나노미터 규모 메쉬드 콘택트와 경사진 AlGaN 나노콘을 이용한 딥-UV 플립칩 LED의 광 추출 효율 향상

초록

본 연구에서는 다양한 메쉬드 p형 콘택트 형상을 가진 플립칩 구조의 AlGaN 기반 딥 자외선(DUV) 발광 다이오드(LED)를 조사합니다. 3차원 유한 차분 시간 영역(3D-FDTD) 시뮬레이션을 사용하여 횡전기(TE) 및 횡자기(TM) 광 추출 효율(LEE)이 메쉬 구조의 간격과 기울기에 매우 민감함을 입증합니다. 큰 충진 계수가 p-GaN 흡수, 알루미늄 플라즈모닉 흡수, 메쉬에 의한 산란 등 경쟁적 손실로 인해 LEE를 개선하지 못함을 발견했습니다. 주목할 만한 점은 30° 기울기를 가진 하이브리드 p-GaN 나노로드/p-AlGaN 잘린 나노콘 콘택트가 280 nm 방출에서 TE 및 TM 편광 LEE를 각각 약 5배, 24배 향상시킨다는 것입니다.

서론

AlGaN 기반 DUV LED는 수질 정화, 광치료, 센싱, 광촉매 등에 점점 더 요구되고 있습니다. 그러나 특히 짧은 파장에서 높은 외부 양자 효율(EQE)을 달성하는 것은 여전히 어렵습니다. EQE는 내부 양자 효율(IQE)에 광 추출 효율(LEE)을 곱한 값입니다. 기존 플립칩 DUV LED는 일반적으로 EQE 10% 미만을 제공하는데, 이는 LEE가 7-9%로 제한되기 때문입니다. 275 nm에서 20%의 세계 기록 EQE는 패턴 사파이어, 투명 p-전극, 개선된 패키징 등 고급 LEE 기술로 가능했습니다. 따라서 고효율 DUV LED를 위해서는 LEE 향상이 필수적입니다.

LEE는 AlGaN(n≈2.6)과 공기 사이의 높은 굴절률 대비로 인한 전반사(TIR)와 프레넬 손실로 저하됩니다. 양자 우물의 Al 함량 증가는 TM 편광 방출을 선호하는데, 이는 장치에서 빠져나가기 어렵습니다. LEE 향상 전략으로는 표면 거칠기, 패턴 사파이어, 경사진 측면벽, 플라즈모닉 공명 등이 있으며, 이들은 모두 광자를 재지향하는 산란 중심을 도입합니다. 또 다른 주요 제한은 p-GaN 콘택트 층의 흡수인데, 이는 정공 전도도가 낮아 Al이 풍부한 p-AlGaN으로 쉽게 대체할 수 없습니다. 이 손실을 완화하기 위해 메쉬드 p형 콘택트, 분산 브라그 반사체, 광결정 등이 제안되었습니다. 특히 메쉬드 콘택트는 비용 효율적이며 마이크론 규모에서 가능성을 보였으나, 나노미터 규모 메쉬와 그 산란 영향은 광범위하게 연구되지 않았습니다.

여기서 우리는 나노미터 규모 메쉬드 콘택트 설계와 Al 반사체를 체계적으로 탐구하여 DUV LED의 LEE에 미치는 영향을 평가합니다. p-GaN 나노로드, 하이브리드 p-GaN/p-AlGaN 나노로드, 하이브리드 p-GaN/p-AlGaN 잘린 나노콘을 비교합니다. 3D-FDTD 분석 결과 하이브리드 잘린 나노콘 구조가 TE 광에 대해 5배 이상, TM 광에 대해 24배 향상을 제공할 수 있음을 보여줍니다.

모델 및 시뮬레이션 방법

시뮬레이션은 Maxwell 방정식을 시간 영역에서 푸는 Lumerical FDTD Solution을 사용하여 수행했습니다. 기본 플립칩 모델(그림 1a)은 광자를 사파이어 기판 쪽으로 재지향하는 92% 반사율의 Al 상부 층을 포함합니다. 100 nm p-GaN, 1.5 µm n-AlGaN, 1 µm 사파이어 적층에 100 nm 다중 양자 우물(MQW)이 내장되어 있습니다. MQW 중심에 위치한 단일 쌍극자 소스가 X(TE) 또는 Y(TM) 방향으로 편광되어 280 nm에서 방출을 여기시킵니다. 280 nm에서 흡수 계수는 AlGaN 10 cm⁻¹, MQW 1000 cm⁻¹, GaN 170,000 cm⁻¹입니다. 굴절률은 AlGaN 2.6, GaN 2.9, 사파이어 1.8입니다. 시뮬레이션 영역은 측면 8 µm × 8 µm이며, 상하부에 완벽 정합층(PML)을 적용했습니다. 최소 셀 크기 5 nm의 비균일 메쉬로 정확한 장 분해능을 보장합니다. 사파이어 위 300 nm에 배치된 전력 모니터가 투과 전력을 포착하며, 이는 푸리에 변환되어 원거리장으로 변환됩니다. LEE는 투과 전력과 총 쌍극자 방출의 비율로 계산됩니다.

