Преодоление фундаментальных ограничений эффективности извлечения света глубокими ультрафиолетовыми светодиодами за счет использования поперечно-магнитно-доминантного излучения

  1. Сильное излучение боковых стенок светодиодов DUV на основе AlGaN По сути, свет, генерируемый излучательной...
  2. SEE DUV LEDs: производительность устройства
  3. Будущие перспективы

Сильное излучение боковых стенок светодиодов DUV на основе AlGaN

По сути, свет, генерируемый излучательной рекомбинацией электронов зоны проводимости (CB) с дырками VB, описывается золотым правилом Ферми, где поляризация генерируемого света определяется состояниями CB и состояниями VB, участвующими в переходе. Coldren и Corzine 26 показал, что общая скорость спонтанного излучения R sp определяется как

Coldren и Corzine   26   показал, что общая скорость спонтанного излучения R sp определяется как

Здесь C - это постоянная, которая включает в себя площадь активной области, толщину и плотность носителей, E 21 - энергия перехода, h - постоянная Планка, v 21 - частота генерируемого света, ρ r - приведенная плотность f 1 и f 2 - распределения Ферми – Дирака для электронов и дырок, и Здесь C - это постоянная, которая включает в себя площадь активной области, толщину и плотность носителей, E 21 - энергия перехода, h - постоянная Планка, v 21 - частота генерируемого света, ρ r - приведенная плотность f 1 и f 2 - распределения Ферми – Дирака для электронов и дырок, и   является элементом матрицы перехода, определяемым как является элементом матрицы перехода, определяемым как

Здесь C - это постоянная, которая включает в себя площадь активной области, толщину и плотность носителей, E 21 - энергия перехода, h - постоянная Планка, v 21 - частота генерируемого света, ρ r - приведенная плотность f 1 и f 2 - распределения Ферми – Дирака для электронов и дырок, и   является элементом матрицы перехода, определяемым как

где F 1 и F 2 - функции огибающей несущих, а uc и u v - функции Блоха CB и VB соответственно. Семестр где F 1 и F 2 - функции огибающей несущих, а uc и u v - функции Блоха CB и VB соответственно представляет правило выбора поляризации, определяющее допустимое направление поляризации света испускаемого света. Передача импульса между CB и VB вдоль трех основных векторов направленной единицы, , , определяет направление электрического поля (направление поляризации). Таким образом, симметрия CB и VB является фактором, определяющим поляризацию.

Функция Блоха для состояний вблизи CB-ребра при k = 0 имеет те же характеристики симметрии, что и Функция Блоха для состояний вблизи CB-ребра при k = 0 имеет те же характеристики симметрии, что и   ,  Между тем все VB, включая полосу тяжелых дырок (HH), полосу легких дырок (LH) и полосу CH в этих максимумах, имеют симметрию P-орбиталей , Между тем все VB, включая полосу тяжелых дырок (HH), полосу легких дырок (LH) и полосу CH в этих максимумах, имеют симметрию P-орбиталей. И HH, и LH обладают двумя P-подобными орбитальными функциями, а также в плоскости c вдоль осей a и b , а полоса CH имеет подобные государства. Следовательно, направление поляризации света определяется симметрией самого верхнего VB. Энергия отрыва кристаллического поля (CR) определяет самое верхнее состояние среди трех VB. 27 Когда CR положительный, самый верхний VB является полосой HH, и он преобразуется в полосу CH, когда CR становится отрицательным. фигура 2 показаны дисперсионные соотношения VB для c- плоскости GaN, Al0.4Ga0.6N и AlN, рассчитанные по гамильтоновой матрице эффективной массы 6 × 6 для структуры вюрцита на основе теории k · p-возмущений, выведенной Чуангом и Чангом , 28 Из-за положительного значения CR верхний VB GaN является полосой HH ( Рисунок 2а ), базисная функция которой представляет собой линейную комбинацию орбитальных волновых функций P X - и P Y. Напротив, из-за отрицательного Δ CR верхний VB AlN является полосой CH, чья базисная функция сильно отражает P Z -орбитальную волновую функцию, как показано в Рисунок 2с , Рассматривая передачу импульса между CB и VB на основе их симметрии волновой функции, GaN и AlN преимущественно генерируют поляризованный свет в плоскости (TE) и поляризованный свет вне плоскости (TM) соответственно, тогда как AlGaN обладает промежуточным свойством. Для объемного Al x Ga1 − x N знак CR меняется с положительного на отрицательный, когда x становится больше 0,25. 13 Для светодиодов AlGaN MQW DUV этот переход происходит при содержании Al выше 0,25 из-за эффекта квантового ограничения и деформации в КЯ. Для DUV-светодиодов AlGaN, выращенных на сапфире, переход обычно происходит на длине волны приблизительно 295 нм, что соответствует содержанию Al приблизительно 35%. 29 Таким образом, AlGaN с высоким содержанием Al больше напоминает AlN, чем GaN и, следовательно, генерирует преимущественно TM-поляризованный свет. Рассчитанная структура VB Al0.4Ga0.6N, использованного в качестве активного слоя для светодиода DUV с длиной волны 285 нм, показана в Рисунок 2b , Самым верхним VB из Al0.4Ga0.6N является полоса CH, поэтому ожидается, что светодиод DUV 285 нм, изготовленный в этом исследовании, будет генерировать преимущественно TM-поляризованный свет. Коэффициент поляризации ( I TE - I TM) / ( I TE + I TM) светодиода DUV с длиной волны 285 нм измеряется равным 0,067, что указывает на сильную TM-поляризацию ( Дополнительный Рис. S4 ), в соответствии с ожиданиями и предыдущим отчетом. 29

