Efek Struktur Kontak tipe-p Tersambung pada Efek Ekstraksi Cahaya untuk Dioda Pemancar Cahaya Ultraviolet Flip-Chip Dalam
Abstrak
Dalam karya ini, dioda pemancar cahaya ultraviolet dalam (LED DUV) flip-chip AlGaN dengan berbagai struktur kontak bertautan diselidiki secara sistematis melalui metode domain waktu perbedaan hingga tiga dimensi (3D FDTD). Diamati bahwa baik transversal electric (TE)- dan transverse magnetic (TM)-polarized light extraction efficiency (LEEs) sensitif terhadap jarak dan sudut miring untuk struktur mesh. Kami juga menemukan bahwa LEE tidak akan meningkat ketika faktor pengisian besar diadopsi untuk struktur bertautan, yang karena persaingan antara penyerapan lapisan p-GaN, penyerapan resonansi plasmon logam Al, dan efek hamburan oleh struktur bertautan . Efek hamburan yang sangat kuat yang terjadi pada kontak nanocone terpotong p-GaN nanorod/p-AlGaN hibrida dapat sangat meningkatkan LEE untuk cahaya terpolarisasi TE dan TM, misalnya, ketika sudut miring 30°, LEE untuk TE - dan cahaya terpolarisasi TM dapat ditingkatkan masing-masing ~ 5 kali dan ~ 24 kali pada panjang gelombang emisi 280 nm.
Pengantar
Dioda pemancar cahaya ultraviolet dalam (LED DUV) berbasis AlGaN memiliki potensi aplikasi yang besar dalam lingkup seperti pemurnian air, fototerapi medis, deteksi, dan fotokatalisis [1,2,3]. Namun LED DUV dengan external Quantum Efficiency (EQE) yang tinggi masih sulit didapatkan terutama pada saat panjang gelombang emisi menurun. EQE untuk LED dapat dihitung dengan produk dari efisiensi kuantum internal (IQE) yang dilambangkan sebagai ηIQE dan efisiensi ekstraksi cahaya (LEE) dilambangkan sebagai ηLEE , yaitu, ηEQE =ηIQE · ηLEE . Saat ini, EQE untuk LED DUV terstruktur flip-chip konvensional lebih rendah dari 10% yang sangat dibatasi oleh LEE rendah 7-9% [4]. Sejauh ini, EQE tertinggi rekor dunia untuk LED DUV adalah 20% pada panjang gelombang 275 nm, dan EQE setinggi itu dicapai berkat LEE yang sangat ditingkatkan, yang diaktifkan dengan mengintegrasikan berbagai teknologi LEE canggih seperti substrat safir berpola, p-elektroda transparan, dan teknologi paket canggih [5]. Oleh karena itu, meningkatkan LEE untuk mewujudkan LED DUV efisiensi tinggi menjadi sangat penting. Telah diketahui dengan baik bahwa LEE secara substansial dipengaruhi oleh refleksi internal total (TIR) dan kehilangan Fresnel, yang disebabkan oleh kontras indeks bias yang besar antara AlGaN dan udara (nudara =1 dan nAlGaN =2.6) [6]. Selain itu, peningkatan kandungan Al dalam sumur kuantum berbasis AlGaN menghasilkan dominasi cahaya terpolarisasi magnetik transversal (TM), yang sulit untuk merambat ke dalam kerucut pelarian sebelum diekstraksi dari LED DUV [7]. Untuk meningkatkan LEE, di satu sisi, berbagai teknologi termasuk permukaan kasar [8], substrat safir berpola [9], dinding samping miring [10], dan polariton plasma permukaan [11] telah diterapkan secara luas, dan dengan demikian, hamburan pusat dapat dihasilkan yang membantu meningkatkan kemungkinan melarikan diri dari substrat safir untuk foton. Kendala lain yang membatasi LEE muncul dari lapisan kontak p-GaN yang menyerap karena sulitnya menumbuhkan lapisan p-AlGaN yang kaya Al dengan konsentrasi lubang yang tinggi [5]. Oleh karena itu, penting untuk mengurangi penyerapan optik yang disebabkan oleh lapisan p-GaN untuk LED DUV, dan metode yang diusulkan termasuk elektroda kontak tipe-p bertautan [12, 13], reflektor Bragg terdistribusi (DBR)/reflektor omni-directional (ODR) [14, 15], dan kristal fotonik [16]. Di antara pendekatan yang diusulkan, elektroda kontak tipe-p bertautan efektif dan lebih murah. Lobo dkk. melaporkan pola kontak tipe-p skala mikrometer dan terbukti efektif dalam meningkatkan ekstraksi cahaya [13]. Namun, penyelidikan elektroda kontak tipe-p bertautan skala nanometer jarang dilakukan. Selain itu, efek hamburan elektroda kontak tipe-p bertautan skala mikrometer pada LEE diabaikan dalam laporan sebelumnya. Kami yakin efek hamburan pada elektroda kontak tipe-p skala nanometer dapat lebih meningkatkan LEE.
