Efectos de la estructura de contacto tipo p mallada en el efecto de extracción de luz para diodos emisores de luz ultravioleta ultravioleta profunda de chip giratorio

Resultados y discusiones

Efecto del grosor de la cavidad óptica en LEE

Como es bien sabido, el efecto de cavidad óptica puede sintonizar el modo de radiación para MQW en LED de chip basculante, que es sensible al grosor de la capa de tipo p, mientras que el grosor de la capa de tipo p tiene una influencia significativa en LEE [27] . Por lo tanto, primero estudiamos el efecto del espesor de la capa de p-AlGaN en los LEE polarizados en TE y polarizados en TM para la estructura de LED convencional. El espesor de la capa de p-AlGaN también representa la distancia entre los MQW y el reflector de Al. Como se muestra en la Fig. 1b, todas las curvas LEE muestran una oscilación periódica con el espesor de la capa de p-AlGaN y el período es de aproximadamente 50 nm. El comportamiento de oscilación se debe al efecto de cavidad óptica que se introduce por la interferencia constructiva entre la luz de la fuente y la luz reflejada por el espejo de Al. Según la teoría de la interferencia, el período se puede calcular mediante Δ d = λ / 2 n _AlGaN =53 nm [21], que tiene una buena concordancia con los resultados simulados en la Fig. 1b. Además, los LEE máximos para la luz polarizada en TM son opuestos a los de la luz polarizada en TE. De acuerdo con las ecuaciones de Fresnel y la matriz de Mueller [28], existen diferentes amplitudes de reflexión y cambios de fase para la reflexión de la luz polarizada TE y TM desde la interfaz entre dos medios isotrópicos lineales. Además, se puede encontrar que, aunque la fuerte absorción de la capa de p-GaN debilita el efecto de la cavidad óptica, el LEE para LED con una capa de p-GaN de 100 nm de espesor todavía muestra una pequeña fluctuación de amplitud. El efecto de cavidad óptica más débil para LED con capa de p-GaN conduce al hecho de que, tanto para la luz polarizada TE como para la TM, el LEE mínimo para el LED con capa de p-GaN es mayor que para el LED sin p-GaN capa como se muestra en la Fig. 1b. Mientras tanto, también se puede observar que el LEE promedio para la luz polarizada en TM es solo una décima parte del de la luz polarizada en TE, y los hallazgos aquí son consistentes con los resultados en [23]. Además, vale la pena señalar que los LED sin capa de p-GaN muestran que los LEE más grandes para luz polarizada TE y luz polarizada TM son 16% y 1.5%, respectivamente, mientras que estos números son solo 5% y 0.5% para la LEDs con capa p-GaN, respectivamente. Por lo tanto, se puede obtener una mejora triple en el LEE para los LED sin una capa de p-GaN, lo que indica que la luz polarizada tanto en TE como en TM puede ser absorbida significativamente por la capa de p-GaN. Es porque algunas luces necesitan experimentar múltiples reflejos para escapar, y el grosor optimizado de p-AlGaN también causa el mejor efecto de cavidad óptica. Por lo tanto, reducir la absorción de p-GaN es muy importante para el LEE de DUV LED y puede generar más del doble de aumento en LEE.

