网状p型接触结构对深紫外倒装芯片发光二极管光提取效果的影响

介绍

AlGaN基深紫外发光二极管（DUV LED）在水净化、医疗光疗、检测和光催化等领域具有巨大的应用潜力[1,2,3]。然而，特别是当发射波长减小时，仍然难以获得具有高外量子效率（EQE）的DUV LED。 LED 的 EQE 可以通过表示为 η 的内量子效率 (IQE) 的乘积来计算 IQE 和光提取效率 (LEE) 表示为 η LEE，即η EQE =η IQE·η 李。目前，传统倒装芯片结构 DUV LED 的 EQE 低于 10%，这受到 7-9% 的低 LEE [4] 的强烈限制。迄今为止，DUV LED 的世界纪录最高 EQE 在 275 nm 波长处为 20%，而如此高的 EQE 是通过显着增强的 LEE 实现的，该 LEE 是通过集成各种先进的 LEE 技术（例如图案化蓝宝石衬底、透明 p 电极和先进的封装技术 [5]。因此，提高 LEE 以实现高效 DUV LED 变得至关重要。众所周知，LEE 受全内反射 (TIR) 和菲涅耳损耗的影响很大，这是由 AlGaN 和空气 (n 空气 =1 和 n AlGaN =2.6) [6]。此外，基于 AlGaN 的量子阱中 Al 含量的增加产生了横向磁 (TM) 偏振光的优势，在从 DUV LED 提取之前很难传播到逃逸锥 [7]。一方面，为了增加 LEE，包括粗糙表面 [8]、图案化蓝宝石衬底 [9]、倾斜侧壁 [10] 和表面等离子体极化器 [11] 在内的各种技术已被广泛应用，并且通过这样做，散射可以生成有助于增加光子从蓝宝石衬底逃逸的概率。另一个限制 LEE 的障碍来自吸收性 p-GaN 接触层，因为难以生长高空穴浓度的富铝 p-AlGaN 层 [5]。因此，对于 DUV LED，减少由 p-GaN 层引起的光吸收非常重要，建议的方法包括网状 p 型接触电极 [12, 13]、分布式布拉格反射器 (DBR)/全向反射器(ODR) [14, 15] 和光子晶体 [16]。在所提出的方法中，网状 p 型接触电极是有效且成本较低的。洛博等人。报道了微米级 p 型接触图案，并被证明可有效改善光提取 [13]。然而，很少进行纳米尺度的网状p型接触电极的研究。除此之外，微米尺度的网状 p 型接触电极对 LEE 的散射效应在以前的报告中被忽略。我们相信纳米级p型接触电极中的散射效应可以进一步提高LEE。

在本文中，纳米级网状接触结构和铝反射器对 DUV LED 的 LEE 的影响进行了数值研究。研究了各种网状触点结构，包括 p-GaN 纳米棒触点、混合 p-GaN 纳米棒/p-AlGaN 纳米棒触点和混合 p-GaN 纳米棒/p-AlGaN 截断纳米锥触点。通过使用三维有限差分时域 (3D FDTD) 模拟，这项工作研究了 LEE 对所提出结构的可变参数的依赖性。我们发现具有优化的混合 p-GaN 纳米棒/p-AlGaN 截断纳米锥网状触点的 LED 分别使横向电 (TE)- 和 TM- 偏振光的 LEE 增强超过 5 倍和 24 倍。