Dalam makalah ini, pengaruh struktur kontak bertautan skala nano dan reflektor Al pada LEE untuk LED DUV diselidiki secara numerik. Berbagai struktur kontak bertautan dipelajari termasuk kontak nanorod p-GaN, kontak nanorod p-GaN nanorod/p-AlGaN hibrid, dan kontak nanocone terpotong p-GaN nanorod/p-AlGaN. Dengan menggunakan simulasi tiga dimensi domain waktu perbedaan hingga (3D FDTD), pekerjaan ini menyelidiki ketergantungan LEE pada parameter variabel untuk struktur yang diusulkan. Kami menemukan bahwa LED dengan hibrid yang dioptimalkan p-GaN nanorod/p-AlGaN truncated nanocone meshed contact memungkinkan peningkatan LEE lebih dari 5 kali lipat dan 24 kali lipat untuk cahaya terpolarisasi transversal (TE) dan TM, masing-masing.
Model dan Metode Simulasi
Simulator yang digunakan dalam pekerjaan kami dikembangkan oleh solusi FDTD Lumerical, yang dapat menyelesaikan persamaan Maxwell yang bergantung waktu untuk menghitung distribusi medan elektromagnetik dalam struktur hingga [17, 18]. Gambar 1a menyajikan model simulasi untuk LED DUV flip-chip konvensional. Lapisan reflektor Al dipasang di atas struktur simulasi untuk memantulkan foton kembali ke safir transparan sehingga sebagian besar cahaya dapat diekstraksi [19]. Perhatikan bahwa reflektor Al memiliki reflektifitas setinggi 92% dalam rentang spektral UV [20]. Mekanisme disipasi logam dijelaskan oleh model Drude yang dimodifikasi selama simulasi [21]. Ketebalan untuk lapisan p-GaN, lapisan n-AlGaN, dan safir masing-masing diatur ke 100 nm, 1,5 μm, dan 1 μm [12]. Beberapa sumur kuantum (MQWs) tertanam di antara lapisan n-AlGaN dan lapisan p-AlGaN, dengan ketebalan total 100 nm. Selain itu, kami menetapkan dipol tunggal di tengah wilayah MQWs dan dipol yang mewakili rekombinasi lubang elektron [22]. Panjang gelombang emisi puncak dari spektrum untuk sumber dipol diatur ke 280 nm. Sumber dipol terpolarisasi dalam arah paralel atau tegak lurus dengan X -sumbu untuk mengaktifkan mode TE atau TM, masing-masing [23]. Z -sumbu tegak lurus terhadap bidang-C untuk LED DUV. Oleh karena itu, TE-terpolarisasi dan TM-terpolarisasi cahaya merambat terutama di bidang YZ dan XY, masing-masing. Koefisien absorpsi pada panjang gelombang emisi 280 nm untuk lapisan AlGaN, MQWs, dan lapisan GaN diasumsikan 10 cm
−1
, 1000 cm
−1
, dan 170.000 cm
−1
, masing-masing. Indeks bias material untuk lapisan AlGaN, lapisan GaN, dan safir diasumsikan masing-masing 2,6, 2,9, dan 1,8 [23, 24]. Dimensi lateral untuk struktur yang dihitung diatur ke 8 × 8 μm
2
. Kondisi batas untuk keempat batas lateral diasumsikan memiliki reflektansi 100% sehingga dimensi lateral hingga dapat dispekulasikan menjadi tak hingga [25]. Kondisi batas atas dan batas bawah ditetapkan memiliki lapisan kecocokan sempurna (PML), yang dapat menyerap energi elektromagnetik secara keseluruhan. Dalam model kami, mesh yang tidak seragam diterapkan saat melakukan simulasi, dan ukuran mesh terkecil diatur ke 5 nm, yang memberikan akurasi yang baik untuk menghitung LEE. Monitor daya ditempatkan 300 nm terpisah dari safir untuk mengumpulkan transmisi daya melalui monitor dan merekam radiasi medan listrik medan dekat. Medan listrik medan dekat diubah menjadi medan listrik medan jauh dengan melakukan transformasi Fourier. LEE dihitung dengan mengambil rasio total daya yang diekstraksi dikumpulkan dari monitor daya dan daya emisi total dari dipol [26]. Daya yang dikumpulkan dari monitor daya diperoleh dengan mengintegrasikan distribusi daya medan jauh di atas permukaan monitor daya.