Efecto de los contactos de p-GaN en malla en LEE

Para reducir la absorción de la capa de p-GaN, p-GaN se combina en submicrocontactos para aumentar el LEE. Basado en el LED DUV de chip invertido convencional en la Fig. 1a, la capa de p-GaN está diseñada para nanobarras que están incrustadas en el reflector de Al para formar el electrodo de submicrocontacto de tipo p (ver Fig. 2a) con una matriz cuadrada (ver Fig. 2b). La altura de las nanobarras de p-GaN se establece en 100 nm. El diámetro de las nanovarillas de p-GaN se fija en 250 nm, cuyo número es cercano a la longitud de onda de emisión. El grosor optimizado de la capa de p-AlGaN se establece en 125 nm de acuerdo con la Fig. 1b. Para el LED DUV con contactos p-GaN mallados, el espaciado es lo más importante. Por un lado, el espaciado más pequeño hará que la corriente se extienda de manera más eficiente en toda la región activa. Por otro lado, el espaciado más pequeño aumentará el factor de llenado de los contactos de p-GaN mallados y, por lo tanto, aumentará la absorción óptica. Por lo tanto, un espaciado optimizado que permita tanto una buena distribución de corriente como un LEE excelente es muy crítico para los LED DUV propuestos. Luego investigamos y mostramos el efecto del espaciamiento en LEE en la Fig. 2c. Como era de esperar, en comparación con el LED DUV convencional, los LEE polarizados en TE y polarizados en TM para los LED DUV con contactos de p-GaN mallados se mejoraron significativamente. El LEE para la luz polarizada TE aumenta con el espaciado creciente hasta que el espaciado alcanza 125 nm porque la absorción de p-GaN disminuye como resultado de la disminución del factor de llenado de p-GaN. Y los LEE tienen una mejora de más de tres veces cuando el espaciado es de alrededor de 125 nm. Sin embargo, después de 125 nm, el LEE para la luz polarizada en TE disminuye con el factor de llenado. Las observaciones cuando el espaciamiento está más allá de 125 nm infieren que hay otro factor que juega un efecto importante en LEE. Según el informe de [29], la longitud de extinción del fotón se puede expresar en 1 / L _extinción =1 / L _dispersión + 1 / L _absorción , donde L _dispersión y L _absorción corresponden a la longitud de dispersión y la longitud de absorción, respectivamente. Debido a que el LEE depende principalmente de la absorción del material y la dispersión estructural, se puede inferir que el efecto de dispersión causado por los contactos de p-GaN mallados afecta predominantemente al LEE cuando el espaciado es mayor de 125 nm.

un Diagrama esquemático de la vista lateral del LED DUV flip-chip con contactos p-GaN mallados. b Diagrama esquemático de la vista superior de la distribución de contactos de p-GaN en malla. c LEEs para LED DUV con contactos de p-GaN mallados en función del espaciado de nanobarras cuando el grosor de p-AlGaN es de 125 nm

Para confirmar el efecto de dispersión de los contactos de p-GaN mallados, se establece un modelo sin material absorbente, de modo que el coeficiente de absorción para el material de GaN se establece en 0 y el reflector de Al se reemplaza por el conductor eléctrico perfecto (PEC) con casi 100 % de reflectividad, para el cual los resultados de la simulación se representan con una línea cuadrada negra en la Fig. 3a. Se puede ver que el LEE aumenta y luego disminuye con el aumento del espaciamiento. Es decir, el efecto de dispersión del submicrocontacto de p-GaN es incremental y luego disminuye con el espacio aumentado. Por lo tanto, el mayor espaciado para los contactos de GaN de tipo p en malla suprimirá el efecto de dispersión, y esto interpreta la observación en la Fig. 3a de que cuando el espaciado es mayor de 50 nm, el LEE disminuye con el aumento del espaciado.

un LEEs en función del espaciado de nanobarras para LED DUV con nanobarras de p-GaN no absorbentes / absorbentes de 100 nm de altura, y los reflectores son Al y PEC, respectivamente. b Reflectividad de incidencia normal con reflector de Al mallado y reflector de Al plano en función del espaciado de nanobarras. El recuadro muestra el efecto de la absorción de la capa de p-GaN, la absorción del metal Al y la dispersión de la estructura en el LED DUV con contactos de p-GaN en malla. Distribuciones transversales del campo eléctrico en el espaciamiento de nanovarillas de 50 nm con c Al y d Reflector PEC