Рисунок 3 показывает усредненный по времени поток мощности, излучаемый дипольными источниками. Рисунок 3а диаграмма направленности одиночного электрического диполя, окруженного воздухом Его дипольный момент находится вдоль оси Y. На рисунке ясно видно, что анизотропное излучение с распространением света, перпендикулярным направлению дипольного момента, т. Е. Ось х в этом расчете, намного сильнее, чем излучение в направлениях, параллельных дипольному моменту. Когда есть два некогерентных дипольных источника, направления дипольного момента которых ортогональны, то есть один электрический диполь находится вдоль оси x , а другой диполь находится вдоль оси y , генерируется изотропное излучение света, как показано на Рисунок 3b , На основе приближения дипольного излучения 30 описывается

Рисунок 3Рисунок 3

Дипольная эмиссия. Диаграмма излучения, смоделированная COMSOL multiphysics, состоит из ( a ) одного электрического дипольного источника, дипольный момент которого находится вдоль оси y, и ( b ) двух некогерентных дипольных источников, направления дипольного момента которых ортогональны, то есть один электрический диполь находится вдоль оси x ось, и другой диполь находится вдоль оси Y. В случае ( а ) один электрический диполь генерирует анизотропный свет, перпендикулярный его направлению дипольного момента, но в случае ( b ) два некогерентных диполя генерируют изотропный свет.

В случае ( а ) один электрический диполь генерирует анизотропный свет, перпендикулярный его направлению дипольного момента, но в случае ( b ) два некогерентных диполя генерируют изотропный свет

характеристики эмиссии GaN и AlN могут быть предсказаны. Для GaN рекомбинация в полосе HH аппроксимируется двумя некогерентными дипольными источниками, выровненными вдоль x- и y- направлений, в соответствии с симметрией полосы HH. Следовательно, генерируется преимущественно изотропный TE-поляризованный свет. Тем не менее, излучение AlN можно рассматривать как результат одиночного дипольного источника, выровненного вдоль z- направления из-за P Z -орбитальной симметрии полосы CH. Таким образом, излучение AlN сильно анизотропно и TM-поляризовано, поэтому излучение в c- плоскости намного сильнее, чем в перпендикуляре c- плоскости.

