Mejora de la Extracción de Luz en LEDs DUV Flip-Chip mediante Contactos Malla Nanométricos y Nanoconos AlGaN Inclinados

Resumen

En este estudio investigamos diodos emisores de luz ultravioleta profunda (DUV) basados en AlGaN con arquitectura flip-chip y diversas geometrías de contactos tipo malla en la capa p. Mediante simulaciones tridimensionales de diferencias finitas en el dominio temporal (3D-FDTD), demostramos que tanto las eficiencias de extracción de luz (LEE) para polarización transversal eléctrica (TE) como magnética (TM) son altamente sensibles al espaciado e inclinación de las estructuras de malla. Hallamos que un gran factor de relleno no mejora la LEE debido a pérdidas competidoras por absorción en p-GaN, absorción plasmónica de aluminio y dispersión por la malla. Sorprendentemente, un contacto híbrido de nanovarilla p-GaN / nanocono truncado p-AlGaN con inclinación de 30° aumenta las LEE polarizadas TE y TM aproximadamente 5 y 24 veces, respectivamente, a 280 nm de emisión.

Introducción

Los LEDs DUV basados en AlGaN son cada vez más demandados para purificación de agua, fototerapia, sensores y fotocatálisis. Sin embargo, lograr alta eficiencia cuántica externa (EQE) sigue siendo un desafío, especialmente en longitudes de onda cortas. La EQE es igual a la eficiencia cuántica interna (IQE) multiplicada por la eficiencia de extracción de luz (LEE). Los LEDs DUV flip-chip convencionales típicamente entregan EQE <10%, principalmente porque la LEE se limita al 7–9%. El récord mundial actual de EQE del 20% a 275 nm se logró mediante técnicas avanzadas de LEE como sustratos de zafiro patrón, electrodos p transparentes y empaquetado refinado. Por tanto, aumentar la LEE es crucial para LEDs DUV de alta eficiencia.

La LEE sufre de reflexión interna total (TIR) y pérdidas de Fresnel debido al alto contraste de índice de refracción entre AlGaN (n≈2.6) y aire. El aumento del contenido de Al en los pozos cuánticos también favorece la emisión polarizada TM, que es difícil de extraer del dispositivo. Las estrategias para mejorar la LEE incluyen rugosidad superficial, zafiro patrón, paredes laterales inclinadas y resonancias plasmónicas, todas introduciendo centros de dispersión que redirigen fotones. Otra limitación clave es la absorción en la capa de contacto p-GaN, que no puede reemplazarse fácilmente por p-AlGaN rico en Al debido a su mala conductividad de huecos. Para mitigar esta pérdida se han propuesto contactos tipo malla p, reflectores Bragg distribuidos o cristales fotónicos. Los contactos malla, en particular, son rentables y han mostrado promesa a escala micrométrica; sin embargo, mallas a escala nanométrica y su impacto de dispersión no se han estudiado extensamente.

Aquí exploramos sistemáticamente diseños de contactos malla a escala nanométrica y un reflector de Al para evaluar su influencia en la LEE de LEDs DUV. Comparamos nanovarillas p-GaN, nanovarillas híbridas p-GaN/p-AlGaN y nanoconos truncados híbridos p-GaN/p-AlGaN. Nuestro análisis 3D-FDTD revela que la estructura híbrida de nanocono truncado puede proporcionar una mejora superior a cinco veces para luz TE y 24 veces para luz TM.

Modelo y Métodos de Simulación

Las simulaciones se realizaron con Lumerical FDTD Solution, que resuelve las ecuaciones de Maxwell en el dominio temporal. El modelo flip-chip base incluye una capa reflectora de Al al 92% para redirigir fotones hacia el sustrato de zafiro. Una pila de 100 nm p-GaN, 1.5 µm n-AlGaN y 1 µm zafiro alberga 100 nm de pozos cuánticos múltiples (MQW). Una fuente dipolar única en el centro del MQW, polarizada entlang X (TE) o Y (TM), excita emisión a 280 nm. Los coeficientes de absorción a 280 nm son 10 cm⁻¹ para AlGaN, 1000 cm⁻¹ para MQW y 170 000 cm⁻¹ para GaN. Los índices de refracción son 2.6 (AlGaN), 2.9 (GaN) y 1.8 (zafiro). El dominio de simulación es 8 µm × 8 µm lateralmente, con capas perfectamente adaptadas (PML) en top y bottom. Una malla no uniforme con tamaño mínimo de celda de 5 nm asegura resolución precisa del campo. Monitores de potencia colocados a 300 nm sobre el zafiro capturan la potencia transmitida, transformada de Fourier al campo lejano. La LEE se calcula como la relación entre potencia transmitida y emisión total del dipolo.

