excitatie van oppervlakteplasmonen en het oppervlakte-effect [30,31,32]. Een ruw metalen oppervlak moet de fase van het invallende licht moduleren, wat leidt tot geabsorbeerd licht en oppervlaktegolfexcitatie (oppervlakteplasmonen). Oppervlakte-effect resulteert in het vangen van het licht in de putjes van het oppervlak met uiteindelijke absorptie. Verder wordt de elektrische veldverdeling in dwarsdoorsnede die vlakke golf gebruikt als de bron van inval voor de Al-reflector en PEC-reflector getoond in Fig. respectievelijk 3c en d. Er kan worden vastgesteld dat voor de LED met Al-reflector de p-GaN-nanostaafjes de sterkste lokale elektrische veldintensiteit hebben, maar dergelijke waarnemingen zijn minder duidelijk in de p-GaN-nanostaafjes voor de LED met PEC-reflector, wat bevestigt dat er een oppervlakteplasmonresonantie-absorptie voor vermaasde Al-reflector. Bovendien kan een vergelijkbare LEE-trend worden waargenomen, zoals de blauwe cirkellijn in figuur 3a laat zien wanneer ons model rekening houdt met de p-GaN-laagabsorptie en PEC-reflector. De LEE wordt groter voor de LED zonder GaN-absorptie en met PEC-reflector (rode driehoekslijn), wat aangeeft dat de absorptie van de p-GaN-laag ernstiger is dan de metaalabsorptie. Daarom is er voor DUV-LED met vermaasde p-GaN-contacten een competitie tussen p-GaN-laagabsorptie, Al-metaalabsorptie en structuurverstrooiing, zoals weergegeven in het inzetstuk van Fig. 3b. Wanneer de tussenruimte te klein is, wordt de LEE sterk beïnvloed door de absorptie van de p-GaN-laag en het metaal, terwijl de structuurverstrooiing een primair effect heeft op LEE wanneer de tussenruimte groot wordt.

Daarnaast onderzoeken we verder het effect van p-GaN nanostaafhoogte op de LEE voor DUV LED's. Afstandsafhankelijkheid van LEE's op verschillende p-GaN-nanostaafhoogten van 10 nm, 25 nm, 50 nm en 100 nm worden getoond in Fig. 4a. De LEE neemt toe wanneer de hoogte van de nanostaafjes afneemt van 100 naar 25 nm. Het is duidelijk dat de toename van LEE wordt toegeschreven aan de zwakkere absorptie van de dunnere p-GaN-laag. Fig. 4a laat echter ook zien dat de LEE's vergelijkbaar zijn wanneer de nanostaafhoogten 25 nm en 10 nm zijn. Zoals getoond in Fig. 4b, neemt de reflectiviteit van Al-metaal met p-GaN-nanostaafjes sneller toe met de verminderde nanostaafhoogte. Daarom kan worden afgeleid dat het verstrooiingseffect op een hoogte van 25 nm sterker is dan dat op een hoogte van 10 nm, wat vergelijkbare LEE produceert. Niettemin is de grootste LEE 15% wanneer de p-GaN-nanostaafjes zich op een hoogte van 100 nm bevinden, en de maximale LEE is slechts 18% wanneer de p-GaN-nanostaafjes zich op een hoogte van 25 nm bevinden; dus wordt een klein verschil verkregen. Het wordt voornamelijk toegeschreven aan de sterk absorberende p-GaN-laag zoals weergegeven in de inzet van figuur 4a. Voor een 10 nm dikke p-GaN-laag kan slechts 40% van het licht worden gereflecteerd, dus het gereflecteerde licht komt voornamelijk van de Al-reflector onder de p-GaN-nanostaafjes. Bijgevolg wordt de reflectiviteit meer beïnvloed door de afstand dan door de hoogte van p-GaN-nanostaafjes. Daarom heeft de p-GaN-nanostaafhoogte, vergeleken met de afstand tussen nanostaafjes, minder invloed op de LEE.

(a) LEE's als functie van de nanostaafafstand voor DUV LED met Al-reflector en met de p-GaN nanostaafhoogten van 10, 25, 50 en 100 nm zijn ingesteld. Inzet:reflectiviteit van normale inval voor conventionele DUV LED als functie van de p-GaN laagdikte en b reflectiviteit van normale inval als functie van de nanostaafafstand wanneer de p-GaN nanostaafhoogten 10, 25, 50 en 100 nm zijn

