Peningkatan Ekstraksi Cahaya pada LED Flip-Chip Deep-UV dengan Kontak Mesh Skala Nanometer dan Nanokonus AlGaN Miring
Abstrak
Dalam studi ini, kami menginvestigasi dioda emis cahaya (LED) ultraviolet dalam (DUV) berbasis AlGaN dengan arsitektur flip-chip dan berbagai geometri kontak p-jenis bertype mesh. Dengan simulasi finite-difference time-domain tiga dimensi (3D-FDTD), kami menunjukkan bahwa efisiensi ekstraksi cahaya (LEE) untuk cahaya transverse electric (TE) dan transverse magnetic (TM) sangat sensitif terhadap jarak dan kemiringan struktur mesh. Kami menemukan bahwa faktor pengisian besar tidak meningkatkan LEE karena kehilangan bersaing dari penyerapan p-GaN, penyerapan plasmonik aluminium, dan penyerakan oleh mesh. Luar biasa, kontak hibrid nano-rod p-GaN/nanokonus terpancung p-AlGaN dengan kemiringan 30° meningkatkan LEE terpolarisasi TE dan TM masing-masing sekitar 5 kali lipat dan 24 kali lipat pada emisi 280 nm.
Pendahuluan
LED DUV berbasis AlGaN semakin dicari untuk pemurnian air, fototerapi, sensorik, dan fotokatalisis. Namun, mencapai efisiensi kuantum eksternal (EQE) tinggi tetap menantang, terutama pada panjang gelar yang lebih pendek. EQE sama dengan efisiensi kuantum internal (IQE) dikalikan dengan LEE. LED flip-chip DUV konvensional biasanya memberikan EQE <10%, sebagian besar karena LEE terbatas pada 7–9%. Rekor dunia EQE saat ini sebesar 20% pada 275 nm diaktifkan oleh teknik LEE canggih seperti safir terpola, elektroda p transparan, dan kemasan yang disempurnakan. Oleh karena itu, meningkatkan LEE sangat penting untuk LED DUV berkinerja tinggi.
LEE menderita refleksi internal total (TIR) dan kehilangan Fresnel karena kontras indeks bias yang tinggi antara AlGaN (n≈2.6) dan udara. Peningkatan konten aluminium dalam sumbu kuantum juga mendukung emisi terpolarisasi TM, yang sulit untuk melarikan diri dari perangkat. Strategi untuk meningkatkan LEE meliputi permukaan kasar, safir terpola, sisi miring, dan resonansi plasmonik, semuanya memperkenalkan pusat penyerakan yang mengalihkan foton. Keterbatasan kunci lain adalah penyerapan pada lapisan kontak p-GaN, yang tidak mudah diganti dengan p-AlGaN kaya aluminium karena konduktivitas lubang yang buruk. Untuk mengurangi kehilangan ini, kontak p-jenis bertype mesh, reflektor Bragg terdistribusi, atau kristal fotonik telah diusulkan. Kontak mesh, khususnya, hemat biaya dan telah menunjukkan janji pada skala mikron; namun, mesh skala nanometer dan dampak penyerakannya belum banyak dipelajari.
Di sini kami secara sistematik menjelajahi desain kontak mesh skala nanometer dan reflektor aluminium untuk menilai pengaruhnya pada LEE untuk LED DUV. Kami membandingkan nano-rod p-GaN, nano-rod hibrid p-GaN/p-AlGaN, dan nano-rod hibrid p-GaN/p-AlGaN nano-rod/nanokonus terpancung. Analisis 3D-FDTD kami menunjukkan bahwa struktur nano-rod hibrid terpancung dapat memberikan peningkatan lebih dari lima kali lipat untuk cahaya TE dan 24 kali lipat untuk cahaya TM.
Model dan Metode Simulasi
Simulasi dilakukan menggunakan Lumerical FDTD Solution, yang menyelesaikan persamaan Maxwell di domain waktu. Model flip-chip dasar (Gambar 1a) mencakup lapisan aluminium atas 92 % refleksif untuk mengalihkan foton ke substrat safir. Tumpukan 100 nm p-GaN, 1,5 µm n-AlGaN, dan 1 µm safir menempatkan 100 nm sumbu kuantum ganda (MQW). Sumber dipol tunggal yang diposisikan di pusat MQW, terpolarisasi sepanjang X (TE) atau Y (TM), memicu emisi pada 280 nm. Koefisien penyerapan pada 280 nm adalah 10 cm⁻¹ untuk AlGaN, 1000 cm⁻¹ untuk MQW, dan 170.000 cm⁻¹ untuk GaN. Indeks bias adalah 2,6 (AlGaN), 2,9 (GaN), dan 1,8 (safir). Domain simulasi adalah 8 µm × 8 µm secara lateral, dengan lapisan cocok sempurna (PML) di atas dan bawah. Mesh non-uniform dengan ukuran sel minimum 5 nm memastikan resolusi medan yang akurat. Monitor daya yang ditempatkan 300 nm di atas safir menangkap daya yang ditransmisikan, yang diubah Fourier ke medan jauh. LEE dihitung sebagai rasio daya yang ditransmisikan terhadap emisi dipol total.
a Tampilan sisi model 3D-FDTD untuk LED flip-chip DUV konvensional. b LEE TE dan TM untuk LED dengan dan tanpa lapisan p-GaN 100 nm terhadap ketebalan p-AlGaN.
