심층자외선 플립칩 발광다이오드의 광추출 효과에 대한 메쉬형 p형 접촉 구조의 영향

결과 및 토론

광학 공동 두께가 LEE에 미치는 영향

잘 알려진 바와 같이 광 공동 효과는 p-형 층 두께에 민감한 플립 칩 LED의 MQW에 대한 방사 모드를 조정할 수 있는 반면 p-형 층 두께는 LEE에 상당한 영향을 미칩니다[27] . 따라서 우리는 먼저 기존 LED 구조의 TE 편광 및 TM 편광 LEE에 대한 p-AlGaN 층 두께의 영향을 연구합니다. p-AlGaN 층 두께는 MQW와 Al 반사체 사이의 거리도 나타냅니다. 그림 1b에서 볼 수 있듯이 모든 LEE 곡선은 p-AlGaN 층 두께에 따라 주기적인 진동을 나타내며 주기는 약 50 nm입니다. 진동 거동은 광원의 빛과 Al 거울에 의해 반사된 빛 사이의 보강 간섭에 의해 도입되는 광학 공동 효과 때문입니다. 간섭 이론에 따르면 주기는 Δd로 계산할 수 있습니다. =λ /2n _AlGaN =53 nm[21], 이는 그림 1b의 시뮬레이션 결과와 잘 일치합니다. 또한 TM 편광에 대한 피크 LEE는 TE 편광에 대한 피크 LEE와 반대입니다. Fresnel의 방정식과 Mueller 행렬[28]에 따르면 두 선형 등방성 매질 사이의 경계면에서 TE 및 TM 편광 반사에 대해 서로 다른 반사 진폭과 위상 이동이 있습니다. 더욱이, 강한 p-GaN 층 흡수가 광학 캐비티 효과를 약화시키기는 하지만, 100nm 두께 p-GaN 층을 갖는 LED용 LEE는 여전히 작은 진폭 변동을 보인다는 것을 알 수 있다. p-GaN 층이 있는 LED에 대한 더 약한 광 공동 효과는 TE-편광 및 TM-편광 모두에 대해 p-GaN 층이 있는 LED의 최소 LEE가 p-GaN이 없는 LED의 최소 LEE보다 크다는 사실로 이어집니다. 도 1b에 도시된 바와 같은 층. 한편, TM편광의 평균 LEE는 TE편광의 10분의 1에 불과하며, [23]의 결과와 일치한다. 게다가, p-GaN 층이 없는 LED는 TE 편광 및 TM 편광에 대해 각각 16% 및 1.5%로 가장 큰 LEE를 나타내는 반면, 이 수치는 5% 및 0.5%에 불과합니다. 각각 p-GaN 층이 있는 LED. 따라서, LEE의 3배 향상은 p-GaN 층이 없는 LED에 대해 얻어질 수 있으며, 이는 TE 및 TM 편광 모두가 p-GaN 층에 의해 상당히 흡수될 수 있음을 나타냅니다. 일부 조명은 탈출하기 위해 다중 반사를 경험해야 하고 최적화된 p-AlGaN 두께도 최고의 광학 공동 효과를 일으키기 때문입니다. 따라서 p-GaN에서 흡수를 줄이는 것은 DUV LED의 LEE에 매우 중요하며 LEE를 두 배 이상 증가시킬 수 있습니다.