模型与仿真方法

我们工作中使用的模拟器是由 Lumerical FDTD 解决方案开发的，它可以求解与时间相关的麦克斯韦方程组来计算有限结构中的电磁场分布 [17, 18]。图 1a 显示了传统倒装芯片 DUV LED 的仿真模型。一层铝反射器固定在模拟结构的顶部，用于将光子反射回透明蓝宝石，从而可以提取大部分光[19]。请注意，铝反射器在紫外光谱范围内具有高达 92% 的反射率 [20]。在模拟过程中，金属耗散机制由修改后的 Drude 模型描述 [21]。 p-GaN 层、n-AlGaN 层和蓝宝石的厚度分别设置为 100 nm、1.5 μm 和 1 μm [12]。多个量子阱 (MQW) 嵌入在 n-AlGaN 层和 p-AlGaN 层之间，其总厚度为 100 nm。此外，我们在 MQWs 区域的中间设置了一个偶极子，并设置了代表电子 - 空穴复合的偶极子 [22]。偶极子源光谱的峰值发射波长设置为 280 nm。偶极子源在平行或垂直于 X 的方向上极化 -轴分别用于激发 TE 或 TM 模式 [23]。 Z - 轴垂直于 DUV LED 的 C 平面。因此，TE 偏振光和 TM 偏振光分别主要在 YZ 和 XY 平面中传播。假设 AlGaN 层、MQW 和 GaN 层在 280 nm 发射波长处的吸收系数为 10 cm ^-1 , 1000 cm ⁻¹ , 和 170,000 cm ⁻¹ ， 分别。假设 AlGaN 层、GaN 层和蓝宝石的材料折射率分别为 2.6、2.9 和 1.8 [23, 24]。计算结构的横向尺寸设置为 8 × 8 μm ² .假设四个横向边界的边界条件具有 100% 的反射率，因此可以推测有限的横向尺寸是无限的 [25]。顶部和底部边界的条件设置为具有完全匹配层（PML），可以完全吸收电磁能量。在我们的模型中，在进行模拟时应用了非均匀网格，最小网格尺寸设置为 5 nm，这为计算 LEE 提供了良好的精度。功率监视器放置在距蓝宝石 300 nm 处，用于收集通过监视器的功率传输并记录近场电场辐射。通过傅里叶变换将近场电场转换为远场电场。 LEE 是通过从功率监视器收集的总提取功率与偶极子的总发射功率之比计算得出的 [26]。功率监视器采集的功率是通过对功率监视器表面的远场功率分布进行积分得到的。

一 传统倒装芯片 DUV LED 结构的 3D FDTD 计算模型的示意侧视图。 b 具有 p-GaN 和不含 p-GaN 的 DUV LED 的 TE 和 TM 偏振 LEE 作为 p-AlGaN 厚度的函数

结果和讨论

光腔厚度对 LEE 的影响

众所周知，光腔效应可以调整倒装 LED 中 MQW 的辐射模式，其对 p 型层厚度很敏感，而 p 型层厚度对 LEE 有显着影响 [27] .因此，我们首先研究了 p-AlGaN 层厚度对传统 LED 结构的 TE 偏振和 TM 偏振 LEE 的影响。 p-AlGaN 层厚度也代表 MQW 和铝反射器之间的距离。如图 1b 所示，所有 LEE 曲线都显示出随着 p-AlGaN 层厚度的周期性振荡，周期约为 50 nm。振荡行为是由于来自光源的光和由铝镜反射的光之间的相长干涉引入的光腔效应。根据干涉理论，周期可通过Δd计算 =λ /2n AlGaN =53 nm [21]，这与图 1b 中的模拟结果非常吻合。此外，TM 偏振光的峰值 LEE 与 TE 偏振光的 LEE 峰值相反。根据菲涅尔方程和穆勒矩阵 [28]，TE 和 TM 偏振光从两个线性各向同性介质之间的界面反射时存在不同的反射幅度和相移。此外，可以发现，虽然p-GaN层的强吸收减弱了光腔效应，但具有100nm厚p-GaN层的LED的LEE仍然表现出很小的幅度波动。带有 p-GaN 层的 LED 较弱的光腔效应导致这样一个事实：对于 TE 和 TM 偏振光，带有 p-GaN 层的 LED 的最小 LEE 大于没有 p-GaN 层的 LED层，如图 1b 所示。同时，还可以观察到，TM 偏振光的平均 LEE 仅为 TE 偏振光的十分之一，这里的发现与 [23] 中的结果一致。此外，值得注意的是，没有 p-GaN 层的 LED 显示出最大的 TE 偏振光和 TM 偏振光 LEE，分别为 16% 和 1.5%，而这些数字仅为 5% 和 0.5%。分别带有 p-GaN 层的 LED。因此，没有 p-GaN 层的 LED 可以获得三倍的 LEE 增强，这表明 TE 和 TM 偏振光都可以被 p-GaN 层显着吸收。这是因为有些光线需要经过多次反射才能逃逸，而优化的p-AlGaN厚度也带来了最佳的光腔效应。因此，降低p-GaN的吸收对于DUV LED的LEE非常重要，可以使LEE增加一倍以上。