Además, cuando la absorción de GaN se establece en 0 y se aplica el reflector de Al, el LEE también aumenta primero y luego disminuye como la línea del triángulo rojo que se muestra en la Fig. 3a. Sin embargo, el LEE máximo del 20% para la estructura con reflector de Al es mucho menor que el del 56% para la estructura con reflector PEC. La Figura 3b presenta la dependencia de la reflectividad del espacio para el reflector de Al mallado. La reflectividad del reflector de Al de malla disminuye a medida que disminuye el espaciado. En otras palabras, la superficie del metal Al se vuelve rugosa cuando se reduce el espacio. Por tanto, la disminución de la reflectividad de las superficies metálicas rugosas puede atribuirse a la excitación de los plasmones superficiales y al efecto superficial [30,31,32]. La superficie de metal rugosa debe modular la fase de la luz incidente que conduce a la luz absorbida y la excitación de la onda superficial (plasmones superficiales). El efecto de superficie da como resultado la captura de la luz en los hoyos de la superficie con una eventual absorción. Además, en las Figs. Se muestra la distribución del campo eléctrico en sección transversal que utiliza una onda plana como fuente de incidencia para el reflector de Al y el reflector PEC. 3c y d, respectivamente. Se puede encontrar que, para el LED con reflector de Al, las nanovarillas de p-GaN poseen la intensidad de campo eléctrico local más fuerte, pero tales observaciones son menos obvias en las nanovarillas de p-GaN para el LED con reflector PEC, lo que confirma que hay una absorción de resonancia de plasmón de superficie para reflector de Al de malla. Además, se puede observar una tendencia LEE similar a la que muestra la línea del círculo azul en la Fig. 3a cuando nuestro modelo considera la absorción de la capa p-GaN y el reflector PEC. El LEE se vuelve más grande para el LED sin absorción de GaN y con reflector PEC (línea triangular roja), lo que indica que la absorción de la capa de p-GaN es más grave que la absorción del metal. Por lo tanto, para el LED DUV con contactos de p-GaN en malla, existe una competencia entre la absorción de la capa de p-GaN, la absorción de metal de Al y la dispersión de la estructura, como se muestra en el inserto de la Fig. 3b. Cuando el espacio es demasiado pequeño, el LEE se ve profundamente afectado por la absorción de la capa de p-GaN y el metal, mientras que la dispersión de la estructura tiene un efecto principal en el LEE cuando el espacio se vuelve grande.

Además, investigamos más a fondo el efecto de la altura de la nanovarilla de p-GaN en el LEE para los LED DUV. En la Fig. 4a se muestra la dependencia del espaciamiento de los LEE a diferentes alturas de nanobarras de p-GaN de 10 nm, 25 nm, 50 nm y 100 nm. El LEE aumenta cuando la altura de la nanovarilla disminuye de 100 a 25 nm. Es obvio que el aumento de LEE se atribuye a la absorción más débil de la capa más delgada de p-GaN. Sin embargo, la Fig. 4a también muestra que los LEEs son similares cuando las alturas de las nanobarras son de 25 nm y 10 nm. Como se muestra en la Fig. 4b, la reflectividad del metal Al con nanobarras de p-GaN aumenta más rápidamente con la disminución de la altura de la nanovarilla. Por lo tanto, se puede inferir que el efecto de dispersión a la altura de 25 nm es más fuerte que el de la altura de 10 nm, lo que produce un LEE similar. No obstante, el LEE más grande es del 15% cuando las nanobarras de p-GaN están a la altura de 100 nm, y el LEE máximo es solo del 18% cuando las nanobarras de p-GaN están a la altura de 25 nm; así, se obtiene una pequeña diferencia. Se atribuye principalmente a la fuerte capa absorbente de p-GaN como se muestra en el recuadro de la Fig. 4a. Para una capa de p-GaN de 10 nm de espesor, solo se puede reflejar el 40% de la luz, por lo que la luz reflejada proviene principalmente del reflector de Al entre las nanobarras de p-GaN. En consecuencia, la reflectividad se ve más afectada por el espaciado que por la altura de las nanobarras de p-GaN. Por lo tanto, en comparación con el espaciado de nanobarras, la altura de las nanobarras de p-GaN influye menos en el LEE.

( a) LEEs en función del espaciado de nanobarras para LED DUV con reflector de Al y con las alturas de nanobarras de p-GaN de 10, 25, 50 y 100 nm se establecen. Recuadro:reflectividad de incidencia normal para LED DUV convencionales en función del grosor de la capa p-GaN y b reflectividad de incidencia normal como una función del espaciado de nanobarras cuando las alturas de nanobarras de p-GaN son de 10, 25, 50 y 100 nm