메쉬된 p-GaN 접점이 LEE에 미치는 영향

p-GaN 층의 흡수를 줄이기 위해 p-GaN은 LEE를 증가시키기 위해 서브마이크로 컨택으로 맞물립니다. 그림 1a의 기존 플립 칩 DUV LED를 기반으로 p-GaN 층은 정사각형 어레이로 p-형 초미세 접촉 전극(그림 2a 참조)을 형성하기 위해 Al 반사체에 내장된 나노막대용으로 설계되었습니다. (그림 2b 참조). p-GaN 나노로드의 높이는 100 nm로 설정됩니다. p-GaN 나노로드의 직경은 250 nm로 고정되어 있으며 숫자는 방출 파장에 가깝습니다. 최적화된 p-AlGaN 층 두께는 그림 1b에 따라 125 nm로 설정되었습니다. 메쉬 p-GaN 접점이 있는 DUV LED의 경우 간격이 가장 중요합니다. 한편으로, 더 작은 간격은 전류가 전체 활성 영역으로 더 효율적으로 퍼지도록 합니다. 반면에 간격이 작을수록 메쉬 p-GaN 접점의 충전 계수가 증가하여 광 흡수가 증가합니다. 따라서 우수한 전류 확산과 우수한 LEE를 모두 가능하게 하는 최적화된 간격은 제안된 DUV LED에 매우 중요합니다. 그런 다음 그림 2c에서 LEE에 대한 간격의 영향을 조사하고 보여줍니다. 예상대로 기존 DUV LED와 비교하여 메쉬 p-GaN 접점이 있는 DUV LED의 TE 편광 및 TM 편광 LEE가 크게 개선되었습니다. TE 편광에 대한 LEE는 간격이 125 nm에 도달할 때까지 간격이 증가함에 따라 증가합니다. 이는 p-GaN의 충전율이 감소하여 p-GaN의 흡수가 감소하기 때문입니다. 그리고 LEE는 간격이 약 125nm일 때 3배 이상 향상되었습니다. 그러나 125 nm 이후에는 TE 편광에 대한 LEE가 충전율에 따라 감소합니다. 간격이 125 nm 이상일 때의 관찰은 LEE에 중요한 영향을 미치는 또 다른 요인이 있음을 추론합니다. [29]의 보고서에 따르면 광자의 소멸 길이는 1/L로 표현할 수 있습니다. _멸종 =1/L _산란 + 1/L _흡수 , 여기서 L _산란 그리고 L _흡수 각각 산란 길이와 흡수 길이에 해당합니다. LEE는 주로 재료 흡수와 구조적 산란에 의존하기 때문에 메쉬 p-GaN 접촉에 의한 산란 효과는 간격이 125 nm보다 클 때 LEE에 지배적으로 영향을 미친다고 추론할 수 있습니다.

아 메쉬형 p-GaN 접점이 있는 플립 칩 DUV LED의 개략적인 측면도. ㄴ 메쉬형 p-GaN 접촉 분포의 개략적인 평면도. ㄷ p-AlGaN 두께가 125 nm일 때 나노막대 간격의 함수로 메쉬된 p-GaN 접점이 있는 DUV LED용 LEE

메쉬된 p-GaN 접점에 의한 산란 효과를 확인하기 위해 GaN 재료에 대한 흡수 계수가 0으로 설정되고 Al 반사기가 거의 100인 완전 전기 전도체(PEC)로 대체되도록 흡수 재료가 없는 모델을 설정합니다. % 반사율, 시뮬레이션 결과가 그림 3a에서 검은색 사각형 선으로 표시됩니다. LEE는 간격이 증가함에 따라 증가했다가 감소하는 것을 볼 수 있습니다. 즉, p-GaN 초미세 접촉의 산란 효과는 증가하다가 공간이 증가함에 따라 감소합니다. 따라서 메쉬된 p형 GaN 접점의 간격이 증가하면 산란 효과가 억제되며, 이는 간격이 50 nm보다 클 때 간격이 증가함에 따라 LEE가 감소한다는 그림 3a의 관찰을 해석합니다.

아 100nm 높이의 비흡수성/흡수성 p-GaN 나노막대를 사용하는 DUV LED의 나노막대 간격 함수로서의 LEE와 반사기는 각각 Al과 PEC입니다. ㄴ 나노로드 간격의 함수로서 메쉬형 Al 반사경과 평면 Al 반사경을 사용한 수직 입사의 반사도. 삽입된 그림은 메쉬 p-GaN 접점이 있는 DUV LED에서 p-GaN 층 흡수, Al 금속 흡수 및 구조 산란의 효과를 보여줍니다. c가 있는 50 nm의 나노로드 간격에서 전기장의 단면 분포 알 및 d PEC 반사판