网状 p-GaN 接触对 LEE 的影响

为了减少 p-GaN 层的吸收，将 p-GaN 网格化为亚微接触以增加 LEE。基于图 1a 中传统的倒装芯片 DUV LED，p-GaN 层设计用于嵌入铝反射器中的纳米棒，以形成具有方形阵列的 p 型亚微接触电极（见图 2a） （见图2b）。 p-GaN 纳米棒的高度设置为 100 nm。 p-GaN 纳米棒的直径固定为 250 nm，该数字接近发射波长。根据图 1b，优化的 p-AlGaN 层厚度设置为 125 nm。对于具有网状 p-GaN 触点的 DUV LED，间距是最重要的。一方面，较小的间距将使电流更有效地扩散到整个有源区。另一方面，较小的间距会增加网状 p-GaN 触点的填充因子，从而增加光吸收。因此，能够实现良好的电流扩展和出色的 LEE 的优化间距对于建议的 DUV LED 非常关键。然后我们在图 2c 中研究并显示间距对 LEE 的影响。正如预期的那样，与传统的 DUV LED 相比，具有网状 p-GaN 触点的 DUV LED 的 TE 偏振和 TM 偏振 LEE 得到显着改善。 TE 偏振光的 LEE 随着间距的增加而增加，直到间距达到 125 nm，因为 p-GaN 的吸收由于 p-GaN 的填充因子降低而降低。当间距在 125 nm 左右时，LEE 有超过三倍的增强。然而，在 125 nm 之后，TE 偏振光的 LEE 随填充因子而降低。当间距超过 125 nm 时的观察结果推断，还有另一个因素对 LEE 有重要影响。根据[29]的报道，光子的消光长度可以表示为1/L 灭绝 =1/L 散射 + 1/L 吸收，其中 L 散射和L 吸收分别对应于散射长度和吸收长度。由于LEE主要取决于材料吸收和结构散射，可以推断当间距大于125 nm时，网状p-GaN接触引起的散射效应主要影响LEE。

一 具有网状 p-GaN 触点的倒装芯片 DUV LED 的示意侧视图。 b 网状 p-GaN 接触分布的俯视示意图。 c 当 p-AlGaN 厚度为 125 nm 时，具有网状 p-GaN 触点的 DUV LED 的 LEE 作为纳米棒间距的函数

为了确认网状 p-GaN 触点的散射效应，设置了一个没有吸收材料的模型，这样 GaN 材料的吸收系数设置为 0，Al 反射器被完美电导体 (PEC) 代替，接近 100 % 反射率，其模拟结果在图 3a 中用黑色方线绘制。可以看出，LEE随着间距的增加而增加然后减少。即，p-GaN亚微接触的散射效应随着空间的增加而增加然后减小。因此，网格p型GaN接触的间距增加将抑制散射效应，这解释了图3a中的观察结果，当间距大于50 nm时，LEE随着间距的增加而减小。

一 对于具有 100 nm 高非吸收性/吸收性 p-GaN 纳米棒的 DUV LED，LEE 作为纳米棒间距的函数，反射器分别为 Al 和 PEC。 b 作为纳米棒间距函数的网状铝反射器和平面铝反射器的法向入射反射率。插图显示了具有网状 p-GaN 触点的 DUV LED 中 p-GaN 层吸收、Al 金属吸收和结构散射的影响。具有c的纳米棒间距为50 nm的电场截面分布 艾尔和d PEC反射器

