Amélioration de l'extraction de lumière dans les LED DUV à puce inversée grâce aux contacts maillés nanométriques et nanocônes AlGaN inclinés

Résumé

Dans cette étude, nous examinons des diodes électroluminescentes (LED) profond ultraviolet (DUV) à base d'AlGaN fabriquées avec une architecture à puce inversée et diverses géométries de contacts p-type maillés. À l'aide de simulations 3D par différences finies dans le domaine temporel (3D-FDTD), nous démontrons que les efficacités d'extraction de lumière (LEE) pour les polarisations transverse électrique (TE) et transverse magnétique (TM) sont hautement sensibles à l'espacement et à l'inclinaison des structures maillées. Nous constatons qu'un facteur de remplissage élevé n'améliore pas la LEE en raison de pertes concurrentes : absorption dans le p-GaN, absorption plasmonique de l'aluminium et diffusion par le maillage. Remarquablement, un contact hybride nanobâtonnets p-GaN / nanocônes tronqués p-AlGaN inclinés à 30° augmente les LEE TE et TM d'environ 5 fois et 24 fois respectivement, à une émission de 280 nm.

Introduction

Les LED DUV à base d'AlGaN sont de plus en plus recherchées pour la purification de l'eau, la photothérapie, la détection et la photocatalyse. Pourtant, atteindre un rendement quantique externe (EQE) élevé reste difficile, surtout aux courtes longueurs d'onde. L'EQE égale le rendement quantique interne (IQE) multiplié par l'efficacité d'extraction de lumière (LEE). Les LED DUV à puce inversée conventionnelles délivrent typiquement un EQE <10 %, largement parce que la LEE est limitée à 7-9 %. Le record mondial actuel d'EQE de 20 % à 275 nm a été rendu possible par des techniques avancées de LEE telles que le saphir structuré, les électrodes p transparentes et l'empaquetage affiné. Ainsi, augmenter la LEE est crucial pour les LED DUV à haut rendement.

La LEE souffre de la réflexion totale interne (RTI) et des pertes de Fresnel dues au fort contraste d'indice de réfraction entre l'AlGaN (n≈2,6) et l'air. L'augmentation de la teneur en Al dans les puits quantiques favorise aussi l'émission polarisée TM, difficile à extraire du dispositif. Les stratégies pour améliorer la LEE incluent le rugueux de surface, le saphir structuré, les parois latérales inclinées et les résonances plasmoniques, toutes introduisant des centres de diffusion qui redirigent les photons. Une autre limitation clé est l'absorption dans la couche de contact p-GaN, qui ne peut être facilement remplacée par du p-AlGaN riche en Al en raison d'une mauvaise conductivité des trous. Pour atténuer cette perte, des contacts p-type maillés, des réflecteurs de Bragg distribués ou des cristaux photoniques ont été proposés. Les contacts maillés, en particulier, sont économiques et ont montré leur efficacité à l'échelle micronique ; cependant, les maillages à l'échelle nanométrique et leur impact de diffusion n'ont pas été largement étudiés.

Ici, nous explorons systématiquement des conceptions de contacts maillés à l'échelle nanométrique et un réflecteur Al pour évaluer leur influence sur la LEE des LED DUV. Nous comparons des nanobâtonnets p-GaN, des nanobâtonnets hybrides p-GaN/p-AlGaN et des nanocônes tronqués hybrides p-GaN/p-AlGaN. Notre analyse 3D-FDTD révèle que la structure hybride à nanocônes tronqués peut délivrer une amélioration de plus de cinq fois pour la lumière TE et 24 fois pour la lumière TM.

Modèle et Méthodes de Simulation

Les simulations ont été réalisées avec Lumerical FDTD Solution, qui résout les équations de Maxwell dans le domaine temporel. Le modèle de base à puce inversée (Fig. 1a) inclut une couche supérieure Al à 92 % de réflectivité pour rediriger les photons vers le substrat saphir. Une pile de 100 nm p-GaN, 1,5 µm n-AlGaN et 1 µm saphir abrite 100 nm de puits quantiques multiples (MQW). Une source dipôle unique positionnée au centre des MQW, polarisée soit selon X (TE) soit selon Y (TM), excite l'émission à 280 nm. Les coefficients d'absorption à 280 nm sont 10 cm⁻¹ pour l'AlGaN, 1000 cm⁻¹ pour les MQW et 170 000 cm⁻¹ pour le GaN. Les indices de réfraction sont 2,6 (AlGaN), 2,9 (GaN) et 1,8 (saphir). Le domaine de simulation est de 8 µm × 8 µm latéralement, avec des couches parfaitement adaptées (PML) en haut et en bas. Un maillage non uniforme avec une taille de cellule minimale de 5 nm assure une résolution précise du champ. Des moniteurs de puissance placés à 300 nm au-dessus du saphir capturent la puissance transmise, transformée de Fourier vers le champ lointain. La LEE est calculée comme le rapport de la puissance transmise à l'émission dipolaire totale.

