Verbetering van Lichtextractie in Diep-UV Flip-Chip LEDs met Nanometerschalige Mascontacten en Ingeklinde AlGaN-nanokegels

Samenvatting

In deze studie onderzoeken we AlGaN-gebaseerde diep-ultraviolet (DUV) light-emitting diodes (LEDs) geproduceerd met een flip-chip-architectuur en diverse mascontactgeometrieën voor de p-type contact. Met behulp van driedimensionale finite-difference time-domain (3D-FDTD) simulaties tonen we aan dat zowel transversale elektrische (TE) als transversale magnetische (TM) lichtextractie-efficiënten (LEE) zeer gevoelig zijn voor de afstand en helling van de masstructuren. We vinden dat een grote vulfactor de LEE niet verbetert door concurrerende verliezen door p-GaN-absorptie, aluminium-plasmonische absorptie en verstrooiing door het mas. Opvallend verhoogt een hybride p-GaN-nanostang/p-AlGaN-afgeknotte nanokegecontact met een helling van 30° de TE- en TM-gepolariseerde LEE's met ongeveer 5-voudig respectievelijk 24-voudig, bij 280 nm emissie.

Inleiding

AlGaN-gebaseerde DUV LEDs zijn steeds meer gevraagd voor waterzuivering, fototherapie, sensing en fotokatalyse. Toch blijft het bereiken van hoge externe quantum-efficiëntie (EQE) een uitdaging, vooral bij kortere golflengtes. EQE is gelijk aan interne quantum-efficiëntie (IQE) vermenigvuldigd met lichtextractie-efficiëntie (LEE). Conventionele flip-chip DUV LEDs leveren doorgaans EQE <10%, voornamelijk omdat LEE beperkt is tot 7-9%. De huidige wereldrecord EQE van 20% bij 275 nm werd mogelijk gemaakt door geavanceerde LEE-technieken zoals gepatroneerde safier, transparante p-elektroden en verfijnde verpakking. Het verhogen van LEE is dus cruciaal voor hoge-efficiëntie DUV LEDs.

LEE lijdt onder totale interne reflectie (TIR) en Fresnel-verlies door de hoge brekingsindex-contrast tussen AlGaN (n≈2,6) en lucht. Het verhogen van de Al-inhoud in de quantum wells bevordert ook TM-gepolariseerde emissie, wat moeilijk het apparaat kan verlaten. Strategieën om LEE te verbeteren omvatten oppervlakteroughening, gepatroneerde safier, ingeklinde zijwanden en plasmonische resonanties, die allemaal verstrooiingscentra introduceren die fotonen omleiden. Een andere belangrijke beperking is absorptie in de p-GaN-contactlaag, die niet gemakkelijk vervangen kan worden door Al-rijke p-AlGaN door slechte gatgeleiding. Om dit verlies te mitigeren, zijn mascontacten, gedistribueerde Bragg-reflectoren of fotonische kristallen voorgesteld. Mascontacten zijn in het bijzonder kosteneffectief en hebben belofte getoond op micrometerschaal; nanometer-schalige mascontacten en hun verstrooiingsimpact zijn echter niet uitgebreid bestudeerd.

Hier verkennen we systematisch nanometer-schalige mascontactontwerpen en een Al-reflector om hun invloed op LEE voor DUV LEDs te beoordelen. We vergelijken p-GaN-nanostangen, hybride p-GaN/p-AlGaN-nanostangen en hybride p-GaN/p-AlGaN-afgeknotte nanokegels. Onze 3D-FDTD-analyse onthult dat de hybride afgeknotte nanokeelstructuur meer dan vijfvoudige verbetering voor TE-licht en 24-voudige voor TM-licht kan leveren.

Model en Simulatiemethoden

Simulaties werden uitgevoerd met Lumerical FDTD Solution, dat de Maxwell-vergelijkingen in het tijdsdomein oplost. Het basale flip-chip-model (Fig. 1a) omvat een 92% reflecterende Al-toplaag om fotonen naar de safiersubstraat te sturen. Een stapel van 100 nm p-GaN, 1,5 µm n-AlGaN en 1 µm safier bevat 100 nm multiple quantum wells (MQWs). Een enkele dipoolbron op het MQW-centrum, gepolariseerd langs X (TE) of Y (TM), exciteert emissie bij 280 nm. Absorptiecoëfficiënten bij 280 nm zijn 10 cm⁻¹ voor AlGaN, 1000 cm⁻¹ voor MQWs en 170.000 cm⁻¹ voor GaN. Brekingsindices zijn 2,6 (AlGaN), 2,9 (GaN) en 1,8 (safier). Het simulatiedomein is 8 µm × 8 µm lateraal, met perfect-matched layers (PML) boven en onder. Een niet-uniforme mesh met minimale celgrootte van 5 nm zorgt voor nauwkeurige veldresolutie. Vermogenmonitors geplaatst 300 nm boven de safier vangen getransmitteerd vermogen, wat via Fourier-transformatie naar het verre veld wordt getransformeerd. LEE wordt berekend als de verhouding van getransmitteerd vermogen tot totale dipoolemissie.