Efecto de los contactos en malla híbridos p-GaN / p-AlGaN en LEE

Además, proponemos además una capa de contactos de malla híbrida p-GaN / p-AlGaN como se muestra en la Fig. 5a. La altura y el diámetro de la nanovarilla de p-GaN se establecen en 100 nm y 250 nm, respectivamente. La altura de la nanovarilla de p-AlGaN ( H ) es una variable en este caso. Los LEE para diferentes LED DUV en términos de espaciado de nanobarras se muestran en la Fig. 5b, para los cuales establecemos los valores de H a 0 nm, 25 nm, 75 nm y 100 nm. Se puede encontrar que los LEE para LED DUV con varias nanovarillas de p-AlGaN son más grandes que las que no tienen nanovarillas de p-AlGaN ( H =0 nm). Y los LEE para LED DUV están menos influenciados por la altura de la nanobarra p-AlGaN si H no es 0 nm. El recuadro de la Fig. 5b muestra la reflectividad normal en términos del espaciado de nanobarras para la estructura híbrida, y podemos ver que la altura de las nanobarras de p-AlGaN tiene un impacto insignificante en la reflectividad. Por lo tanto, el efecto de dispersión simplemente se ve reforzado por las nanovarillas de p-AlGaN, que por lo tanto conduce a un LEE mejorado. Los patrones de radiación de campo lejano para LED DUV con nanobarras de p-AlGaN de 75 nm y 0 nm de altura cuando el espaciado de nanovarillas es de 125 nm se muestran en las Figs. 5c y d, respectivamente. Se puede observar que la intensidad del campo eléctrico de los LED DUV con nanobarras de p-AlGaN de 75 nm de alto (ver Fig. 5c) es más fuerte que con nanobarras de p-AlGaN de 0 nm de alto (ver Fig. 5d). La distribución del campo eléctrico para los LED DUV con nanovarillas de p-AlGaN de 75 nm de alto es mayor que la de las nanovarillas de p-AlGaN de 0 nm de altura, lo que confirma que las nanovarillas de p-AlGaN mejoran el efecto de dispersión de la luz. La Figura 5e demuestra que el LEE polarizado en TM se ve afectado aún más levemente por la altura de la nanovarilla p-AlGaN.

un Diagrama de vista lateral esquemática para LED DUV flip-chip con contactos de malla híbridos p-GaN / p-AlGaN basados ​​en nanobarras. b Los LEE para la luz TE-polarizada en función del espaciado de nanobarras y las alturas de las nanobarras de p-AlGaN se establecen en 0, 25, 75 y 100 nm. Recuadro:Reflectividad de incidencia normal para LED DUV con p-GaN de 100 nm de altura y con una altura de p-AlGaN de 0, 25, 75 y 100 nm en función del espaciado de nanobarras. Patrones de radiación de campo lejano a una distancia de 125 nm con una altura de p-AlGaN de c 75 nm y d 0 nm. e Los LEE para luz polarizada en TM como una función del espaciado de nanobarras y las alturas de nanobarras p-AlGaN se establecen en 0, 25, 75 y 100 nm

Nuestro análisis anterior muestra que la luz polarizada TM todavía sufre de LEE extremadamente bajo. Como resultado, se propondrán métodos para dispersar la luz polarizada TM. Para ese propósito, proponemos nanobarras de p-AlGaN con paredes laterales inclinadas, formando así la estructura de nanoconas truncadas de p-AlGaN como se muestra en la Fig. 6a. La altura de las nanoconas truncadas de p-AlGaN se establece en 75 nm y el ángulo inclinado se define en α . Una mejora de LEE notable para la luz polarizada TE y TM con la disminución de α puede verse en las Figs. 6b y c, respectivamente. Para el ángulo inclinado α =30 °, es imposible establecer un período más pequeño porque las nanoconas truncadas de p-AlGaN se han empaquetado muy de cerca cuando el espaciado de las nanovarillas de p-GaN es de 260 nm. El LEE polarizado con TE más grande alcanza el 26% cuando el espaciado es de 375 nm y α está ajustado a 30 °. Este número es 1,44 veces mayor que el diseño de la figura 5a. Es más notable que en comparación con la estructura de la Fig. 5a, el LEE polarizado en TM más grande para el diseño de la Fig. 6a es del 12% cuando el espaciado es de 260 nm y α se establece en 30 °, y este número se incrementa 10 veces. En comparación con el LED DUV convencional sin estructuras de malla, los LEE polarizados tanto en TE como en TM se pueden aumentar en más de 5 y 24 veces utilizando el diseño de la Fig. 6a, respectivamente. Estos resultados simulados indican que el nanocone truncado de p-AlGaN con un ángulo inclinado de 30 ° puede mejorar significativamente el efecto de dispersión de la luz, especialmente para la luz con polarización TM.

un Diagrama de vista lateral esquemática para LED DUV flip-chip con contactos híbridos p-GaN nanorod / p-AlGaN truncados nanocone. LEEs de luz polarizada TE ( b ) y de luz polarizada TM ( c ) en función del espaciado de nanobarras para LED DUV, y las estructuras son con p-GaN de 100 nm de alto y p-AlGaN de 75 nm de alto (los ángulos inclinados se establecen en 30 °, 50 °, 75 ° y 90 °)