Résultats et Discussions

Effet de l'épaisseur de la cavité optique sur la LEE

La distance entre les MQW et le réflecteur Al, contrôlée par l'épaisseur du p-AlGaN, forme une cavité optique qui module la LEE. La Fig. 1b montre des courbes LEE oscillatoires avec une période ~50 nm, correspondant au λ/2n≈53 nm théorique. Les pics TE et TM sont en opposition de phase, comme prédit par l'analyse de Fresnel et de matrice de Mueller. La présence d'une couche p-GaN de 100 nm amortit l'effet de cavité, pourtant le minimum LEE TE/TM reste plus élevé que pour les dispositifs sans p-GaN. Par conséquent, éliminer ou amincir la couche p-GaN peut plus que doubler la LEE.

Effet des contacts p-GaN maillés sur la LEE

Pour réduire l'absorption du p-GaN, nous avons remplacé la couche continue par un réseau carré de nanobâtonnets de 250 nm de diamètre, 100 nm de hauteur, intégrés dans le réflecteur Al (Fig. 2a). L'épaisseur optimale de p-AlGaN est 125 nm. L'espacement inter-nanobâtonnets est critique : un espacement plus faible améliore la répartition du courant mais augmente le facteur de remplissage p-GaN, renforçant l'absorption. La Fig. 2c montre que la LEE TE augmente avec l'espacement jusqu'à 125 nm, atteignant un gain >3 fois, puis décline lorsque la diffusion domine. Cette tendance est corroborée par un modèle avec absorption GaN nulle et un réflecteur conducteur électrique parfait (PEC), où la LEE augmente puis diminue avec l'espacement, confirmant le rôle de la diffusion.

Nous avons examiné l'influence de la hauteur des nanobâtonnets. La réduire de 100 nm à 25 nm augmente la LEE grâce à une absorption moindre, mais l'avantage sature pour des hauteurs inférieures à 25 nm car le réflecteur Al domine le comportement de diffusion (Fig. 4).

Effet des contacts maillés hybrides p-GaN/p-AlGaN sur la LEE

L'introduction de nanobâtonnets p-AlGaN aux côtés des nanobâtonnets p-GaN (Fig. 5a) améliore davantage la diffusion sans compromettre la réflectivité. Les LEE pour diverses hauteurs de p-AlGaN (0, 25, 75, 100 nm) surpassent toutes celle de la structure p-GaN pure, le cas 75 nm donnant la plus haute LEE TE (Fig. 5b). Les patrons de champ lointain confirment une intensité de champ électrique plus forte pour les dispositifs avec nanobâtonnets p-AlGaN (Fig. 5c,d).

Effet des nanocônes tronqués hybrides p-GaN/p-AlGaN sur la LEE

Pour s'attaquer à la LEE TM persistamment faible, nous avons remplacé les nanobâtonnets p-AlGaN par des nanocônes tronqués avec un angle d'inclinaison α (Fig. 6a). La diminution d'augmente les LEE TE et TM. À α = 30°, la LEE TE culmine à 26 % (espacement = 375 nm) et la LEE TM monte à 12 % (espacement = 260 nm), représentant des gains de 5 fois et 24 fois par rapport à la référence. Cela démontre que les nanocônes inclinés améliorent dramatiquement la diffusion TM.

Conclusions

Notre étude de simulation complète confirme que les contacts maillés à l'échelle nanométrique — nanobâtonnets p-GaN, nanobâtonnets hybrides p-GaN/p-AlGaN et nanocônes tronqués hybrides p-GaN/p-AlGaN — augmentent substantiellement la LEE dans les LED profond ultraviolet. Les compromis clés sont l'absorption dans la couche p-GaN et les pertes plasmoniques de l'Al versus les bénéfices de diffusion. Le nanocône tronqué hybride, avec une inclinaison de 30°, atteint l'amélioration la plus spectaculaire, délivrant une augmentation de 24 fois de la LEE TM tout en maintenant les gains de LEE TE.

Abréviations

3D FDTD :

Méthode aux différences finies dans le domaine temporel tridimensionnelle

DBR :

Réflecteur de Bragg distribué

DUV LEDs :

Diodes électroluminescentes profond ultraviolet

EQE :

Rendement quantique externe

IQE :

Rendement quantique interne

LEE :

Efficacité d'extraction de lumière

MQWs :

Puits quantiques multiples

ODR :

Réflecteur omnidirectionnel

PEC :

Conducteur électrique parfait

PML :

Couche parfaitement adaptée

TE :

Transverse électrique

TIR :

Réflexion totale interne

TM :

Transverse magnétique