Resultados y Discusión

Efecto del Espesor de la Cavidad Óptica en la LEE

La distancia entre los MQW y el reflector de Al, controlada por el espesor de p-AlGaN, forma una cavidad óptica que modula la LEE. La figura 1b muestra curvas oscilatorias de LEE con período ~50 nm, coincidiendo con el λ/2n teórico ≈53 nm. Los picos TE y TM están fuera de fase, como predice el análisis de Fresnel y matriz de Mueller. La presencia de una capa p-GaN de 100 nm amortigua el efecto de cavidad, yet el mínimo TE/TM LEE permanece más alto que para dispositivos sin p-GaN. Consecuentemente, eliminar o adelgazar la capa p-GaN puede más que duplicar la LEE.

Efecto de Contactos p-GaN Tipo Malla en la LEE

Para reducir la absorción en p-GaN, reemplazamos la capa continua por un array cuadrado de nanovarillas de 250 nm de diámetro y 100 nm de altura incrustadas en el reflector Al. El espesor óptimo de p-AlGaN es 125 nm. El espaciado entre nanovarillas es crítico: menor espaciado mejora la dispersión de corriente pero aumenta el factor de relleno de p-GaN, incrementando la absorción. La figura 2c muestra que la LEE TE aumenta con el espaciado hasta 125 nm, logrando un aumento >3 veces, luego disminuye al dominar la dispersión. Esta tendencia se corrobora con un modelo de absorción cero de GaN y reflector conductor eléctrico perfecto (PEC), donde la LEE aumenta y luego disminuye con el espaciado, confirmando el papel de la dispersión.

Examinamos además la influencia de la altura de nanovarillas. Reducir la altura de 100 nm a 25 nm aumenta la LEE por menor absorción, pero el beneficio se satura para alturas inferiores a 25 nm porque el reflector Al domina el comportamiento de dispersión.

Efecto de Contactos Malla Híbridos p-GaN/p-AlGaN en la LEE

La introducción de nanovarillas p-AlGaN junto a nanovarillas p-GaN mejora aún más la dispersión sin comprometer la reflectividad. Las LEE para varias alturas de p-AlGaN (0, 25, 75, 100 nm) superan a la estructura pura p-GaN, con el caso de 75 nm entregando la mayor LEE TE. Los patrones de campo lejano confirman mayor intensidad de campo eléctrico para dispositivos con nanovarillas p-AlGaN.

Efecto de Nanoconos Truncados Híbridos p-GaN/p-AlGaN en la LEE

Para abordar la persistentemente baja LEE TM, reemplazamos las nanovarillas p-AlGaN por nanoconos truncados con ángulo de inclinación α. Disminuir α aumenta tanto la LEE TE como TM. A α = 30°, la LEE TE alcanza 26% (espaciado = 375 nm) y la LEE TM sube a 12% (espaciado = 260 nm), representando ganancias de 5 y 24 veces respecto al caso base. Esto demuestra que los nanoconos inclinados mejoran dramáticamente la dispersión TM.

Conclusiones

Nuestro estudio de simulación integral confirma que contactos tipo malla a escala nanométrica —nanovarillas p-GaN, nanovarillas híbridas p-GaN/p-AlGaN y nanoconos truncados híbridos p-GaN/p-AlGaN— aumentan sustancialmente la LEE en LEDs DUV. Los compromisos clave son la absorción en la capa p-GaN y pérdidas plasmónicas de Al versus beneficios de dispersión. El nanocono truncado híbrido, con inclinación de 30°, logra la mejora más dramática, entregando un aumento de 24 veces en LEE TM mientras mantiene ganancias en LEE TE.

Abreviaturas

3D FDTD:

Método de diferencias finitas en el dominio temporal tridimensional

DBR:

Reflector Bragg distribuido

DUV LEDs:

Diodos emisores de luz ultravioleta profunda

EQE:

Eficiencia cuántica externa

IQE:

Eficiencia cuántica interna

LEE:

Eficiencia de extracción de luz

MQW:

Pozos cuánticos múltiples

ODR:

Reflector omnidireccional

PEC:

Conductor eléctrico perfecto

PML:

Capa perfectamente adaptada

TE:

Transversal eléctrico

TIR:

Reflexión interna total

TM:

Transversal magnético