a Diagram tampilan samping skema model komputasi FDTD 3D untuk struktur LED DUV flip-chip konvensional. b LEE terpolarisasi TE dan TM untuk LED DUV dengan p-GaN dan tanpa p-GaN sebagai fungsi dari ketebalan p-AlGaN
Hasil dan Diskusi
Pengaruh Ketebalan Rongga Optik pada LEE
Seperti diketahui, efek rongga optik dapat menyetel mode radiasi untuk MQW pada LED flip-chip, yang sensitif terhadap ketebalan lapisan tipe-p, sedangkan ketebalan lapisan tipe-p memiliki pengaruh yang signifikan terhadap LEE [27] . Oleh karena itu, pertama-tama kami mempelajari efek ketebalan lapisan p-AlGaN pada LEE terpolarisasi TE dan terpolarisasi TM untuk struktur LED konvensional. Ketebalan lapisan p-AlGaN juga mewakili jarak antara MQWs dan reflektor Al. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b, semua kurva LEE menunjukkan osilasi periodik dengan ketebalan lapisan p-AlGaN dan periodenya sekitar 50 nm. Perilaku berosilasi disebabkan oleh efek rongga optik yang ditimbulkan oleh interferensi konstruktif antara cahaya dari sumber dan cahaya yang dipantulkan oleh cermin Al. Menurut teori interferensi, periode dapat dihitung dengan d =λ /2nAlGaN =53 nm [21], yang memiliki kesepakatan yang baik dengan hasil simulasi pada Gambar. 1b. Selain itu, puncak LEE untuk cahaya terpolarisasi TM berlawanan dengan puncak untuk cahaya terpolarisasi TE. Menurut persamaan Fresnel dan matriks Mueller [28], ada amplitudo refleksi yang berbeda dan pergeseran fasa untuk refleksi cahaya terpolarisasi TE dan TM dari antarmuka antara dua media isotropik linier. Selain itu, dapat ditemukan bahwa, meskipun penyerapan lapisan p-GaN yang kuat melemahkan efek rongga optik, LEE untuk LED dengan lapisan p-GaN setebal 100 nm masih menunjukkan fluktuasi amplitudo yang kecil. Efek rongga optik yang lebih lemah untuk LED dengan lapisan p-GaN mengarah pada fakta bahwa, untuk cahaya terpolarisasi TE dan TM, LEE minimum untuk LED dengan lapisan p-GaN lebih besar daripada LED tanpa p-GaN lapisan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b. Sementara itu, juga dapat diamati bahwa rata-rata LEE untuk cahaya terpolarisasi TM hanya sepersepuluh dari cahaya terpolarisasi TE, dan temuan di sini konsisten dengan hasil [23]. Selain itu, perlu dicatat bahwa LED tanpa lapisan p-GaN menunjukkan LEE terbesar untuk cahaya terpolarisasi TE dan cahaya terpolarisasi TM masing-masing adalah 16% dan 1,5%, sedangkan angka ini hanya 5% dan 0,5% untuk cahaya. LED dengan lapisan p-GaN, masing-masing. Oleh karena itu, peningkatan tiga kali lipat dalam LEE dapat diperoleh untuk LED tanpa lapisan p-GaN, yang menunjukkan bahwa cahaya terpolarisasi TE dan TM dapat diserap secara signifikan oleh lapisan p-GaN. Itu karena beberapa cahaya perlu mengalami beberapa refleksi untuk melarikan diri, dan ketebalan p-AlGaN yang dioptimalkan juga menyebabkan efek rongga optik terbaik. Oleh karena itu, mengurangi penyerapan dari p-GaN sangat penting untuk LEE LED DUV dan dapat meningkatkan LEE lebih dari dua kali lipat.
