Efeitos da estrutura de contato tipo p em malha no efeito de extração de luz para diodos emissores de luz ultravioleta ultravioleta profunda Flip-Chip

Resumo

Neste trabalho, diodos emissores de luz ultravioleta profunda baseados em AlGaN flip-chip (LEDs DUV) com várias estruturas de contato em malha são sistematicamente investigados através do método de domínio de tempo de diferença finita tridimensional (3D FDTD). Observa-se que as eficiências de extração de luz polarizada (LEEs) elétrica transversal (TE) - e magnética transversal (TM) são sensíveis ao espaçamento e ao ângulo de inclinação da estrutura em malha. Também descobrimos que o LEE não será aumentado quando um grande fator de preenchimento for adotado para as estruturas em malha, que é devido à competição entre a absorção da camada de p-GaN, a absorção ressonante do plasmon de metal Al e o efeito de espalhamento por estruturas em malha . O efeito de espalhamento muito forte que ocorre nos contatos de nanocone truncados p-GaN nanorod / p-AlGaN pode aumentar enormemente o LEE para luz polarizada TE e TM, por exemplo, quando o ângulo inclinado é de 30 °, o LEE para TE - e a luz polarizada por TM pode ser aumentada em ~ 5 vezes e ~ 24 vezes no comprimento de onda de emissão de 280 nm, respectivamente.

Introdução

Diodos emissores de luz ultravioleta profunda baseados em AlGaN (LEDs DUV) têm grande potencial de aplicação em escopos como purificação de água, fototerapia médica, detecção e fotocatálise [1,2,3]. Porém, LEDs DUV com alta eficiência quântica externa (EQE) ainda são difíceis de serem obtidos, especialmente quando o comprimento de onda de emissão diminui. O EQE para LED pode ser calculado pelo produto da eficiência quântica interna (IQE) denotada como η _IQE e a eficiência de extração de luz (LEE) denotada como η _LEE , ou seja, η _EQE = η _IQE · η _LEE . Atualmente, o EQE para LEDs DUV convencionais com estrutura flip-chip é inferior a 10%, o que é fortemente limitado pelo baixo LEE de 7–9% [4]. Até agora, o EQE mais alto recorde mundial para LEDs DUV é de 20% no comprimento de onda de 275 nm, e esse EQE alto é obtido graças ao LEE incrivelmente aprimorado, que é habilitado pela integração de várias tecnologias LEE avançadas, como substrato de safira padronizado, eletrodo p transparente e tecnologia de pacote avançada [5]. Portanto, melhorar o LEE para a realização de LEDs DUV de alta eficiência torna-se essencialmente importante. É bem conhecido que o LEE é substancialmente influenciado pela reflexão interna total (TIR) e perda de Fresnel, que é causada pelo grande índice de contraste de refração entre AlGaN e ar ( n _ar =1 e n _AlGaN =2,6) [6]. Além disso, o aumento do conteúdo de Al em poços quânticos baseados em AlGaN produz a dominância da luz polarizada magnética transversal (TM), que é difícil de propagar no cone de escape antes de ser extraída dos LEDs DUV [7]. Para aumentar o LEE, por um lado, várias tecnologias, incluindo superfícies rugosas [8], substratos de safira padronizados [9], paredes laterais inclinadas [10] e polaritons de plasma de superfície [11] foram amplamente aplicadas e, ao fazer isso, o espalhamento centros podem ser gerados que ajudam a aumentar a probabilidade de escape do substrato de safira para fótons. Outro obstáculo que limita o LEE surge da camada de contato p-GaN absortiva devido à dificuldade de crescimento da camada p-AlGaN rica em Al com alta concentração de orifício [5]. Portanto, é importante reduzir a absorção óptica que é causada pela camada p-GaN para LEDs DUV, e os métodos propostos incluem eletrodo de contato tipo p em malha [12, 13], refletor de Bragg distribuído (DBR) / refletor omnidirecional (ODR) [14, 15] e cristal fotônico [16]. Dentre as abordagens propostas, o eletrodo de contato tipo p com malha é eficaz e menos oneroso. Lobo et al. relataram padrões de contato do tipo p em escala micrométrica e provaram ser eficazes em melhorar a extração de luz [13]. No entanto, a investigação do eletrodo de contato tipo p em escala nanométrica raramente é realizada. Além disso, o efeito de espalhamento do eletrodo de contato tipo p em escala micrométrica no LEE foi negligenciado em relatórios anteriores. Acreditamos que o efeito de espalhamento nos eletrodos de contato do tipo p em escala nanométrica pode aumentar ainda mais o LEE.