SEE DUV LEDs: геометрия устройства

Рисунок 4а показывает изображение сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) полосчатых светодиодов SEE DUV с 45 мезами (более яркие полосы на снимке СЭМ). Восстановленные полосы n-GaN, покрытые омическим контактом и Al-отражателем, существуют между мезами (более темные полосы на снимке SEM). Другие светодиоды SEE DUV, имеющие другое количество полос, показаны на Дополнительная информация S5 , Рисунок 4b представляет собой СЭМ-изображение в поперечном сечении типичных возобновленных полос n-GaN, и оно имеет трапециевидную форму, то есть геометрию с широким дном и узким верхом, для отражения DUV-фотонов, излучаемых из боковых стенок мезы вверх. Наклонная грань соответствует Рисунок 4а   показывает изображение сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) полосчатых светодиодов SEE DUV с 45 мезами (более яркие полосы на снимке СЭМ) фасет, который обычно получается, когда маска окна находится вдоль на самолете. 25 Периметр мезоструктур с активными полосками, активной области и n-области контакта светодиодов SEE DUV, имеющих различное число полос, суммированы в Таблица 1 ,

SEE DUV LEDs: производительность устройства

Рисунок 5а показывает относительную выходную мощность света (LOP) контрольного и SEE DUV-светодиодов при токе инжекции 100 мА с различным количеством мезаполос, измеренных в нормальном направлении поверхности (на оси c ) с использованием Si-фотодиода. Обратите внимание, что измерения LOP и вольт-амперной характеристики были выполнены в импульсном режиме, чтобы исключить тепловой эффект, обусловленный геометрией светодиодов SEE DUV, который может эффективно уменьшить боковое скопление тока. 8 , 31 , 32 , 33 (см. LOP как функцию тока впрыска в Дополнительный Рис. S6 ). Открытая площадь боковой стенки активной области MQW может быть количественно определена по периметру мез полосок, поскольку эта площадь является периметром активной мез полоски, умноженной на общую толщину квантовых ям, которая является постоянной для всех образцов. LOP увеличивается при увеличении периметра активной мезы как для эталонного, так и для SEE DUV-светодиодов, что объясняется двумя причинами. Во-первых, DUV-фотоны эффективно извлекаются через открытую боковую стенку MQW. Во-вторых, вероятность повторного поглощения в активной области и слое формирования контакта p-GaN становится меньше за счет увеличения числа полос, т. Е. За счет увеличения периметра активных полос, поскольку длина пробега фотонов DUV до извлечения становится короче По сравнению с эталонными светодиодами с одинаковым количеством полосок светодиоды SEE DUV показывают более высокие LOP, поскольку часть испускаемых DUV-фотонов через боковые стенки с большей вероятностью реабсорбируется MQW и слоем формирования контакта p-GaN соседних мезаполос в контрольных светодиодах, которые должны отражаться Al отражателями в светодиодах SEE DUV. Отражение извлеченных DUV-фотонов на Al-зеркалах, увеличивающее LOP в нормальном направлении поверхности по сравнению с эталонным светодиодом без Al-зеркал, будет дополнительно обсуждено позже с зависимым от угла результатом LOP.

Рисунок 5Рисунок 5

LOP и LEE. LOP контрольных светодиодов и светодиодов SEE DUV измеряются в нормальном направлении поверхности при токе инжекции 100 мА как функция ( а ) периметра активной области и активной области. ( b ) Нормализованные EQE, IQE и LEE различных светодиодов SEE DUV. DUV, глубокий ультрафиолет; EQE - внешняя квантовая эффективность; IQE, внутренняя квантовая эффективность; Светодиод, светодиод; LEE - эффективность извлечения света; LOP, выходная мощность света; СМОТРИТЕ, усиление боковых выбросов.

Рисунок 5б показывает нормированные EQE, внутреннюю квантовую эффективность (IQE) и LEE светодиодов SEE DUV в зависимости от периметра активной области ( Дополнительный рис. S7 для деталей расчета). По мере увеличения периметра активной мезы IQE уменьшается из-за снижения эффективности, т. Е. Снижения IQE с увеличением плотности тока инжекции. Светодиоды SEE DUV с более длинным периметром активной мезы имеют меньшую активную площадь и более высокую плотность тока при том же токе инжекции и, таким образом, больше страдают от падения IQE. Несмотря на небольшое снижение IQE, EQE увеличивается при увеличении периметра из-за значительного улучшения в LEE.