Hasil dan Pembahasan
Pengaruh Ketebalan Rongga Optik terhadap LEE
Jarak antara MQW dan reflektor Al, yang dikontrol oleh ketebalan p-AlGaN, membentuk rongga optik yang memodulasi LEE. Gambar 1b menunjukkan kurva LEE osilator dengan periode ~50 nm, yang cocok dengan teori λ/2n≈53 nm. Puncak TE dan TM tidak dalam fase, seperti yang diramalkan oleh analisis Fresnel dan matriks Mueller. Kehadiran lapisan p-GaN 100 nm menenangkan efek rongga, namun LEE TE/TM minimum tetap lebih tinggi dari pada perangkat tanpa p-GaN. Akibatnya, menghilangkan atau menipiskan lapisan p-GaN dapat lebih dari menggandakan LEE.
Pengaruh Kontak p-GaN Bertype Mesh terhadap LEE
Untuk mengurangi penyerapan p-GaN, kami mengganti lapisan kontinu dengan larik persegi nano-rod berdiameter 250 nm dan tinggi 100 nm yang tersemat dalam reflektor aluminium (Gambar 2a). Ketebalan p-AlGaN optimal adalah 125 nm. Jarak antar nano-rod sangat penting: jarak yang lebih kecil meningkatkan penyebaran arus tetapi meningkatkan faktor pengisian p-GaN, yang meningkatkan penyerapan. Gambar 2c menunjukkan bahwa LEE TE naik dengan jarak hingga 125 nm, mencapai peningkatan >3 kali lipat, kemudian menurun saat penyerakan mendominasi. Tren ini dikoreksikan oleh model dengan penyerapan GaN nol dan reflektor konduktor listrik sempurna (PEC), di mana LEE naik dan kemudian turun dengan jarak, mengonfirmasi peran penyerakan.
a Skematik LED flip-chip DUV dengan kontak p-GaN bertype mesh. b Tampilan atas larik nano-rod. c LEE TE dan TM terhadap jarak nano-rod (p-AlGaN = 125 nm).
Kami juga memeriksa pengaruh tinggi nano-rod. Pengurangan tinggi dari 100 nm ke 25 nm meningkatkan LEE karena penyerapan yang lebih rendah, namun manfaatnya terpancung untuk tinggi di bawah 25 nm karena reflektor Al mendominasi perilaku penyerakan (Gambar 4).
(a) LEE versus jarak untuk tinggi nano-rod 10, 25, 50, dan 100 nm. Inset: refleksi insiden normal terhadap ketebalan p-GaN. b Refleksi versus jarak untuk setiap tinggi.
Pengaruh Kontak Hibrid p-GaN/p-AlGaN Bertype Mesh terhadap LEE
Memperkenalkan nano-rod p-AlGaN bersama dengan nano-rod p-GaN (Gambar 5a) meningkatkan penyerakan tanpa mengorbankan refleksi. LEE untuk berbagai tinggi p-AlGaN (0, 25, 75, 100 nm) semuanya melebihi struktur p-GaN murni, dengan kasus 75 nm memberikan LEE TE tertinggi (Gambar 5b). Pola medan jauh mengonfirmasi intensitas medan listrik yang lebih kuat untuk perangkat dengan nano-rod p-AlGaN (Gambar 5c,d).
a Tampilan sisi kontak mesh hibrid nano-rod p-GaN/p-AlGaN. b LEE TE versus jarak untuk tinggi p-AlGaN 0, 25, 75, 100 nm (inset: refleksi). c Medan jauh pada jarak 125 nm, p-AlGaN 75 nm. d Medan jauh pada jarak 125 nm, p-AlGaN 0 nm. e LEE TM versus jarak untuk tinggi yang sama.
Pengaruh Nanokonus Terpancung Hibrid p-GaN/p-AlGaN terhadap LEE
Untuk mengatasi LEE TM yang terus-menerus rendah, kami mengganti nano-rod p-AlGaN dengan nano-rod konus terpancung yang memiliki sudut kemiringan α (Gambar 6a). Pengurangan α meningkatkan LEE TE dan TM. Pada α = 30°, LEE TE mencapai puncak 26% (jarak = 375 nm) dan LEE TM naik ke 12% (jarak = 260 nm), mewakili peningkatan 5 kali lipat dan 24 kali lipat relatif terhadap dasar. Ini menunjukkan bahwa nano-rod konus miring secara dramatis meningkatkan penyerakan TM.
a Tampilan sisi kontak mesh hibrid nano-rod p-GaN/nanokonus terpancung p-AlGaN. b LEE TE versus jarak untuk α = 30°, 50°, 75°, 90°. c LEE TM versus jarak untuk sudut yang sama.
Kesimpulan
Studi simulasi komprehensif kami mengonfirmasi bahwa kontak mesh skala nanometer—nano-rod p-GaN, nano-rod hibrid p-GaN/p-AlGaN, dan nano-rod konus terpancung hibrid p-GaN/p-AlGaN—secara substansial meningkatkan LEE dalam LED DUV. Trade-off utama adalah penyerapan pada lapisan p-GaN dan kehilangan plasmonik aluminium versus manfaat penyerakan. Nano-rod konus terpancung hibrid, dengan kemiringan 30°, mencapai peningkatan paling dramatis, memberikan peningkatan 24 kali lipat dalam LEE TM sambil mempertahankan penguatan LEE TE.