Neste artigo, o efeito da estrutura de contato em malha em nanoescala e do refletor de Al no LEE para LEDs DUV é investigado numericamente. Várias estruturas de contato em malha são estudadas, incluindo contato p-GaN nanorod, contatos híbridos p-GaN nanorod / p-AlGaN nanorod e contatos híbridos p-GaN nanorod / p-AlGaN nanocone truncado. Utilizando simulação tridimensional no domínio do tempo por diferenças finitas (3D FDTD), este trabalho investiga a dependência do LEE em parâmetros variáveis para as estruturas propostas. Descobrimos que o LED com o híbrido otimizado de p-GaN nanorod / p-AlGaN truncado contatos em malha de nanocone permite um aumento de LEE de 5 e 24 vezes para luz elétrica transversal (TE) - e luz polarizada TM, respectivamente.

Métodos de modelo e simulação

O simulador usado em nosso trabalho é desenvolvido pela solução Lumerical FDTD, que pode resolver as equações de Maxwell dependentes do tempo para calcular distribuições de campos eletromagnéticos em estruturas finitas [17, 18]. A Figura 1a apresenta o modelo de simulação para os LEDs DUV convencionais flip-chip. Uma camada de refletor de Al é fixada no topo da estrutura simulada para refletir os fótons de volta para a safira transparente para que a maior parte da luz possa ser extraída [19]. Observe que o refletor de Al tem a refletividade de até 92% na faixa espectral de UV [20]. O mecanismo de dissipação do metal é descrito pelo modelo Drude modificado durante a simulação [21]. As espessuras da camada p-GaN, da camada n-AlGaN e da safira são fixadas em 100 nm, 1,5 μm e 1 μm, respectivamente [12]. Múltiplos poços quânticos (MQWs) são incorporados entre a camada n-AlGaN e a camada p-AlGaN, para a qual a espessura total é de 100 nm. Além disso, definimos um único dipolo no meio da região MQWs e o dipolo que representa a recombinação elétron-buraco [22]. O comprimento de onda de emissão de pico do espectro para a fonte dipolo é definido como 280 nm. A fonte dipolo é polarizada na direção paralela ou perpendicular ao X -eixo para excitar o modo TE ou TM, respectivamente [23]. O Z -eixo é perpendicular ao plano C para LEDs DUV. Portanto, a luz TE-polarizada e a luz TM-polarizada se propagam principalmente nos planos YZ e XY, respectivamente. Os coeficientes de absorção no comprimento de onda de emissão de 280 nm para a camada AlGaN, MQWs e a camada GaN são assumidos como sendo 10 cm ⁻¹ , 1000 cm ⁻¹ e 170.000 cm ⁻¹ , respectivamente. Os índices de refração do material para a camada AlGaN, a camada GaN e a safira são considerados 2,6, 2,9 e 1,8, respectivamente [23, 24]. A dimensão lateral para a estrutura calculada é definida como 8 × 8 μm ² . As condições de contorno para os quatro limites laterais são assumidas como tendo uma refletância de 100%, de modo que as dimensões laterais finitas podem ser especuladas como infinitas [25]. As condições para os limites superior e inferior são definidas para ter uma camada perfeitamente combinada (PML), que pode absorver inteiramente a energia eletromagnética. Em nossos modelos, uma malha não uniforme é aplicada ao realizar simulações e o menor tamanho de malha é definido como 5 nm, o que fornece boa precisão para o cálculo do LEE. O monitor de energia é colocado 300 nm distante da safira para coletar a transmissão de energia através do monitor e registrar a radiação do campo elétrico de campo próximo. O campo elétrico de campo próximo é convertido em campo elétrico de campo distante realizando a transformação de Fourier. O LEE é calculado tomando a razão entre a potência total extraída coletada do monitor de potência e a potência total de emissão do dipolo [26]. A energia coletada do monitor de energia é obtida integrando a distribuição de energia de campo distante sobre a superfície do monitor de energia.