결과 및 논의

광학 캐비티 두께가 LEE에 미치는 영향

MQW와 Al 반사체 사이의 거리는 p-AlGaN 두께로 제어되며, 이는 LEE를 조절하는 광학 캐비티를 형성합니다. 그림 1b는 이론적 λ/2n≈53 nm와 일치하는 ~50 nm 주기의 진동적 LEE 곡선을 보여줍니다. TE와 TM 피크는 위상이 어긋나 있으며, 이는 프레넬 및 뮬러 행렬 분석으로 예측됩니다. 100 nm p-GaN 층의 존재는 캐비티 효과를 감쇠시키지만, p-GaN이 없는 장치보다 최소 TE/TM LEE가 더 높습니다. 결과적으로 p-GaN 층을 제거하거나 얇게 하면 LEE를 2배 이상 높일 수 있습니다.

메쉬드 p-GaN 콘택트가 LEE에 미치는 영향

p-GaN 흡수를 줄이기 위해 연속 층을 Al 반사체에 매립된 직경 250 nm, 높이 100 nm 나노로드의 정방 배열로 대체했습니다(그림 2a). 최적 p-AlGaN 두께는 125 nm입니다. 나노로드 간 간격은 중요합니다: 간격이 작으면 전류 확산이 개선되지만 p-GaN 충진 계수가 증가하여 흡수가 심화됩니다. 그림 2c에 따르면 TE LEE는 간격 125 nm까지 증가하여 3배 이상 향상된 후, 산란이 지배적이 되어 감소합니다. 이 경향은 GaN 흡수가 0이고 완벽한 전기 도체(PEC) 반사체 모델에서도 확인되어 산란의 역할을 입증합니다.

나노로드 높이가 LEE에 미치는 영향

나노로드 높이를 100 nm에서 25 nm로 줄이면 흡수 감소로 LEE가 증가하지만, 25 nm 이하에서는 Al 반사체가 산란 거동을 지배하여 이점이 포화됩니다(그림 4).

하이브리드 p-GaN/p-AlGaN 메쉬드 콘택트가 LEE에 미치는 영향

p-GaN 나노로드와 함께 p-AlGaN 나노로드를 도입하면(그림 5a) 반사율을 해치지 않으면서 산란을 추가로 향상시킵니다. 다양한 p-AlGaN 높이(0, 25, 75, 100 nm)에 대한 LEE는 모두 순수 p-GaN 구조를 초과하며, 75 nm 경우가 가장 높은 TE LEE를 제공합니다(그림 5b). 원거리장 패턴은 p-AlGaN 나노로드가 있는 장치에서 더 강한 전기장 강도를 확인시켜 줍니다(그림 5c,d).

하이브리드 p-GaN/p-AlGaN 잘린 나노콘이 LEE에 미치는 영향

지속적으로 낮은 TM LEE를 해결하기 위해 p-AlGaN 나노로드를 기울기 각도 α를 가진 잘린 나노콘으로 대체했습니다(그림 6a). α를 감소시키면 TE와 TM LEE 모두 증가합니다. α = 30°에서 TE LEE는 26%(간격 = 375 nm)로 피크를 이루고 TM LEE는 12%(간격 = 260 nm)까지 상승하여 기준 대비 각각 5배, 24배 향상을 나타냅니다. 이는 경사진 나노콘이 TM 산란을 극적으로 개선함을 보여줍니다.

결론

본 포괄적 시뮬레이션 연구는 나노미터 규모 메쉬드 콘택트(p-GaN 나노로드, 하이브리드 p-GaN/p-AlGaN 나노로드, 하이브리드 p-GaN/p-AlGaN 잘린 나노콘)가 딥-UV LED의 LEE를 크게 높임을 확인합니다. 핵심 트레이드오프는 p-GaN 층 흡수와 Al 플라즈모닉 손실 대 산란 이점입니다. 30° 기울기를 가진 하이브리드 잘린 나노콘은 가장 극적인 개선을 달성하여 TM LEE를 24배 증가시키면서 TE LEE 향상을 유지합니다.

약어

3D FDTD:

3차원 유한 차분 시간 영역 법

DBR:

분산 브라그 반사체

DUV LEDs:

딥 자외선 발광 다이오드

EQE:

외부 양자 효율

IQE:

내부 양자 효율

LEE:

광 추출 효율

MQWs:

다중 양자 우물

ODR:

전방향 반사체

PEC:

완벽 전기 도체

PML:

완벽 정합층

TE:

횡전기

TIR:

전반사

TM:

횡자기