此外，当GaN的吸收设置为0并使用Al反射器时，LEE也先增加然后减少，如图3a所示的红色三角线。但是，Al 反射器结构的 20% 的最大 LEE 远小于 PEC 反射器结构的 56%。图 3b 显示了反射率对网格化铝反射器间距的依赖性。网状铝反射器的反射率随着间距的减小而减小。换句话说，当间距减小时，Al金属表面变得粗糙。因此，粗糙金属表面反射率的降低可归因于表面等离子体激元的激发和表面效应 [30,31,32]。粗糙的金属表面应调制入射光的相位，导致吸收光和表面波激发（表面等离子体）。表面效应导致光被捕获在表面的凹坑中并最终被吸收。此外，使用平面波作为 Al 反射器和 PEC 反射器的入射源的截面电场分布如图 3 和图 6 所示。分别为 3c 和 d。可以发现，对于带 Al 反射器的 LED，p-GaN 纳米棒具有最强的局部电场强度，但这种观察在带 PEC 反射器的 LED 的 p-GaN 纳米棒中不太明显，这证实了网状铝反射器的表面等离子体共振吸收。此外，当我们的模型考虑 p-GaN 层吸收和 PEC 反射器时，可以观察到类似的 LEE 趋势，如图 3a 中的蓝色圆圈线所示。对于没有GaN吸收和PEC反射器的LED（红色三角线），LEE变大，这表明p-GaN层吸收比金属吸收更严重。因此，对于具有网状 p-GaN 触点的 DUV LED，p-GaN 层吸收、Al 金属吸收和结构散射之间存在竞争，如图 3b 的插图所示。当间距过小时，LEE受p-GaN层和金属吸收的影响较大，而当间距变大时，结构散射对LEE产生主要影响。

此外，我们进一步研究了 p-GaN 纳米棒高度对 DUV LED 的 LEE 的影响。图 4a 显示了 LEE 在 10 nm、25 nm、50 nm 和 100 nm 的不同 p-GaN 纳米棒高度下的间距依赖性。当纳米棒高度从 100 降低到 25 nm 时，LEE 增加。很明显，LEE 的增加归因于较薄的 p-GaN 层吸收较弱。然而，图 4a 还表明，当纳米棒高度为 25 nm 和 10 nm 时，LEE 是相似的。如图 4b 所示，Al 金属与 p-GaN 纳米棒的反射率随着纳米棒高度的降低而增加得更快。因此，可以推断在 25 nm 高度的散射效应强于 10 nm 高度的散射效应，产生相似的 LEE。然而，当p-GaN纳米棒处于100-nm高度时，最大LEE为15%，而当p-GaN纳米棒处于25-nm高度时，最大LEE仅为18%；因此，获得了很小的差异。它主要归因于强吸收性 p-GaN 层，如图 4a 的插图所示。对于 10 nm 厚的 p-GaN 层，只能反射 40% 的光，因此反射光主要来自 p-GaN 纳米棒中的铝反射层。因此，反射率受间距而非 p-GaN 纳米棒高度的影响更大。因此，与纳米棒间距相比，p-GaN纳米棒高度对LEE的影响较小。

(a) 设置 LEE 作为具有铝反射器和 p-GaN 纳米棒高度为 10、25、50 和 100 nm 的 DUV LED 的纳米棒间距的函数。插图：作为 p-GaN 层厚度和 b 函数的常规 DUV LED 的法向入射反射率 当p-GaN纳米棒高度为10、25、50和100 nm时，垂直入射反射率与纳米棒间距的关系

混合 p-GaN/p-AlGaN 网状接触对 LEE 的影响

此外，我们进一步提出了混合 p-GaN/p-AlGaN 网状接触层，如图 5a 所示。 p-GaN 纳米棒的高度和直径分别设置为 100 nm 和 250 nm。 p-AlGaN 纳米棒高度 (H ) 在这种情况下是一个变量。在纳米棒间距方面，不同 DUV LED 的 LEE 如图 5b 所示，我们为其设置了 H 的值 至 0 nm、25 nm、75 nm 和 100 nm。可以发现，具有各种高 p-AlGaN 纳米棒的 DUV LED 的 LEE 比没有 p-AlGaN 纳米棒的要大 (H =0 纳米）。如果 H，则 DUV LED 的 LEE 受 p-AlGaN 纳米棒高度的影响较小 不是 0 nm。图 5b 中的插图显示了混合结构的纳米棒间距方面的法向反射率，我们可以看到 p-AlGaN 纳米棒高度对反射率的影响可以忽略不计。因此，散射效应仅通过 p-AlGaN 纳米棒增强，从而导致 LEE 的改善。当纳米棒间距为 125 nm 时，具有 75 纳米和 0 纳米高 p-AlGaN 纳米棒的 DUV LED 的远场辐射模式如图 1 和图 2 所示。分别为 5c 和 d。可以观察到，具有 75 nm 高 p-AlGaN 纳米棒（见图 5c）的 DUV LED 的电场强度强于具有 0 nm 高 p-AlGaN 纳米棒的 DUV LED（见图 5d）。具有 75 nm 高 p-AlGaN 纳米棒的 DUV LED 的电场分布大于使用 0 nm 高 p-AlGaN 纳米棒的电场分布，这证实 p-AlGaN 纳米棒改善了对光的散射效果。图 5e 表明 TM 极化的 LEE 受 p-AlGaN 纳米棒高度的影响甚至更小。