Pengaruh Kontak p-GaN Tersambung di LEE
Untuk mengurangi penyerapan lapisan p-GaN, p-GaN digabungkan ke dalam kontak submikro untuk meningkatkan LEE. Berdasarkan LED DUV flip-chip konvensional pada Gambar 1a, lapisan p-GaN dirancang untuk batang nano yang tertanam dalam reflektor Al untuk membentuk elektroda kontak submikro tipe-p (lihat Gambar 2a) dengan susunan persegi (lihat Gambar 2b). Ketinggian untuk nanorod p-GaN diatur ke 100 nm. Diameter untuk nanorod p-GaN ditetapkan pada 250 nm yang jumlahnya mendekati panjang gelombang emisi. Ketebalan lapisan p-AlGaN yang dioptimalkan diatur ke 125 nm sesuai dengan Gambar 1b. Untuk LED DUV dengan kontak p-GaN bertautan, jarak adalah yang paling penting. Di satu sisi, jarak yang lebih kecil akan membuat penyebaran arus lebih efisien ke seluruh wilayah aktif. Di sisi lain, jarak yang lebih kecil akan meningkatkan faktor pengisian kontak p-GaN yang menyatu dan dengan demikian meningkatkan penyerapan optik. Oleh karena itu, jarak yang dioptimalkan yang memungkinkan penyebaran arus yang baik dan LEE yang sangat baik sangat penting untuk LED DUV yang diusulkan. Kami kemudian menyelidiki dan menunjukkan efek jarak pada LEE pada Gambar. 2c. Seperti yang diharapkan, dibandingkan dengan LED DUV konvensional, LEE terpolarisasi TE dan TM untuk LED DUV dengan kontak p-GaN bertautan meningkat secara signifikan. LEE untuk cahaya terpolarisasi TE meningkat dengan bertambahnya jarak hingga jarak mencapai 125 nm karena penyerapan p-GaN menurun sebagai akibat dari penurunan faktor pengisian p-GaN. Dan LEE memiliki peningkatan lebih dari tiga kali lipat ketika jaraknya sekitar 125 nm. Namun, setelah 125 nm, LEE untuk cahaya terpolarisasi TE berkurang dengan faktor pengisian. Pengamatan ketika jarak di luar 125 nm menyimpulkan bahwa ada faktor lain yang memainkan efek penting pada LEE. Menurut laporan di [29], panjang kepunahan foton dapat dinyatakan dengan 1/Lkepunahan =1/Lhamburan + 1/Lpenyerapan , di mana Lhamburan dan Lpenyerapan sesuai dengan panjang hamburan dan panjang penyerapan, masing-masing. Karena LEE terutama bergantung pada penyerapan material dan hamburan struktural, dapat disimpulkan bahwa efek hamburan yang disebabkan oleh kontak p-GaN bertautan dominan mempengaruhi LEE ketika jaraknya lebih besar dari 125 nm.
a Diagram tampilan samping skema LED DUV flip-chip dengan kontak p-GaN yang disambung. b Diagram tampilan atas skema dari distribusi kontak p-GaN bertautan. c LEEs untuk DUV LED dengan kontak p-GaN bertautan sebagai fungsi jarak nanorod ketika ketebalan p-AlGaN adalah 125 nm
Untuk mengkonfirmasi efek hamburan oleh kontak p-GaN yang disatukan, model tanpa bahan serap diatur, sehingga koefisien penyerapan untuk bahan GaN diatur ke 0 dan reflektor Al diganti dengan konduktor listrik sempurna (PEC) dengan hampir 100 % reflektifitas, dimana hasil simulasi diplot dengan garis bujur sangkar hitam pada Gambar 3a. Dapat dilihat bahwa LEE meningkat dan kemudian menurun dengan bertambahnya jarak. Yaitu, efek hamburan dari submikro-kontak p-GaN bersifat inkremental dan kemudian berkurang dengan bertambahnya ruang. Oleh karena itu, peningkatan jarak untuk kontak GaN tipe-p bertautan akan menekan efek hamburan, dan ini menafsirkan pengamatan pada Gambar. 3a bahwa ketika jarak lebih besar dari 50 nm, LEE berkurang dengan peningkatan jarak.