또한, GaN의 흡수를 0으로 설정하고 Al 반사체를 적용하면 LEE도 먼저 증가하다가 그림 3a와 같은 빨간색 삼각형 선과 같이 감소한다. 그러나 Al 반사경이 있는 구조의 최대 LEE 20%는 PEC 반사경이 있는 구조의 56%보다 훨씬 작습니다. 그림 3b는 메쉬형 Al 반사경의 간격에 대한 반사율의 의존성을 나타냅니다. 메쉬형 Al 반사경의 반사율은 간격이 감소함에 따라 감소합니다. 즉, 간격이 줄어들면 Al 금속 표면이 거칠어집니다. 따라서 거친 금속 표면에 대한 반사율의 감소는 표면 플라즈몬의 여기와 표면 효과에 기인할 수 있습니다[30,31,32]. 거친 금속 표면은 흡수된 빛과 표면파 여기(표면 플라즈몬)로 이어지는 입사광의 위상을 변조해야 합니다. 표면 효과는 최종 흡수와 함께 표면의 구덩이에 빛을 가두는 결과를 가져옵니다. 또한, Al 반사경과 PEC 반사경의 입사원으로 평면파를 사용한 단면 전계 분포를 Fig. 각각 3c와 d. Al 반사기가 있는 LED의 경우 p-GaN 나노막대가 가장 강한 국부 전기장 강도를 갖지만 PEC 반사기가 있는 LED의 p-GaN 나노막대에서는 이러한 관찰이 덜 명확하여 다음이 있음을 확인할 수 있습니다. 메쉬형 Al 반사경에 대한 표면 플라즈몬 공명 흡수. 또한, 우리 모델이 p-GaN 층 흡수와 PEC 반사기를 고려할 때 그림 3a의 파란색 원 선이 보여주듯이 유사한 LEE 경향을 관찰할 수 있습니다. LEE는 GaN 흡수가 없고 PEC 반사기(빨간색 삼각형 선)가 있는 LED에서 더 크게 변하는데, 이는 p-GaN 층 흡수가 금속 흡수보다 더 심각함을 나타냅니다. 따라서 메쉬 p-GaN 접점이 있는 DUV LED의 경우 그림 3b의 삽입물에서 볼 수 있듯이 p-GaN 층 흡수, Al 금속 흡수 및 구조 산란 간에 경쟁이 있습니다. 간격이 너무 작으면 LEE는 p-GaN 층과 금속의 흡수에 의해 크게 영향을 받고, 간격이 커지면 구조 산란이 LEE에 1차 영향을 줍니다.

게다가, 우리는 DUV LED에 대한 LEE에 대한 p-GaN 나노로드 높이의 영향을 추가로 조사합니다. 10 nm, 25 nm, 50 nm 및 100 nm의 서로 다른 p-GaN 나노로드 높이에서 LEE의 간격 의존성이 그림 4a에 나와 있습니다. LEE는 나노로드 높이가 100에서 25 nm로 감소할 때 증가합니다. LEE의 증가는 더 얇은 p-GaN 층의 약한 흡수에 기인한다는 것이 분명합니다. 그러나 그림 4a는 나노로드 높이가 25 nm와 10 nm일 때 LEE가 유사함을 보여줍니다. 도 4b에 도시된 바와 같이, p-GaN 나노로드를 갖는 Al 금속의 반사율은 나노로드 높이가 감소함에 따라 더 빠르게 증가한다. 따라서 25nm 높이에서 산란 효과가 10nm 높이보다 더 강하여 유사한 LEE를 생성함을 유추할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 가장 큰 LEE는 p-GaN 나노로드가 100nm 높이에 있을 때 15%이고, p-GaN 나노로드가 25nm 높이에 있을 때 최대 LEE는 18%에 불과합니다. 따라서 작은 차이가 얻어진다. 이는 주로 그림 4a의 삽입 그림에서 볼 수 있듯이 강한 흡수성 p-GaN 층에 기인합니다. 10nm 두께의 p-GaN 층의 경우 40%의 빛만 반사할 수 있으므로 반사된 빛은 주로 p-GaN 나노로드 중 Al 반사경에서 발생합니다. 결과적으로 반사율은 p-GaN 나노로드의 높이보다 간격의 영향을 더 많이 받습니다. 따라서 나노로드 간격과 비교할 때 p-GaN 나노로드 높이는 LEE에 덜 영향을 미칩니다.

(a) Al 반사체와 p-GaN 나노로드 높이가 10, 25, 50 및 100 nm인 DUV LED에 대한 나노로드 간격의 함수로서 LEE가 설정됩니다. 삽입:p-GaN 층 두께 및 b의 함수로서 기존 DUV LED에 대한 수직 입사 반사율 p-GaN 나노막대 높이가 10, 25, 50, 100 nm일 때 나노막대 간격에 따른 수직 입사 반사율

