Verbesserung der Lichtextraktion in Deep-UV-Flip-Chip-LEDs durch nanometer-skalierte Gitterkontakte und geneigte AlGaN-Nanokegel

Zusammenfassung

In dieser Studie untersuchen wir AlGaN-basierte Deep-Ultraviolett-(DUV)-Leuchtdioden (LEDs) mit Flip-Chip-Architektur und verschiedenen Gittergeometrien für p-Typ-Kontakte. Mittels dreidimensionaler Finite-Differenzen-Zeitbereichs-Simulationen (3D-FDTD) zeigen wir, dass sowohl die transversale elektrische (TE) als auch die transversale magnetische (TM) Lichtextraktions-Effizienz (LEE) hochsensibel auf den Abstand und die Neigung der Gitterstrukturen reagieren. Ein großer Füllfaktor verbessert die LEE nicht, da konkurrierende Verluste durch p-GaN-Absorption, Aluminium-Plasmonen-Absorption und Streuung am Gitter auftreten. Bemerkenswert: Ein hybrider p-GaN-Nanoröhren-/p-AlGaN-abgestumpfter-Nanokegel-Kontakt mit 30° Neigung steigert die TE- und TM-polarisierten LEEs bei 280 nm Emission etwa um das 5-fache bzw. 24-fache.

Einleitung

AlGaN-basierte DUV-LEDs werden zunehmend für Wasseraufbereitung, Phototherapie, Sensorik und Photokatalyse nachgefragt. Dennoch bleibt eine hohe externe Quantenausbeute (EQE) herausfordernd, besonders bei kürzeren Wellenlängen. EQE ergibt sich aus dem Produkt von interner Quantenausbeute (IQE) und Lichtextraktions-Effizienz (LEE). Konventionelle Flip-Chip-DUV-LEDs erreichen typischerweise EQE <10 %, hauptsächlich weil LEE auf 7–9 % begrenzt ist. Der aktuelle Weltrekord-EQE von 20 % bei 275 nm wurde durch fortschrittliche LEE-Techniken wie strukturiertes Saphir, transparente p-Elektroden und verfeinertes Packaging ermöglicht. Daher ist die Steigerung der LEE entscheidend für hocheffiziente DUV-LEDs.

LEE leidet unter Totalreflexion (TIR) und Fresnel-Verlusten aufgrund des hohen Brechungsindexkontrasts zwischen AlGaN (n≈2,6) und Luft. Erhöhter Al-Gehalt in den Quantenfilmen begünstigt zudem TM-polarisierte Emission, die schwer aus dem Bauelement entweicht. Strategien zur LEE-Verbesserung umfassen Oberflächenrauung, strukturiertes Saphir, geneigte Seitenwände und plasmonische Resonanzen, die alle Streuzentren einführen, die Photonen umlenken. Eine weitere zentrale Limitierung ist die Absorption in der p-GaN-Kontaktschicht, die nicht einfach durch Al-reiches p-AlGaN ersetzt werden kann, da dies eine schlechte Lochleitfähigkeit aufweist. Um diesen Verlust zu mindern, wurden Gitter-p-Typ-Kontakte, verteilte Bragg-Reflektoren oder photonische Kristalle vorgeschlagen. Gitterkontakte sind besonders kosteneffektiv und haben sich im Mikrometermaßstab bewährt; nanometer-skalierte Gitter und ihr Streueinfluss wurden jedoch bisher kaum untersucht.

Hier untersuchen wir systematisch nanometer-skalierte Gitterkontakt-Designs und einen Al-Reflektor, um ihren Einfluss auf die LEE von DUV-LEDs zu bewerten. Wir vergleichen p-GaN-Nanoröhren, hybride p-GaN/p-AlGaN-Nanoröhren und hybride p-GaN/p-AlGaN-abgestumpfte Nanokegel. Unsere 3D-FDTD-Analyse zeigt, dass die hybride abgestumpfte Nanokegel-Struktur eine mehr als fünffache Steigerung für TE-Licht und 24-fache für TM-Licht liefern kann.

Modell und Simulationsmethoden

Simulationen wurden mit Lumerical FDTD Solution durchgeführt, das die Maxwell-Gleichungen im Zeitbereich löst. Das Baseline-Flip-Chip-Modell (Abb. 1a) umfasst eine 92 % reflektierende Al-Oberschicht, die Photonen zum Saphir-Substrat umlenkt. Ein Stapel aus 100 nm p-GaN, 1,5 µm n-AlGaN und 1 µm Saphir beherbergt 100 nm Mehrfach-Quantenfilme (MQWs). Eine einzelne Dipolquelle im MQW-Zentrum, polarisiert entweder entlang X (TE) oder Y (TM), regt Emission bei 280 nm an. Absorptionskoeffizienten bei 280 nm betragen 10 cm⁻¹ für AlGaN, 1000 cm⁻¹ für MQWs und 170.000 cm⁻¹ für GaN. Brechungsindizes sind 2,6 (AlGaN), 2,9 (GaN) und 1,8 (Saphir). Der Simulationsbereich ist lateral 8 µm × 8 µm, mit perfekt angepassten Schichten (PML) oben und unten. Ein nicht-uniformes Gitter mit minimaler Zellengröße von 5 nm gewährleistet genaue Feldauflösung. Leistungsmonitoren 300 nm über dem Saphir erfassen die transmittierte Leistung, die Fourier-transformiert in das Fernfeld überführt wird. LEE wird als Verhältnis von transmittierter Leistung zur gesamten Dipolemission berechnet.