a LEE sebagai fungsi dari jarak nanorod untuk LED DUV dengan nanorod p-GaN non-penyerap/penyerap setinggi 100 nm, dan reflektornya masing-masing adalah Al dan PEC. b Reflektifitas kejadian normal dengan reflektor Al menyatu dan reflektor bidang Al sebagai fungsi dari jarak nanorod. Inset menunjukkan efek penyerapan lapisan p-GaN, penyerapan logam Al, dan hamburan struktur pada LED DUV dengan kontak p-GaN yang disambungkan. Distribusi penampang medan listrik pada jarak nanorod 50 nm dengan c Al dan d Reflektor PEC
Selain itu, ketika penyerapan GaN diatur ke 0 dan reflektor Al diterapkan, LEE juga meningkat terlebih dahulu dan kemudian menurun seperti garis segitiga merah yang ditunjukkan pada Gambar 3a. Namun, LEE maksimum 20% untuk struktur dengan reflektor Al jauh lebih kecil dibandingkan dengan 56% untuk struktur dengan reflektor PEC. Gambar 3b menyajikan ketergantungan reflektifitas pada jarak untuk reflektor Al bertautan. Reflektifitas untuk reflektor Al bertautan menurun seiring dengan berkurangnya jarak. Dengan kata lain, permukaan logam Al menjadi kasar ketika spasi berkurang. Oleh karena itu, penurunan reflektifitas untuk permukaan logam kasar dapat dikaitkan dengan eksitasi plasmon permukaan dan efek permukaan [30,31,32]. Permukaan logam kasar harus memodulasi fase cahaya datang yang mengarah ke cahaya yang diserap dan eksitasi gelombang permukaan (plasmon permukaan). Efek permukaan menghasilkan perangkap cahaya di lubang permukaan dengan penyerapan akhirnya. Selanjutnya, distribusi medan listrik penampang menggunakan gelombang bidang sebagai sumber datang untuk reflektor Al dan reflektor PEC ditunjukkan pada Gambar. 3c dan d masing-masing. Dapat ditemukan bahwa, untuk LED dengan reflektor Al, nanorod p-GaN memiliki intensitas medan listrik lokal terkuat, tetapi pengamatan tersebut kurang jelas pada nanorod p-GaN untuk LED dengan reflektor PEC, yang menegaskan bahwa ada penyerapan resonansi plasmon permukaan untuk reflektor Al yang menyatu. Selain itu, tren LEE serupa dapat diamati sebagai garis lingkaran biru pada Gambar. 3a menunjukkan ketika model kami mempertimbangkan penyerapan lapisan p-GaN dan reflektor PEC. LEE ternyata lebih besar untuk LED tanpa penyerapan GaN dan dengan reflektor PEC (garis segitiga merah), yang menunjukkan bahwa penyerapan lapisan p-GaN lebih serius daripada penyerapan logam. Oleh karena itu, untuk LED DUV dengan kontak p-GaN bertautan, terdapat persaingan antara penyerapan lapisan p-GaN, penyerapan logam Al, dan penghamburan struktur seperti yang ditunjukkan pada sisipan Gambar 3b. Ketika jarak terlalu kecil, LEE sangat terpengaruh oleh penyerapan lapisan p-GaN dan logam, sedangkan hamburan struktur membuat efek utama pada LEE ketika jarak menjadi besar.
Selain itu, kami menyelidiki lebih lanjut pengaruh ketinggian nanorod p-GaN pada LEE untuk LED DUV. Jarak ketergantungan LEEs pada ketinggian nanorod p-GaN yang berbeda dari 10 nm, 25nm, 50 nm, dan 100 nm ditunjukkan pada Gambar. 4a. LEE meningkat ketika ketinggian nanorod berkurang dari 100 menjadi 25 nm. Jelas bahwa peningkatan LEE dikaitkan dengan penyerapan yang lebih lemah dari lapisan p-GaN yang lebih tipis. Namun, Gambar 4a juga menunjukkan bahwa LEE serupa ketika ketinggian nanorod adalah 25 nm dan 10 nm. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, reflektifitas logam Al dengan nanorod p-GaN meningkat lebih cepat dengan penurunan ketinggian nanorod. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa efek hamburan pada ketinggian 25 nm lebih kuat daripada pada ketinggian 10 nm, yang menghasilkan LEE serupa. Namun demikian, LEE terbesar adalah 15% ketika nanorod p-GaN berada pada ketinggian 100 nm, dan LEE maksimum hanya 18% ketika nanorod p-GaN berada pada ketinggian 25 nm; dengan demikian, perbedaan kecil diperoleh. Hal ini terutama dikaitkan dengan lapisan p-GaN absorptif yang kuat seperti yang ditunjukkan pada sisipan Gambar 4a. Untuk lapisan p-GaN setebal 10 nm, hanya 40% cahaya yang dapat dipantulkan, sehingga cahaya yang dipantulkan terutama dari reflektor Al di antara nanorod p-GaN. Akibatnya, reflektifitas lebih dipengaruhi oleh jarak daripada ketinggian nanorod p-GaN. Oleh karena itu, dibandingkan dengan jarak nanorod, tinggi p-GaN nanorod lebih sedikit memengaruhi LEE.
