利用纳米级网状接触和倾斜AlGaN纳米锥增强深紫外倒装芯片LED光提取效率

摘要

本研究探讨采用倒装芯片架构和多种网状p型接触几何结构制备的AlGaN基深紫外（DUV）发光二极管（LED）。通过三维有限差分时域（3D-FDTD）模拟，我们证明横电（TE）和横磁（TM）光提取效率（LEE）对网状结构的间距和倾斜度高度敏感。研究发现，较大填充因子并不提升LEE，因为p-GaN吸收、铝等离子体吸收和网状散射的竞争性损耗。值得注意的是，具有30°倾角的混合p-GaN纳米棒/p-AlGaN截断纳米锥接触，在280 nm发射波长下，分别将TE和TM偏振LEE提升约5倍和24倍。

引言

AlGaN基DUV LED在水净化、光疗、传感和光催化等领域需求日增。然而实现高外量子效率（EQE）仍具挑战，尤其是短波长下。EQE等于内量子效率（IQE）乘以光提取效率（LEE）。传统倒装芯片DUV LED的EQE通常<10%，主要因LEE限制在7-9%。275 nm处20%的世界纪录EQE得益于图案化蓝宝石、透明p电极和优化封装等先进LEE技术。因此提升LEE是高效DUV LED的关键。

LEE受全反射（TIR）和菲涅耳损失限制，源于AlGaN（n≈2.6）与空气的高折射率对比。量子阱中增加Al含量也倾向于TM偏振发射，这类光子难以逸出器件。增强LEE策略包括表面粗糙化、图案化蓝宝石、倾斜侧壁和等离子体共振，均引入散射中心重定向光子。另一关键限制是p-GaN接触层吸收，因空穴导电性差难以用Al丰富的p-AlGaN替代。为减轻此损耗，提出了网状p型接触、分布式布拉格反射器或光子晶体。网状接触成本效益高，在微米尺度显示潜力；但纳米级网状及其散射影响鲜有深入研究。

本文系统探索纳米级网状接触设计和Al反射器，评估其对DUV LED LEE的影响。我们比较p-GaN纳米棒、混合p-GaN/p-AlGaN纳米棒和混合p-GaN/p-AlGaN截断纳米锥。3D-FDTD分析显示，混合截断纳米锥结构可使TE光提升逾5倍，TM光提升24倍。

模型与仿真方法

仿真使用Lumerical FDTD Solutions求解时域麦克斯韦方程。基准倒装芯片模型（图1a）含92%反射率的Al顶层，将光子重定向至蓝宝石衬底。100 nm p-GaN、1.5 µm n-AlGaN和1 µm蓝宝石堆叠包含100 nm多量子阱（MQWs）。位于MQW中心的单偶极子源，沿X（TE）或Y（TM）偏振，激发280 nm发射。280 nm处吸收系数：AlGaN 10 cm⁻¹，MQWs 1000 cm⁻¹，GaN 170,000 cm⁻¹。折射率：AlGaN 2.6，GaN 2.9，蓝宝石 1.8。仿真域横向8 µm × 8 µm，顶底为完美匹配层（PML）。最小单元5 nm的非均匀网格确保精准场分辨。置于蓝宝石上方300 nm的功率监测捕获透射功率，傅里叶变换至远场。LEE计算为透射功率与总偶极子发射功率之比。

结果与讨论

光学腔厚度对LEE的影响

MQWs与Al反射器间距离由p-AlGaN厚度控制，形成调制LEE的光学腔。图1b显示LEE呈~50 nm周期振荡，符合理论λ/2n≈53 nm。TE和TM峰值相位相反，符合菲涅耳和Mueller矩阵分析预测。100 nm p-GaN层削弱腔效应，但最小TE/TM LEE仍高于无p-GaN器件。因此消除或减薄p-GaN层可使LEE翻倍以上。

网状p-GaN接触对LEE的影响

为减少p-GaN吸收，我们用嵌入Al反射器的250 nm直径、100 nm高纳米棒方阵替代连续层（图2a）。最优p-AlGaN厚度为125 nm。纳米棒间距至关重要：间距减小利于电流扩展但增加p-GaN填充因子，加剧吸收。图2c显TE LEE随间距增大至125 nm时上升，获>3倍提升，随后因散射主导而下降。零GaN吸收和完美电导体（PEC）反射器模型佐证此趋势：LEE随间距先增后减，确认散射作用。

我们进一步考察纳米棒高度影响。高度从100 nm降至25 nm因吸收减少而提升LEE，但<25 nm时收益饱和，因Al反射器主导散射行为（图4）。

混合p-GaN/p-AlGaN网状接触对LEE的影响

引入p-AlGaN纳米棒与p-GaN纳米棒共存（图5a）进一步增强散射且不损反射率。各p-AlGaN高度（0、25、75、100 nm）的LEE均超纯p-GaN结构，75 nm情况TE LEE最高（图5b）。远场模式证实含p-AlGaN纳米棒器件电场强度更强（图5c,d）。

混合p-GaN/p-AlGaN截断纳米锥对LEE的影响

为解决持续偏低的TM LEE，我们用具有倾角α的截断纳米锥替代p-AlGaN纳米棒（图6a）。减小α同时提升TE和TM LEE。α=30°时，TE LEE在间距=375 nm峰值达26%，TM LEE在间距=260 nm升至12%，相对基准分别实现5倍和24倍增益。这表明倾斜纳米锥显著改善TM散射。

结论

综合仿真研究证实，纳米级网状接触——p-GaN纳米棒、混合p-GaN/p-AlGaN纳米棒、混合p-GaN/p-AlGaN截断纳米锥——大幅提升深紫外LED的LEE。关键权衡在于p-GaN层吸收和Al等离子体损耗与散射收益之间。30°倾角的混合截断纳米锥改善最显著，在保持TE LEE增益的同时，实现TM LEE 24倍增强。

缩写

3D FDTD:

三维有限差分时域法

DBR:

分布式布拉格反射器

DUV LEDs:

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

MQWs:

多量子阱

ODR:

全向反射器

PEC:

完美电导体

PML:

完美匹配层

TE:

横电

TIR:

全反射

TM:

横磁