Effect van de hybride p-GaN/p-AlGaN meshed contacten op LEE

Verder stellen we een hybride p-GaN / p-AlGaN-netwerkcontactlaag voor zoals getoond in Fig. 5a. De hoogte en de diameter voor p-GaN-nanostaafjes zijn respectievelijk ingesteld op 100 nm en 250 nm. De p-AlGaN nanostaafhoogte (H ) is in dit geval een variabele. De LEE's voor verschillende DUV-LED's in termen van nanostaafafstand worden getoond in Fig. 5b, waarvoor we de waarden van H instellen tot 0 nm, 25 nm, 75 nm en 100 nm. Er kan worden vastgesteld dat de LEE's voor DUV-LED's met verschillende hoge p-AlGaN-nanostaafjes groter zijn dan die zonder p-AlGaN-nanostaafjes (H =0 nm). En de LEE's voor DUV-LED's worden minder beïnvloed door de p-AlGaN-nanostaafhoogte als H is niet 0 nm. De inzet in Fig. 5b toont de normale reflectiviteit in termen van de nanostaafafstand voor de hybride structuur, en we kunnen zien dat de p-AlGaN nanostaafhoogte een verwaarloosbare invloed heeft op de reflectiviteit. Daarom wordt het verstrooiingseffect alleen versterkt door p-AlGaN-nanostaafjes, wat daarom leidt tot de verbeterde LEE. De far-field-stralingspatronen voor DUV-LED's met 75 nm en 0 nm hoge p-AlGaN-nanostaafjes wanneer de nanostaafafstand 125 nm is, worden getoond in Fig. respectievelijk 5c en d. Er kan worden waargenomen dat de elektrische veldintensiteit van DUV-LED's met 75 nm hoge p-AlGaN-nanostaafjes (zie figuur 5c) sterker is dan die met 0 nm hoge p-AlGaN-nanostaafjes (zie figuur 5d). De elektrische veldverdeling voor DUV-leds met 75 nm hoge p-AlGaN-nanostaafjes is groter dan die met 0 nm hoge p-AlGaN-nanostaafjes, wat bevestigt dat de p-AlGaN-nanostaafjes het verstrooiingseffect voor licht verbeteren. Figuur 5e laat zien dat TM-gepolariseerde LEE nog meer wordt beïnvloed door de p-AlGaN nanostaafhoogte.

een Schematisch zijaanzicht voor flip-chip DUV LED met hybride p-GaN/p-AlGaN op nanostaafjes gebaseerde mesh-contacten. b LEE's voor TE-gepolariseerd licht als functie van de nanostaafafstand en de p-AlGaN nanostaafhoogten zijn ingesteld op 0, 25, 75 en 100 nm. Inzet:Reflectiviteit van normale inval voor DUV LED met het 100 nm hoge p-GaN en met de p-AlGaN-hoogte van 0, 25, 75 en 100 µnm als functie van de nanostaafafstand. Far-field stralingspatronen op een afstand van 125 nm met een p-AlGaN-hoogte van c 75 nm en d 0 nm. e LEE's voor TM-gepolariseerd licht als functie van de nanostaafafstand en de p-AlGaN nanostaafhoogten zijn ingesteld op 0, 25, 75 en 100 nm

Onze eerdere analyse laat zien dat het TM-gepolariseerde licht nog steeds last heeft van extreem lage LEE. Dientengevolge zullen methoden worden voorgesteld om het TM-gepolariseerde licht te verstrooien. Voor dat doel stellen we p-AlGaN-nanostaafjes voor met schuine zijwanden, waardoor de p-AlGaN-afgeknotte nanoconusstructuur wordt gevormd zoals weergegeven in Fig. 6a. De hoogte van de p-AlGaN afgeknotte nanocones is ingesteld op 75 nm en de hellingshoek is gedefinieerd als α . Een opmerkelijke LEE-verbetering voor zowel TE- als TM-gepolariseerd licht met de verminderde α is te zien in afb. respectievelijk 6b en c. Voor de hellingshoek α =30°, is het onmogelijk om een ​​kleinere periode in te stellen omdat de p-AlGaN afgeknotte nanocones dicht op elkaar zijn gepakt wanneer de p-GaN nanostaafafstand 260 nm is. De grootste TE-gepolariseerde LEE bereikt 26% wanneer de afstand 375 nm is, en α is ingesteld op 30°. Dit aantal is 1,44 keer groter dan het ontwerp in figuur 5a. Het is opmerkelijker dat vergeleken met de structuur in figuur 5a, de grootste TM-gepolariseerde LEE voor het ontwerp in figuur 6a 12% is wanneer de afstand 260 nm is en α is ingesteld op 30°, en dit aantal wordt 10 keer verhoogd. Vergeleken met de conventionele DUV-LED zonder gaasstructuren, kunnen zowel TE- als TM-gepolariseerde LEE's met respectievelijk meer dan 5 keer en 24 keer worden verhoogd door gebruik te maken van het ontwerp in Fig. 6a. Deze gesimuleerde resultaten geven aan dat p-AlGaN afgeknotte nanoconus met een hellingshoek van 30° het lichtverstrooiingseffect aanzienlijk kan verbeteren, vooral voor TM-gepolariseerd licht.

een Schematisch zijaanzicht voor flip-chip DUV LED met hybride p-GaN nanorod/p-AlGaN afgeknotte nanoconuscontacten. LEE's van TE-gepolariseerd licht (b ) en van TM-gepolariseerd licht (c ) als functie van de nanostaafafstand voor DUV-LED's, en de structuren zijn met het 100 nm hoge p-GaN en 75 nm hoge p-AlGaN (de hellingshoeken zijn ingesteld op 30°, 50°, 75° , en 90°)