(a) LEE sebagai fungsi dari jarak nanorod untuk LED DUV dengan reflektor Al dan dengan ketinggian nanorod p-GaN 10, 25, 50, dan 100 nm ditetapkan. Inset:reflektifitas kejadian normal untuk LED DUV konvensional sebagai fungsi dari ketebalan lapisan p-GaN dan b reflektifitas kejadian normal sebagai fungsi dari jarak nanorod ketika ketinggian nanorod p-GaN adalah 10, 25, 50, dan 100 nm
Efek Kontak Tersambung p-GaN/p-AlGaN Hibrid pada LEE
Selanjutnya, kami mengusulkan lebih lanjut lapisan kontak gabungan p-GaN/p-AlGaN hibrida seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a. Tinggi dan diameter untuk nanorod p-GaN diatur masing-masing ke 100 nm dan 250 nm. Tinggi nanorod p-AlGaN (H ) adalah variabel dalam hal ini. LEE untuk LED DUV yang berbeda dalam hal jarak nanorod ditunjukkan pada Gambar. 5b, di mana kami menetapkan nilai H untuk 0 nm, 25 nm, 75 nm, dan 100 nm. Dapat ditemukan bahwa LEE untuk LED DUV dengan berbagai nanorod p-AlGaN tinggi lebih besar daripada tanpa nanorod p-AlGaN (H =0 nm). Dan LEE untuk LED DUV kurang dipengaruhi oleh tinggi nanorod p-AlGaN jika H bukan 0 nm. Inset pada Gambar. 5b menunjukkan reflektifitas normal dalam hal jarak nanorod untuk struktur hibrida, dan kita dapat melihat bahwa tinggi nanorod p-AlGaN membuat dampak yang dapat diabaikan pada reflektifitas. Oleh karena itu, efek hamburan hanya ditingkatkan oleh nanorod p-AlGaN, yang karenanya mengarah pada LEE yang ditingkatkan. Pola radiasi medan jauh untuk LED DUV dengan nanorod p-AlGaN 75-nm dan 0-nm-tinggi ketika jarak nanorod 125 nm ditunjukkan pada Gambar. 5c dan d, masing-masing. Dapat diamati bahwa intensitas medan listrik LED DUV dengan nanorod p-AlGaN setinggi 75 nm (lihat Gambar 5c) lebih kuat dibandingkan dengan nanorod p-AlGaN setinggi 0 nm (lihat Gambar 5d). Distribusi medan listrik untuk LED DUV dengan nanorod p-AlGaN setinggi 75 nm lebih besar daripada nanorod p-AlGaN setinggi 0 nm, yang menegaskan bahwa nanorod p-AlGaN meningkatkan efek hamburan cahaya. Gambar 5e menunjukkan bahwa LEE terpolarisasi TM bahkan lebih sedikit dipengaruhi oleh tinggi nanorod p-AlGaN.