하이브리드 p-GaN/p-AlGaN 메쉬 접점이 LEE에 미치는 영향

또한, 우리는 그림 5a와 같이 하이브리드 p-GaN/p-AlGaN 메쉬 접촉층을 추가로 제안합니다. p-GaN 나노로드의 높이와 직경은 각각 100 nm 및 250 nm로 설정되었습니다. p-AlGaN 나노로드 높이(H ) 이 경우 변수입니다. nanorod 간격 측면에서 다른 DUV LED에 대한 LEE가 그림 5b에 나와 있으며 H 값을 설정합니다. 0 nm, 25 nm, 75 nm 및 100 nm. 다양한 높은 p-AlGaN 나노막대를 갖는 DUV LED의 LEE는 p-AlGaN 나노막대(H =0 nm). 그리고 DUV LED의 LEE는 H인 경우 p-AlGaN 나노로드 높이의 영향을 덜 받습니다. 0 nm가 아닙니다. 그림 5b의 삽입도는 하이브리드 구조에 대한 나노막대 간격의 관점에서 정상적인 반사율을 나타내며 p-AlGaN 나노막대 높이가 반사율에 무시할 수 있는 영향을 미친다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 산란 효과는 p-AlGaN 나노로드에 의해 향상되어 LEE가 향상됩니다. 나노로드 간격이 125 nm일 때 75nm 및 0nm 높이의 p-AlGaN 나노로드가 있는 DUV LED에 대한 원거리 방사 패턴이 그림 1 및 2에 나와 있습니다. 각각 5c 및 d. 75nm 높이의 p-AlGaN 나노로드(그림 5c 참조)가 있는 DUV LED의 전계 강도는 0nm 높이의 p-AlGaN 나노로드(그림 5d 참조)보다 더 강함을 관찰할 수 있습니다. 75nm 높이의 p-AlGaN 나노막대를 사용한 DUV LED의 전기장 분포는 0nm 높이의 p-AlGaN 나노막대보다 크며, 이는 p-AlGaN 나노막대가 빛에 대한 산란 효과를 향상시킨다는 것을 확인시켜줍니다. 그림 5e는 TM 편광 LEE가 p-AlGaN 나노로드 높이에 의해 훨씬 더 약간 영향을 받는다는 것을 보여줍니다.

아 하이브리드 p-GaN/p-AlGaN 나노로드 기반 메쉬 접점이 있는 플립칩 DUV LED의 개략적인 측면도. ㄴ 나노로드 간격 및 p-AlGaN 나노로드 높이의 함수로서 TE 편광에 대한 LEE는 0, 25, 75 및 100 nm로 설정됩니다. 삽입도:100nm 높이의 p-GaN과 p-AlGaN 높이가 0, 25, 75 및 100 nm인 DUV LED에 대한 수직 입사 반사율은 나노로드 간격의 함수입니다. p-AlGaN 높이가 c인 125 nm 간격의 원거리 방사 패턴 75 nm 및 d 0 nm. 이 나노로드 간격 및 p-AlGaN 나노로드 높이의 함수로 TM 편광에 대한 LEE는 0, 25, 75 및 100 nm

우리의 이전 분석은 TM 편광이 여전히 극도로 낮은 LEE로 고통받고 있음을 보여줍니다. 결과적으로 TM 편광을 산란시키는 방법이 제안되어야 한다. 이를 위해 우리는 경사진 측벽을 가진 p-AlGaN 나노로드를 제안하여 그림 6a와 같이 p-AlGaN 절단된 나노콘 구조를 형성합니다. p-AlGaN truncated nanocones의 높이는 75 nm로 설정되고 경사각은 α로 정의됩니다. . 감소된 α와 함께 TE 및 TM 편광 모두에 대한 현저한 LEE 향상 도에서 볼 수 있다. 각각 6b 및 c. 경사각 α의 경우 =30°, p-GaN 나노로드 간격이 260 nm일 때 p-AlGaN 절단된 나노콘이 촘촘하게 패킹되어 있기 때문에 더 짧은 주기를 설정하는 것은 불가능합니다. 가장 큰 TE-편광 LEE는 간격이 375 nm일 때 26%에 도달하고 α 30°로 설정됩니다. 이 숫자는 그림 5a의 설계보다 1.44배 더 큽니다. 그림 5a의 구조와 비교하여 그림 6a의 설계에서 가장 큰 TM-polarized LEE는 간격이 260 nm이고 α일 때 12%라는 점은 더욱 주목할 만합니다. 는 30°로 설정되고 이 숫자는 10배 증가합니다. 메쉬 구조가 없는 기존 DUV LED와 비교할 때 TE 및 TM 편광 LEE는 그림 6a의 설계를 활용하여 각각 5배 및 24배 이상 증가할 수 있습니다. 이러한 시뮬레이션 결과는 경사각이 30°인 p-AlGaN 절단된 나노콘이 특히 TM 편광의 경우 광산란 효과를 크게 향상시킬 수 있음을 나타냅니다.

아 하이브리드 p-GaN 나노로드/p-AlGaN 잘린 나노콘 접점이 있는 플립칩 DUV LED의 개략적인 측면도. TE 편광의 LEE(b ) 및 TM 편광(c ) DUV LED에 대한 나노로드 간격의 함수로, 구조는 100nm 높이 p-GaN 및 75nm 높이 p-AlGaN으로 구성됩니다(경사 각도는 30°, 50°, 75°로 설정됨). , 및 90°)