Aprimoramento da Extração de Luz em LEDs UV Profundo Flip-Chip Usando Contatos Meshes Nanométricos e Nanocones Inclinados de AlGaN

Resumo

Neste estudo, investigamos diodos emissores de luz (LEDs) de ultravioleta profundo (DUV) baseados em AlGaN fabricados com arquitetura flip-chip e uma variedade de geometrias de contatos p-tipo em mesh. Usando simulações de diferenças finitas no domínio do tempo tridimensional (3D-FDTD), demonstramos que tanto as eficiências de extração de luz (LEE) polarizadas transversal-elétrica (TE) quanto transversal-magnética (TM) são altamente sensíveis ao espaçamento e inclinação das estruturas em mesh. Descobrimos que um grande fator de preenchimento não melhora a LEE devido a perdas competitivas por absorção no p-GaN, absorção plasmônica no alumínio e espalhamento pela mesh. Notavelmente, um contato híbrido de nanobastão de p-GaN/nanocone truncado de p-AlGaN com inclinação de 30° aumenta as LEEs polarizadas TE e TM em aproximadamente 5 vezes e 24 vezes, respectivamente, em emissão de 280 nm.

Introdução

LEDs DUV baseados em AlGaN são cada vez mais procurados para purificação de água, fototerapia, sensoriamento e fotocatálise. No entanto, alcançar alta eficiência quântica externa (EQE) permanece desafiador, especialmente em comprimentos de onda mais curtos. EQE é igual à eficiência quântica interna (IQE) multiplicada pela eficiência de extração de luz (LEE). LEDs DUV flip-chip convencionais tipicamente entregam EQE <10%, em grande parte porque a LEE é limitada a 7–9%. O recorde mundial atual de EQE de 20% a 275 nm foi possibilitado por técnicas avançadas de LEE, como safira padrão, eletrodos p transparentes e embalagem refinada. Portanto, aumentar a LEE é fundamental para LEDs DUV de alta eficiência.

A LEE sofre de reflexão interna total (TIR) e perda de Fresnel devido ao alto contraste de índice de refração entre AlGaN (n≈2,6) e ar. O aumento do teor de Al nos poços quânticos também favorece emissão polarizada TM, que é difícil de escapar do dispositivo. Estratégias para melhorar a LEE incluem rugosidade de superfície, safira padrão, paredes laterais inclinadas e ressonâncias plasmônicas, todas introduzindo centros de espalhamento que redirecionam fótons. Outra limitação chave é a absorção na camada de contato p-GaN, que não pode ser facilmente substituída por p-AlGaN rico em Al devido à baixa condutividade de lacunas. Para mitigar essa perda, contatos p-tipo em mesh, refletores de Bragg distribuídos ou cristais fotônicos foram propostos. Contatos em mesh, em particular, são custo-efetivos e mostraram promessa na escala de mícron; porém, meshes na escala nanométrica e seu impacto no espalhamento não foram extensivamente estudados.

Aqui exploramos sistematicamente designs de contatos em mesh na escala nanométrica e um refletor de Al para avaliar sua influência na LEE para LEDs DUV. Comparamos nanobastões de p-GaN, nanobastões híbridos p-GaN/p-AlGaN e nanocones truncados híbridos p-GaN/p-AlGaN. Nossa análise 3D-FDTD revela que a estrutura de nanocone truncado híbrido pode fornecer melhoria de mais de cinco vezes para luz TE e 24 vezes para luz TM.

Modelo e Métodos de Simulação

Simulações foram realizadas usando Lumerical FDTD Solution, que resolve as equações de Maxwell no domínio do tempo. O modelo flip-chip de base inclui uma camada superior de Al com 92% de reflectividade para redirecionar fótons em direção ao substrato de safira. Uma pilha de 100 nm p-GaN, 1,5 µm n-AlGaN e 1 µm safira abriga 100 nm de poços quânticos múltiplos (MQWs). Uma única fonte dipolo posicionada no centro dos MQWs, polarizada ao longo de X (TE) ou Y (TM), excita emissão a 280 nm. Coeficientes de absorção a 280 nm são 10 cm⁻¹ para AlGaN, 1000 cm⁻¹ para MQWs e 170.000 cm⁻¹ para GaN. Índices de refração são 2,6 (AlGaN), 2,9 (GaN) e 1,8 (safira). O domínio de simulação é 8 µm × 8 µm lateralmente, com camadas perfeitamente adaptadas (PML) no topo e base. Uma mesh não uniforme com tamanho mínimo de célula de 5 nm garante resolução precisa do campo. Monitores de potência colocados 300 nm acima da safira capturam potência transmitida, que é transformada de Fourier para o campo distante. LEE é calculada como a razão entre potência transmitida e emissão total do dipolo.