Resultados e discussões

Efeito da espessura da cavidade óptica no LEE

Como é bem conhecido, o efeito da cavidade óptica pode ajustar o modo de radiação para MQWs em LEDs flip-chip, que é sensível à espessura da camada do tipo p, enquanto a espessura da camada do tipo p tem uma influência significativa no LEE [27] . Portanto, primeiro estudamos o efeito da espessura da camada de p-AlGaN nas LEEs polarizadas por TE e polarizadas por TM para a estrutura de LED convencional. A espessura da camada p-AlGaN também representa a distância entre MQWs e o refletor de Al. Como mostrado na Fig. 1b, todas as curvas LEE mostram uma oscilação periódica com a espessura da camada p-AlGaN e o período é de cerca de 50 nm. O comportamento oscilante é devido ao efeito de cavidade óptica que é introduzido pela interferência construtiva entre a luz da fonte e a luz refletida pelo espelho de Al. De acordo com a teoria de interferência, o período pode ser calculado por Δ d = λ / 2 n _AlGaN =53 nm [21], que tem uma boa concordância com os resultados simulados na Fig. 1b. Além disso, os LEEs de pico para luz polarizada por TM são opostos aos da luz polarizada por TE. De acordo com as equações de Fresnel e a matriz de Mueller [28], existem diferentes amplitudes de reflexão e mudanças de fase para a reflexão da luz polarizada TE e TM a partir da interface entre dois meios isotrópicos lineares. Além disso, pode-se descobrir que, embora a forte absorção da camada p-GaN enfraqueça o efeito da cavidade óptica, o LEE para LED com camada p-GaN de 100 nm de espessura ainda mostra uma pequena flutuação de amplitude. O efeito de cavidade óptica mais fraco para LED com camada p-GaN leva ao fato de que, para a luz polarizada TE e TM, o LEE mínimo para o LED com camada p-GaN é maior do que para o LED sem p-GaN camada como mostrado na Fig. 1b. Enquanto isso, também pode ser observado que o LEE médio para luz TM-polarizada é apenas um décimo daquele para luz TE-polarizada, e os achados aqui são consistentes com os resultados em [23]. Além disso, é importante notar que os LEDs sem camada p-GaN mostram que os maiores LEEs para luz polarizada TE e luz polarizada TM são 16% e 1,5%, respectivamente, enquanto esses números são apenas 5% e 0,5% para a LEDs com camada p-GaN, respectivamente. Portanto, um aumento de três vezes no LEE pode ser obtido para os LEDs sem uma camada p-GaN, o que indica que a luz polarizada TE e TM pode ser significativamente absorvida pela camada p-GaN. É porque algumas luzes precisam passar por reflexos múltiplos para escapar, e a espessura otimizada de p-AlGaN também causa o melhor efeito de cavidade óptica. Portanto, reduzir a absorção de p-GaN é muito importante para o LEE do DUV LED e pode trazer mais do que o dobro do aumento do LEE.