一 具有混合 p-GaN/p-AlGaN 纳米棒网状触点的倒装芯片 DUV LED 的示意侧视图。 b 作为纳米棒间距和 p-AlGaN 纳米棒高度的函数的 TE 偏振光的 LEE 设置为 0、25、75 和 100 nm。插图：具有 100 nm 高 p-GaN 和 p-AlGaN 高度为 0、25、75 和 100 nm 的 DUV LED 法向入射反射率作为纳米棒间距的函数。间距为 125 nm 且 p-AlGaN 高度为 c 的远场辐射图 75 nm 和 d 0 纳米。 e 作为纳米棒间距和 p-AlGaN 纳米棒高度函数的 TM 偏振光的 LEE 设置为 0、25、75 和 100 nm

我们之前的分析表明，TM 偏振光仍然存在极低的 LEE。因此，应提出散射TM偏振光的方法。为此，我们提出了具有倾斜侧壁的 p-AlGaN 纳米棒，从而形成了 p-AlGaN 截断的纳米锥结构，如图 6a 所示。 p-AlGaN截断纳米锥的高度设置为75 nm，倾斜角定义为α . TE 和 TM 偏振光的 LEE 显着增强，α 可以在图中看到。分别为 6b 和 c。对于倾斜角α =30°，不可能设置更小的周期，因为当 p-GaN 纳米棒间距为 260 nm 时，p-AlGaN 截断的纳米锥已经紧密堆积。当间距为 375 nm 时，TE 极化的最大 LEE 达到 26%，α 设置为 30°。这个数字比图 5a 中的设计大 1.44 倍。更值得注意的是，与图 5a 中的结构相比，当间距为 260 nm 和 α 时，图 6a 中设计的最大 TM 偏振 LEE 为 12% 设置为 30°，这个数字增加了 10 倍。与没有网状结构的传统 DUV LED 相比，利用图 6a 中的设计，TE 和 TM 偏振的 LEE 可以分别增加 5 倍和 24 倍以上。这些模拟结果表明，倾斜30°的p-AlGaN截头纳米锥可以显着改善光散射效果，尤其是对TM偏振光。

一 具有混合 p-GaN 纳米棒/p-AlGaN 截断纳米锥触点的倒装芯片 DUV LED 的示意性侧视图。 TE 偏振光的 LEE (b ) 和 TM 偏振光 (c ) 作为 DUV LED 纳米棒间距的函数，结构采用 100 纳米高 p-GaN 和 75 纳米高 p-AlGaN（倾斜角设置为 30°、50°、75° , 和 90°)

结论

总之，详细研究了各种网状接触结构（包括 p-GaN 纳米棒、混合 p-GaN/p-AlGaN 纳米棒和 p-GaN 纳米棒/p-AlGaN 截头纳米锥）对 DUV LED 的 LEE 的影响。已证明p-GaN层吸收和Al金属吸收在纳米棒间距较小的结构的LEE中起主要作用，而网状结构的散射能力对纳米棒间距较大的结构的LEE起主要贡献。值得注意的是，尽管 TE 偏振光的 LEE 增强非常显着，但 p-GaN 纳米棒和混合 p-GaN/p-AlGaN 纳米棒都不能显着促进 TM 偏振光的 LEE，这是由于对面内光的散射效果非常差。因此，我们进一步提出并证明了通过将 p-GaN 纳米棒和 p-AlGaN 截头纳米锥结合可以显着改善 TM 偏振光的 LEE，并且发现优化的倾角为 30°。与传统无网状结构的DUV LED相比，TM偏振LEE可实现24倍增强。

缩写

3D FDTD：

三维时域有限差分法

DBR：

分布式布拉格反射器

DUV LED：

深紫外发光二极管

EQE：

外量子效率

IQE：

内量子效率

LEE：

光提取效率

MQW：

多量子阱

ODR：

全方位反射器

PEC：

完美的导电体

PML：

完美匹配层

TE：

横向电动

TIR：

全内反射

TM：

横磁