Resultados e Discussões

Efeito da Espessura da Cavidade Óptica na LEE

A distância entre os MQWs e o refletor de Al, controlada pela espessura do p-AlGaN, forma uma cavidade óptica que modula a LEE. A Figura 1b mostra curvas de LEE oscilatórias com período ~50 nm, correspondendo ao teórico λ/2n≈53 nm. Picos de TE e TM estão fora de fase, como previsto por análise de Fresnel e matriz de Mueller. A presença de uma camada de 100 nm de p-GaN amortece o efeito da cavidade, ainda assim o mínimo de LEE TE/TM permanece maior que para dispositivos sem p-GaN. Consequentemente, eliminar ou afinar a camada p-GaN pode mais do que dobrar a LEE.

Efeito dos Contatos p-GaN em Mesh na LEE

Para reduzir absorção no p-GaN, substituímos a camada contínua por uma array quadrada de nanobastões de 250 nm de diâmetro e 100 nm de altura embutidos no refletor de Al. A espessura ótima de p-AlGaN é 125 nm. O espaçamento entre nanobastões é crítico: espaçamento menor melhora espalhamento de corrente mas aumenta o fator de preenchimento de p-GaN, intensificando absorção. A Figura 2c mostra que a LEE TE aumenta com espaçamento até 125 nm, alcançando aumento >3 vezes, depois declina à medida que o espalhamento domina. Essa tendência é corroborada por um modelo com absorção zero de GaN e refletor condutor elétrico perfeito (PEC), onde LEE aumenta e depois diminui com espaçamento, confirmando o papel do espalhamento.

Examinamos também a influência da altura do nanobastão. Reduzir altura de 100 nm para 25 nm aumenta LEE devido à menor absorção, mas o benefício satura para alturas abaixo de 25 nm porque o refletor de Al domina o comportamento de espalhamento.

Efeito dos Contatos Híbridos p-GaN/p-AlGaN em Mesh na LEE

Introduzir nanobastões de p-AlGaN junto com nanobastões de p-GaN melhora ainda mais o espalhamento sem comprometer reflectividade. LEEs para várias alturas de p-AlGaN (0, 25, 75, 100 nm) todas excedem as da estrutura pura de p-GaN, com o caso de 75 nm entregando a maior LEE TE. Padrões de campo distante confirmam maior intensidade de campo elétrico para dispositivos com nanobastões de p-AlGaN.

Efeito do Nanocone Truncado Híbrido p-GaN/p-AlGaN na LEE

Para enfrentar a persistentemente baixa LEE TM, substituímos os nanobastões de p-AlGaN por nanocones truncados com ângulo de inclinação α. Diminuir α aumenta tanto LEEs TE quanto TM. Em α = 30°, a LEE TE atinge pico de 26% (espaçamento = 375 nm) e a LEE TM sobe para 12% (espaçamento = 260 nm), representando ganhos de 5 vezes e 24 vezes em relação à base. Isso demonstra que nanocones inclinados melhoram dramaticamente o espalhamento TM.

Conclusões

Nosso estudo abrangente de simulação confirma que contatos em mesh na escala nanométrica — nanobastões de p-GaN, nanobastões híbridos p-GaN/p-AlGaN e nanocones truncados híbridos p-GaN/p-AlGaN — aumentam substancialmente a LEE em LEDs UV profundo. Os principais trade-offs são absorção na camada p-GaN e perdas plasmônicas no Al versus benefícios de espalhamento. O nanocone truncado híbrido, com inclinação de 30°, atinge a melhoria mais dramática, entregando aumento de 24 vezes na LEE TM enquanto mantém ganhos na LEE TE.

Abreviações

3D FDTD:

Método de diferenças finitas no domínio do tempo tridimensional

DBR:

Refletor de Bragg distribuído

DUV LEDs:

Diodos emissores de luz ultravioleta profundo

EQE:

Eficiência quântica externa

IQE:

Eficiência quântica interna

LEE:

Eficiência de extração de luz

MQWs:

Poços quânticos múltiplos

ODR:

Refletor omnidirecional

PEC:

Condutor elétrico perfeito

PML:

Camada perfeitamente adaptada

TE:

Transversal-elétrica

TIR:

Reflexão interna total

TM:

Transversal-magnética