Ergebnisse und Diskussion

Einfluss der optischen Hohlraumdicke auf LEE

Der Abstand zwischen MQWs und Al-Reflektor, gesteuert durch die p-AlGaN-Dicke, bildet einen optischen Hohlraum, der die LEE moduliert. Abb. 1b zeigt oszillierende LEE-Kurven mit einer ~50 nm Periode, passend zum theoretischen λ/2n≈53 nm. TE- und TM-Peaks sind phasenverschoben, wie durch Fresnel- und Mueller-Matrix-Analyse vorhergesagt. Die Anwesenheit einer 100-nm-p-GaN-Schicht dämpft den Hohlraumeffekt, doch das minimale TE/TM-LEE bleibt höher als bei Geräten ohne p-GaN. Folglich kann das Entfernen oder Verdünnen der p-GaN-Schicht die LEE mehr als verdoppeln.

Einfluss der Gitter-p-GaN-Kontakte auf LEE

Um die p-GaN-Absorption zu reduzieren, ersetzten wir die kontinuierliche Schicht durch ein quadratisches Array von 250 nm Durchmesser, 100 nm hohen Nanoröhren, eingebettet in den Al-Reflektor (Abb. 2a). Die optimale p-AlGaN-Dicke beträgt 125 nm. Der Nanoröhrenabstand ist kritisch: Kleinerer Abstand verbessert die Stromverteilung, erhöht aber den p-GaN-Füllfaktor und damit die Absorption. Abb. 2c zeigt, dass TE-LEE mit Abstand bis 125 nm ansteigt, eine >3-fache Steigerung erreicht, dann aber abfällt, da Streuung dominiert. Dieser Trend wird durch ein Modell mit nullem GaN-Absorption und einem perfekten elektrischen Leiter (PEC) als Reflektor bestätigt, wo LEE mit Abstand zuerst steigt und dann fällt, was die Rolle der Streuung bestätigt.

Einfluss der Nanoröhrenhöhe

Die Reduzierung der Höhe von 100 nm auf 25 nm erhöht die LEE durch geringere Absorption, doch der Nutzen sättigt sich für Höhen unter 25 nm, da der Al-Reflektor das Streuverhalten dominiert (Abb. 4).

Einfluss der hybriden p-GaN/p-AlGaN-Gitterkontakte auf LEE

Die Einführung von p-AlGaN-Nanoröhren neben p-GaN-Nanoröhren (Abb. 5a) verbessert die Streuung weiter, ohne die Reflektivität zu beeinträchtigen. LEEs für verschiedene p-AlGaN-Höhen (0, 25, 75, 100 nm) übertreffen alle die der reinen p-GaN-Struktur, wobei der 75-nm-Fall die höchste TE-LEE liefert (Abb. 5b). Fernfeldmuster bestätigen stärkere elektrische Feldintensität für Geräte mit p-AlGaN-Nanoröhren (Abb. 5c,d).

Einfluss der hybriden p-GaN/p-AlGaN-abgestumpften Nanokegel auf LEE

Um die anhaltend niedrige TM-LEE anzugehen, ersetzten wir die p-AlGaN-Nanoröhren durch abgestumpfte Nanokegel mit Neigungswinkel α (Abb. 6a). Eine Verringerung von α erhöht sowohl TE- als auch TM-LEE. Bei α = 30° erreicht TE-LEE ein Maximum von 26 % (Abstand = 375 nm) und TM-LEE steigt auf 12 % (Abstand = 260 nm), was 5-fache bzw. 24-fache Gewinne gegenüber dem Baseline darstellt. Dies zeigt, dass geneigte Nanokegel die TM-Streuung dramatisch verbessern.

Schlussfolgerungen

Unsere umfassende Simulationsstudie bestätigt, dass nanometer-skalierte Gitterkontakte – p-GaN-Nanoröhren, hybride p-GaN/p-AlGaN-Nanoröhren und hybride p-GaN/p-AlGaN-abgestumpfte Nanokegel – die LEE in Deep-UV-LEDs erheblich steigern. Die zentralen Trade-offs sind Absorption in der p-GaN-Schicht und Aluminium-Plasmonenverluste versus Streuvorteile. Der hybride abgestumpfte Nanokegel mit 30° Neigung erzielt die dramatischste Verbesserung: 24-fache Steigerung der TM-LEE bei Erhalt der TE-LEE-Gewinne.

Abkürzungen

3D FDTD:

Dreidimensionales Finite-Differenzen-Zeitbereichs-Verfahren

DBR:

Verteilter Bragg-Reflektor

DUV LEDs:

Deep-Ultraviolett-Leuchtdioden

EQE:

Externe Quantenausbeute

IQE:

Interne Quantenausbeute

LEE:

Lichtextraktions-Effizienz

MQWs:

Mehrfach-Quantenfilme

ODR:

Omnidirektionaler Reflektor

PEC:

Perfekter elektrischer Leiter

PML:

Perfekt angepasste Schicht

TE:

Transversal elektrisch

TIR:

Totalreflexion

TM:

Transversal magnetisch