Resultaten en Discussie

Effect van de Optische Kavel Dikte op LEE

De afstand tussen de MQWs en de Al-reflector, gecontroleerd door de p-AlGaN-dikte, vormt een optische kavel die LEE moduleert. Fig. 1b toont oscillerende LEE-curven met een ~50 nm periode, overeenkomend met de theoretische λ/2n≈53 nm. TE- en TM-pieken zijn uit fase, zoals voorspeld door Fresnel- en Mueller-matrixanalyse. De aanwezigheid van een 100-nm p-GaN-laag dempt het kaveleffect, doch de minimum TE/TM LEE blijft hoger dan voor apparaten zonder p-GaN. Het elimineren of verdunnen van de p-GaN-laag kan LEE dus meer dan verdubbelen.

Effect van de Mascontacten van p-GaN op LEE

Om p-GaN-absorptie te verminderen, vervingen we de continue laag door een vierkante array van 250-nm diameter, 100-nm hoge nanostangen inbedded in de Al-reflector (Fig. 2a). De optimale p-AlGaN-dikte is 125 nm. De tussen-nanostangafstand is cruciaal: kleinere afstand verbetert stroomverspreiding maar verhoogt de p-GaN-vulfactor, wat absorptie versterkt. Fig. 2c toont dat TE LEE stijgt met afstand tot 125 nm, met een >3-voudige boost, daarna daalt als verstrooiing domineert. Deze trend wordt bevestigd door een model met nul GaN-absorptie en een perfect-elektrische-leider (PEC) reflector, waar LEE stijgt en daalt met afstand, wat de rol van verstrooiing bevestigt.

We onderzochten verder de invloed van nanostanghoogte. Het reduceren van hoogte van 100 nm naar 25 nm verhoogt LEE door lagere absorptie, maar het voordeel verzadigt voor hoogtes onder 25 nm omdat de Al-reflector het verstrooiingsgedrag domineert (Fig. 4).

Effect van de Hybride p-GaN/p-AlGaN Mascontacten op LEE

Het introduceren van p-AlGaN-nanostangen naast p-GaN-nanostangen (Fig. 5a) verbetert verstrooiing zonder reflectiviteit te compromitteren. LEEs voor diverse p-AlGaN-hoogtes (0, 25, 75, 100 nm) overstijgen allemaal die van de zuivere p-GaN-structuur, met het 75-nm geval de hoogste TE LEE leverend (Fig. 5b). Verre-veldpaternen bevestigen sterkere elektrisch-veldsintensiteit voor apparaten met p-AlGaN-nanostangen (Fig. 5c,d).

Effect van de Hybride p-GaN/p-AlGaN Afgeknotte Nanokeel op LEE

Om de persistent lage TM LEE aan te pakken, vervingen we de p-AlGaN-nanostangen door afgeknotte nanokegels met een hellingshoek α (Fig. 6a). Het verkleinen van α verhoogt zowel TE als TM LEEs. Bij α = 30° piekt TE LEE op 26% (afstand = 375 nm) en stijgt TM LEE naar 12% (afstand = 260 nm), wat 5-voudige respectievelijk 24-voudige winsten vertegenwoordigt ten opzichte van de basislijn. Dit toont aan dat ingeklinde nanokegels TM-verstrooiing dramatisch verbeteren.

Conclusies

Onze uitgebreide simulatiestudie bevestigt dat nanometer-schalige mascontacten – p-GaN-nanostangen, hybride p-GaN/p-AlGaN-nanostangen en hybride p-GaN/p-AlGaN-afgeknotte nanokegels – de LEE in diep-UV LEDs aanzienlijk verhogen. De cruciale afwegingen zijn absorptie in de p-GaN-laag en Al-plasmonische verliezen versus verstrooiingsvoordelen. De hybride afgeknotte nanokeel, met een helling van 30°, realiseert de meest dramatische verbetering, met een 24-voudige toename in TM LEE terwijl TE LEE-winst behouden blijft.

Afkortingen

3D FDTD:

Driedimensionale finite-difference time-domain methode

DBR:

Distributed Bragg reflector (gedistribueerde Bragg-reflector)

DUV LEDs:

Diep-ultraviolet lichtemitterende diodes

EQE:

External quantum efficiency (externe quantum-efficiëntie)

IQE:

Internal quantum efficiency (interne quantum-efficiëntie)

LEE:

Light extraction efficiency (lichtextractie-efficiëntie)

MQWs:

Multiple quantum wells (meervoudige quantum wells)

ODR:

Omni-directional reflector (omnidirectionele reflector)

PEC:

Perfect electrical conductor (perfecte elektrische geleider)

PML:

Perfectly matched layer (perfect gematchte laag)

TE:

Transverse electric (transversaal elektrisch)

TIR:

Total internal reflection (totale interne reflectie)

TM:

Transverse magnetic (transversaal magnetisch)