Efeito dos contatos p-GaN em malha no LEE

Para reduzir a absorção da camada p-GaN, o p-GaN é entrelaçado em submicro-contatos para aumentar o LEE. Com base no LED DUV flip-chip convencional na Fig. 1a, a camada p-GaN é projetada para nanobastões que são incorporados no refletor de Al para formar o eletrodo de submicro-contato tipo p (ver Fig. 2a) com uma matriz quadrada (ver Fig. 2b). A altura para nanobastões p-GaN é definida como 100 nm. O diâmetro dos nanobastões p-GaN é fixado em 250 nm, cujo número é próximo ao comprimento de onda de emissão. A espessura da camada p-AlGaN otimizada é definida para 125 nm de acordo com a Fig. 1b. Para o LED DUV com contatos p-GaN em malha, o espaçamento é o mais importante. Por outro lado, o menor espaçamento fará com que a corrente se espalhe de forma mais eficiente por toda a região ativa. Por outro lado, o menor espaçamento aumentará o fator de preenchimento dos contatos p-GaN em malha e, assim, aumentará a absorção óptica. Portanto, um espaçamento otimizado que permite uma boa propagação de corrente e um LEE excelente é muito crítico para os LEDs DUV propostos. Em seguida, investigamos e mostramos o efeito do espaçamento no LEE na Fig. 2c. Como esperado, em comparação com o DUV LED convencional, os LEEs TE-polarizados e TM-polarizados para DUV LEDs com contatos p-GaN em malha são significativamente melhorados. O LEE para a luz polarizada TE aumenta com o aumento do espaçamento até que o espaçamento atinja 125 nm porque a absorção de p-GaN diminui como resultado da diminuição do fator de enchimento de p-GaN. E os LEEs têm um aumento de mais de três vezes quando o espaçamento está em torno de 125 nm. No entanto, após 125 nm, o LEE para a luz polarizada TE diminui com o fator de preenchimento. As observações quando o espaçamento está além de 125 nm inferem que há outro fator desempenhando um efeito importante no LEE. De acordo com o relatório em [29], o comprimento de extinção do fóton pode ser expresso por 1 / L _extinção =1 / L _dispersão + 1 / L _absorção , onde L _dispersão e L _absorção correspondem ao comprimento de espalhamento e comprimento de absorção, respectivamente. Como o LEE depende principalmente da absorção do material e do espalhamento estrutural, pode-se inferir que o efeito de espalhamento causado pelos contatos p-GaN em malha afeta predominantemente o LEE quando o espaçamento é maior que 125 nm.

Para confirmar o efeito de espalhamento pelos contatos p-GaN em malha, um modelo sem material absorvente é definido, de modo que o coeficiente de absorção para o material GaN seja definido como 0 e o refletor de Al seja substituído pelo condutor elétrico perfeito (PEC) com quase 100 % de refletividade, para a qual os resultados da simulação são plotados com linha quadrada preta na Fig. 3a. Pode-se ver que o LEE aumenta e depois diminui com o aumento do espaçamento. A saber, o efeito de espalhamento do submicro-contato p-GaN é incremental e então diminui com o aumento do espaço. Portanto, o espaçamento aumentado para os contatos GaN tipo p em malha irá suprimir o efeito de espalhamento, e isso interpreta a observação na Fig. 3a de que quando o espaçamento é maior do que 50 nm, o LEE diminui com o aumento do espaçamento.

Além disso, quando a absorção de GaN é definida como 0 e o refletor de Al é aplicado, o LEE também aumenta primeiro e depois diminui conforme a linha do triângulo vermelho mostrada na Fig. 3a. No entanto, o LEE máximo de 20% para a estrutura com refletor de Al é muito menor do que 56% para a estrutura com refletor PEC. A Figura 3b apresenta a dependência da refletividade com o espaçamento para o refletor de Al malhado. A refletividade do refletor de Al em malha diminui à medida que o espaçamento diminui. Em outras palavras, a superfície do metal Al torna-se áspera quando o espaçamento é reduzido. Portanto, a diminuição da refletividade para superfícies de metal rugosas pode ser atribuída à excitação de plasmons de superfície e ao efeito de superfície [30,31,32]. A superfície de metal áspera deve modular a fase da luz incidente que leva à luz absorvida e à excitação das ondas de superfície (plasmons de superfície). O efeito de superfície resulta no aprisionamento da luz nos poços da superfície com eventual absorção. Além disso, a distribuição do campo elétrico em seção transversal usando onda plana como a fonte de incidência para o refletor de Al e o refletor PEC é mostrada nas Figs. 3c e d, respectivamente. Pode-se verificar que, para o LED com refletor de Al, os nanobastões p-GaN possuem a maior intensidade de campo elétrico local, mas tais observações são menos óbvias nos nanobastões p-GaN para o LED com refletor PEC, o que confirma que há uma absorção de ressonância de plasmon de superfície para refletor de Al em malha. Além disso, uma tendência LEE semelhante pode ser observada como a linha do círculo azul na Fig. 3a mostra quando nosso modelo considera a absorção da camada p-GaN e o refletor PEC. O LEE fica maior para o LED sem absorção de GaN e com refletor PEC (linha do triângulo vermelho), o que indica que a absorção da camada de p-GaN é mais séria do que a absorção do metal. Portanto, para DUV LED com contatos p-GaN em malha, há uma competição entre a absorção da camada de p-GaN, absorção do metal Al e espalhamento da estrutura, conforme mostrado no encarte da Fig. 3b. Quando o espaçamento é muito pequeno, o LEE é profundamente afetado pela absorção da camada p-GaN e do metal, enquanto a dispersão da estrutura tem um efeito primário no LEE quando o espaçamento se torna grande.