Рисунок 5а также показывает относительные LOPs контрольного и SEE DUV светодиодов как функции активной мезообласти. Интересно, что LOP обоих светодиодов DUV уменьшается при увеличении площади активной мезы, что можно объяснить следующим образом: площадь активной области обратно пропорциональна периметру для одного и того же размера устройства (1 × 1 мм2, Таблица 1 ), демонстрируя, что усиление извлечения DUV-фотонов путем увеличения периметра боковой стенки MQW-мез гораздо более эффективно, чем увеличение активной площади, где генерируются DUV-фотоны. Кроме того, эффективная активная область, где электроны и дырки рекомбинируют для генерации фотонов DUV, может отличаться от геометрической активной области, особенно для устройств, управляемых боковым потоком носителей через омические контакты и активный слой между ними. Эффективная площадь может быть определена количественно по длине передачи ( L T) несущих. 7 Из-за низкой концентрации носителей и низкой подвижности носителей AlGaN L T ограничивается максимум несколькими десятками микрон, в зависимости от омического контактного сопротивления ( Дополнительный рис. S8 ). Следовательно, светодиоды, имеющие больше мезаполос и меньшей ширины, то есть меньшую геометрическую активную меза-область, обладают большей эффективной активной меза-областью и, следовательно, показывают улучшенную LOP. Таким образом, мы ожидаем, что LOP может быть дополнительно улучшен путем введения более узких мезоструктур для большей площади боковой стенки. Условия получения оптимального LOP будут обсуждаться в разделе «Перспективы на будущее».

Зависимые от угла LOPs контрольного и SEE DUV-светодиодов исследуются, чтобы подтвердить влияние включения Al-зеркала на направленность извлеченных DUV-фотонов, как показано на Рисунок 6 , Во-первых, сильное излучение светодиода DUV в боковой стенке отражается на диаграмме излучения эталонного светодиода DUV. Излучение света под углом 30 ° больше, чем под другими углами, и согласуется с диаграммой излучения светодиода AlN c- плоскости. 11 , 12 Напротив, диаграмма излучения светодиода SEE DUV аналогична диаграмме излучения обычного светодиода GaInN c- плоскости. Эмиссия в направлении поверхности-норма, 90 °, значительно увеличивается, в то время как эмиссия под углами ниже, чем приблизительно 50 °, уменьшается. Это связано с отражением двойного света зеркалом Al. На основе геометрии чипа SEE DUV LED ( Дополнительный Рис. S9 ) Ожидается, что DUV-свет, излучаемый под углом ниже приблизительно 45 °, блокируется и отражается алюминиевым зеркалом. Таким образом, наблюдаемая в эксперименте улучшенная (уменьшенная) LOP под углом выше (ниже), чем приблизительно 50 °, может быть понята по геометрии Al-зеркала.

Рисунок 6

Зависимый от угла LOP. Типичный зависимый от угла LOP контрольного светодиода и светодиода SEE DUV, имеющий 45 активных мезаполос. Контрольный светодиод показывает сильное излучение боковой стенки с максимальным LOP под углом 30 °. Светодиод SEE DUV демонстрирует значительно улучшенное поверхностное нормальное излучение благодаря отражению от алюминиевых зеркал. DUV, глубокий ультрафиолет; Светодиод, светодиод; LOP, выходная мощность света; СМОТРИТЕ, усиление боковых выбросов.

Типичные вольт-амперные характеристики ( I - V ) светодиода SEE DUV и эталонного светодиода с 45 полосами показаны на Рисунок 7а , Улучшенные электрические свойства наблюдаются в светодиоде SEE DUV, рабочее напряжение которого составляет 7,55 В при токе инжекции 100 мА, что на 0,25 В ниже, чем у контрольного светодиода. Рабочие напряжения при 100 мА для полосовых светодиодов SEE DUV и эталонных светодиодов приведены в Рисунок 7б как функция периметра активной мезы. Как для светодиодов SEE DUV, так и для эталонных светодиодов рабочее напряжение уменьшается с увеличением периметра, т. Е. С увеличением площади n-контакта ( Таблица 1 ). Кроме того, светодиоды SEE DUV показывают более низкое рабочее напряжение, чем эталонный светодиод, что объясняется двумя причинами: (i) лучшее формирование омического контакта на восстановленном GaN n-типа, чем на AlGaN n-типа, и (ii) больший омический контакт площадь в светодиодах SEE DUV, чем в эталонных светодиодах, из-за трехмерной геометрии восстановленных микроструктур GaN n-типа. Эти наблюдения также подразумевают, что более узкая структура мезаполосы может не только увеличить LEE светодиода SEE DUV, но также может снизить рабочее напряжение за счет использования лучшего n-контакта с большей площадью контакта.