a Diagram tampilan samping skema untuk LED DUV flip-chip dengan kontak bertautan berbasis nanorod p-GaN/p-AlGaN hibrid. b LEE untuk cahaya terpolarisasi TE sebagai fungsi dari jarak nanorod dan ketinggian nanorod p-AlGaN diatur ke 0, 25, 75, dan 100 nm. Inset:Reflektivitas kejadian normal untuk LED DUV dengan p-GaN setinggi 100 nm dan dengan tinggi p-AlGaN 0, 25, 75, dan 100 nm sebagai fungsi dari jarak nanorod. Pola radiasi medan jauh pada jarak 125 nm dengan tinggi p-AlGaN c 75 nm dan d 0 nm. e LEE untuk cahaya terpolarisasi TM sebagai fungsi dari jarak nanorod dan ketinggian nanorod p-AlGaN diatur ke 0, 25, 75, dan 100 nm
Analisis kami sebelumnya menunjukkan bahwa cahaya terpolarisasi TM masih mengalami LEE yang sangat rendah. Akibatnya, metode harus diusulkan untuk menyebarkan cahaya terpolarisasi TM. Untuk tujuan itu, kami mengusulkan nanorod p-AlGaN dengan dinding samping miring, sehingga membentuk struktur nanocones terpotong p-AlGaN seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a. Ketinggian nanocone terpotong p-AlGaN diatur ke 75 nm, dan sudut miring ditentukan ke α . Peningkatan LEE penting untuk cahaya terpolarisasi TE dan TM dengan penurunan α dapat dilihat pada Gambar. 6b dan c, masing-masing. Untuk sudut miring α =30°, tidak mungkin untuk menetapkan periode yang lebih kecil karena nanokon p-AlGaN yang terpotong telah dikemas rapat ketika jarak nanorod p-GaN adalah 260 nm. LEE terpolarisasi TE terbesar mencapai 26% saat jaraknya 375 nm, dan α diatur ke 30°. Angka ini 1,44 kali lebih besar dari desain pada Gambar 5a. Lebih diperhatikan bahwa dibandingkan dengan struktur pada Gambar 5a, LEE terpolarisasi TM terbesar untuk desain pada Gambar 6a adalah 12% ketika jaraknya adalah 260 nm dan α diatur ke 30 °, dan jumlah ini meningkat 10 kali lipat. Dibandingkan dengan LED DUV konvensional tanpa struktur mesh, LEE terpolarisasi TE dan TM dapat ditingkatkan lebih dari 5 kali dan 24 kali dengan memanfaatkan desain pada Gambar 6a, masing-masing. Hasil simulasi ini menunjukkan bahwa nanocone terpotong p-AlGaN dengan sudut kemiringan 30° dapat meningkatkan efek hamburan cahaya secara signifikan, terutama untuk cahaya terpolarisasi TM.
a Diagram tampilan samping skema untuk LED DUV flip-chip dengan kontak nanocone terpotong p-GaN nanorod/p-AlGaN hibrid. LEE cahaya terpolarisasi TE (b ) dan cahaya terpolarisasi TM (c ) sebagai fungsi dari jarak nanorod untuk LED DUV, dan strukturnya menggunakan p-GaN setinggi 100 nm dan p-AlGaN setinggi 75 nm (sudut miring diatur ke 30°, 50°, 75° , dan 90°)
Kesimpulan
Singkatnya, dampak dari berbagai struktur kontak bertautan termasuk nanorod p-GaN, nanorod p-GaN/p-AlGaN hybrid, dan nanocone terpotong p-GaN nanorod/p-AlGaN pada LEE untuk LED DUV diselidiki secara rinci. Terbukti bahwa absorpsi lapisan p-GaN dan absorpsi logam Al memainkan peran utama dalam LEE untuk struktur dengan jarak nanorod yang lebih kecil, sedangkan kemampuan hamburan struktur mesh memberikan kontribusi yang mendominasi pada LEE untuk struktur dengan jarak nanorod yang lebih besar. Perlu diperhatikan bahwa, meskipun peningkatan LEE yang sangat nyata untuk cahaya terpolarisasi TE, baik nanorod p-GaN maupun nanorod p-GaN/p-AlGaN hibrida tidak dapat secara signifikan mempromosikan LEE untuk cahaya terpolarisasi TM, yang disebabkan oleh efek hamburan yang sangat buruk pada cahaya dalam pesawat. Oleh karena itu, kami selanjutnya mengusulkan dan membuktikan bahwa LEE untuk cahaya terpolarisasi TM dapat ditingkatkan secara signifikan dengan menggabungkan nanorod p-GaN dan nanocone terpotong p-AlGaN, dan sudut kemiringan yang dioptimalkan ditemukan sebesar 30°. Dibandingkan dengan LED DUV konvensional tanpa struktur mesh, peningkatan 24 kali pada LEE terpolarisasi TM dapat dicapai.