Além disso, investigamos ainda o efeito da altura do nanobastão p-GaN no LEE para LEDs DUV. A dependência de espaçamento de LEEs em diferentes alturas de nanorod p-GaN de 10 nm, 25 nm, 50 nm e 100 nm são mostrados na Fig. 4a. O LEE aumenta quando a altura do nanorod diminui de 100 para 25 nm. É óbvio que o aumento do LEE é atribuído à absorção mais fraca da camada mais fina de p-GaN. No entanto, a Fig. 4a também mostra que os LEEs são semelhantes quando as alturas dos nanobastões são 25 nm e 10 nm. Conforme mostrado na Fig. 4b, a refletividade do metal Al com nanobastões p-GaN aumenta mais rapidamente com a diminuição da altura dos nanobastões. Portanto, pode-se inferir que o efeito de espalhamento na altura de 25 nm é mais forte do que na altura de 10 nm, que produz LEE semelhante. No entanto, o maior LEE é 15% quando os nanobastões p-GaN estão na altura de 100 nm, e o LEE máximo é de apenas 18% quando os nanobastões p-GaN estão na altura de 25 nm; assim, uma pequena diferença é obtida. É atribuído principalmente à forte camada de p-GaN de absorção, conforme mostrado na inserção da Fig. 4a. Para uma camada de p-GaN de 10 nm de espessura, apenas 40% da luz pode ser refletida, portanto, a luz refletida é principalmente do refletor de Al entre os nanobastões de p-GaN. Consequentemente, a refletividade é mais afetada pelo espaçamento do que pela altura dos nanobastões de p-GaN. Portanto, em comparação com o espaçamento dos nanobastões, a altura dos nanobastões de p-GaN influencia menos o LEE.

Efeito dos contatos em malha p-GaN / p-AlGaN híbridos no LEE

Além disso, propomos ainda uma camada de contatos em malha híbrida p-GaN / p-AlGaN como mostrado na Fig. 5a. A altura e o diâmetro do nanobastão p-GaN são definidos como 100 nm e 250 nm, respectivamente. A altura do nanobastão p-AlGaN ( H ) é uma variável neste caso. Os LEEs para diferentes LEDs DUV em termos de espaçamento de nanorod são mostrados na Fig. 5b, para os quais definimos os valores de H a 0 nm, 25 nm, 75 nm e 100 nm. Pode-se descobrir que os LEEs para LEDs DUV com vários nanobastões de alto p-AlGaN são maiores do que sem nanobastões p-AlGaN ( H =0 nm). E os LEEs para LEDs DUV são menos influenciados pela altura do nanorod p-AlGaN se H não é 0 nm. A inserção na Fig. 5b mostra a refletividade normal em termos de espaçamento do nanorod para a estrutura híbrida, e podemos ver que a altura do nanorod p-AlGaN causa um impacto desprezível na refletividade. Portanto, o efeito de espalhamento é meramente aumentado por nanobastões de p-AlGaN, o que, portanto, leva ao LEE melhorado. Os padrões de radiação de campo distante para LEDs DUV com nanobastões p-AlGaN de 75 nm e 0 nm de altura quando o espaçamento dos nanobastões é de 125 nm são mostrados nas Figs. 5c e d, respectivamente. Pode ser observado que a intensidade do campo elétrico de LEDs DUV com nanobastões de p-AlGaN de 75 nm de altura (ver Fig. 5c) é mais forte do que com nanobastões de p-AlGaN de 0 nm de altura (ver Fig. 5d). A distribuição do campo elétrico para LEDs DUV com nanobastões de p-AlGaN de 75 nm de altura é maior do que com nanobastões de p-AlGaN de altura de 0 nm, o que confirma que os nanobastões de p-AlGaN melhoram o efeito de espalhamento da luz. A Figura 5e demonstra que o LEE polarizado por TM é ainda mais ligeiramente afetado pela altura do nanobastão p-AlGaN.

Nossa análise anterior mostra que a luz polarizada por TM ainda sofre de LEE extremamente baixo. Como resultado, métodos serão propostos para espalhar a luz TM-polarizada. Para tal, propomos nanobastões de p-AlGaN com paredes laterais inclinadas, formando assim a estrutura de nanocones truncados de p-AlGaN como mostrado na Fig. 6a. A altura dos nanocones truncados p-AlGaN é definida como 75 nm, e o ângulo inclinado é definido como α . Um notável aprimoramento de LEE para luz polarizada TE e TM com a diminuição de α pode ser visto nas Figs. 6b e c, respectivamente. Para o ângulo inclinado α =30 °, é impossível definir um período menor porque os nanocones truncados p-AlGaN foram compactados quando o espaçamento dos nanorods p-GaN é de 260 nm. O maior LEE TE-polarizado atinge 26% quando o espaçamento é de 375 nm, e α está definido para 30 °. Este número é 1,44 vezes maior do que o desenho da Fig. 5a. É mais digno de nota que, em comparação com a estrutura na Fig. 5a, o maior LEE TM-polarizado para o projeto na Fig. 6a é de 12% quando o espaçamento é de 260 nm e α é definido como 30 ° e esse número é aumentado em 10 vezes. Comparado com o LED DUV convencional sem estruturas em malha, os LEEs polarizados com TE e TM podem ser aumentados em mais de 5 vezes e 24 vezes, utilizando o design da Fig. 6a, respectivamente. Esses resultados simulados indicam que o nanocone truncado p-AlGaN com um ângulo inclinado de 30 ° pode melhorar significativamente o efeito de espalhamento de luz, especialmente para luz TM-polarizada.

Conclusões

Em resumo, o impacto de várias estruturas de contato em malha, incluindo p-GaN nanorod, híbrido p-GaN / p-AlGaN nanorod e p-GaN nanorod / p-AlGaN nanocone truncado no LEE para DUV LEDs é investigado em detalhes. Está provado que a absorção da camada de p-GaN e a absorção do metal Al desempenham um papel principal no LEE para estruturas com espaçamento menor dos nanobastões, enquanto a capacidade de espalhamento da estrutura em malha faz uma contribuição dominante para o LEE para estruturas com espaçamento maior dos nanobastões. É importante notar que, apesar do aumento muito perceptível de LEE para luz TE-polarizada, nem o nanorod p-GaN nem o nanorod híbrido p-GaN / p-AlGaN podem promover significativamente o LEE para a luz polarizada por TM, que é devido a o efeito de espalhamento muito pobre na luz no plano. Portanto, propomos e provamos ainda que o LEE para a luz TM-polarizada pode ser significativamente melhorado combinando nanocone p-GaN e nanocone truncado p-AlGaN, e o ângulo de inclinação otimizado é encontrado em 30 °. Comparado com o LED DUV convencional sem estrutura em malha, um aprimoramento de 24 vezes no LEE TM polarizado pode ser alcançado.

Abreviações

3D FDTD:: Método de domínio de tempo de diferença finita tridimensional
DBR:: Refletor Bragg Distribuído
LEDs DUV:: Diodos emissores de luz ultravioleta profundos
EQE:: Eficiência quântica externa
IQE:: Eficiência quântica interna
LEE:: Eficiência de extração leve
MQWs:: Múltiplos poços quânticos
ODR:: Refletor omnidirecional
PEC:: Condutor elétrico perfeito
PML:: Camada perfeitamente combinada
TE:: Transversal elétrico
TIR:: Reflexão interna total
TM:: Magnético transversal

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