Рисунок 7

Электрические свойства. ( a ) Репрезентативные ВАХ эталонного DUV-светодиода и SEE DUV-светодиода, имеющих 45 активных мега-полос, и ( b ) рабочее напряжение при 100 мА в зависимости от периметра активной мезы. Светодиоды SEE DUV демонстрируют лучшие ВАХ и пониженное рабочее напряжение из-за лучшего омического контакта, сформированного на восстановленном n-GaN, и большей площади омического контакта, чем у эталонного светодиода, из-за трехмерной формы восстановленного n- GaN. DUV, глубокий ультрафиолет; Светодиод, светодиод; СМОТРИТЕ, усиление боковых выбросов.

Будущие перспективы

Мы продемонстрировали новую технологию усиления LEE для светодиодов AlGaN DUV, воспользовавшись преимуществом их сильного излучения ТМ-поляризованной боковой стенки. Основываясь на текущем исследовании, есть много возможностей для дальнейшего улучшения LOP и электрических свойств, а также управляемости диаграммы направленности излучения не только для светодиодов DUV с верхним излучением, но и для светодиодов SEE DUV с нижним излучением с конфигурацией с перевернутой микросхемой, где геометрия отражателя должна быть изменена, чтобы способствовать излучению к подложке.

В соответствии с Рисунок 5а количество экстрагируемого света может быть дополнительно увеличено путем экспонирования большей площади боковых стенок MQW-мез путем использования более узких структур мез полосок с уменьшенной шириной и большим числом полос. Тем не менее, будет максимальная ширина мезаполос для максимальной LOP без проблем с надежностью, которые могут быть вызваны высокой плотностью тока при использовании очень узких полос. Предполагается, что оптимальная ширина мезы полос составляет 2 L T, где L T - эффективная ширина мезы, в пределах которой большинство носителей проходят через активную область, таким образом определяя эффективную область излучения света. 7 Следовательно, при ширине мезаполосы около 2 L T эффективная активная область совпадает с геометрической активной областью, так что вся активная меза область может излучать свет равномерно без проблемы скученности тока и локализованного излучения. Кроме того, такие оптимальные светодиоды SEE DUV с узкими полосами должны снижать рабочее напряжение, а также повышать LEE, поскольку площадь n-контакта увеличивается с увеличением числа полос.

Между тем экспериментально подтверждено, что испускающие DUV-фотоны отражаются Al-зеркалом, и диаграмма излучения светодиода SEE DUV сильно отличается от диаграммы направленности эталонного светодиода DUV. Следовательно, диаграммой направленности излучения светодиода SEE DUV можно управлять с помощью алюминиевых зеркал различной геометрии. Одним из возможных способов управления формой Al-зеркала является ориентация оконной маски вдоль различных направлений кристаллов. Различные грани могут быть получены путем изменения направления кристалла оконной маски, и, таким образом, картина излучения должна изменяться соответственно. Например, Между тем экспериментально подтверждено, что испускающие DUV-фотоны отражаются Al-зеркалом, и диаграмма излучения светодиода SEE DUV сильно отличается от диаграммы направленности эталонного светодиода DUV фасет появляется, когда маска окна находится вдоль направление в с- плоскости. 34 Наклон поверхности этой грани составляет 54,7 °, что меньше, чем у фаска. Тогда излучение в диапазоне средних углов будет дополнительно улучшено, тогда как усиление в направлении нормали к поверхности уменьшится. Кроме того, размер алюминиевого зеркала также влияет на диаграмму излучения. Если использовать большее зеркало Al, можно получить более высокое поверхностно-нормальное DUV-излучение.

Светодиоды SEE DUV с верхним излучением могут превосходить текущие светодиоды DUV с конфигурацией с перевернутой микросхемой с точки зрения LOP. Предполагая, что линейный тренд в Рисунок 5а По-прежнему, оптимизированные светодиоды SEE DUV с верхним излучением могут быть гораздо более эффективными, чем современные светодиоды DUV с флипчипом. Однако из-за лучшего рассеивания тепла в устройствах с перекидными кристаллами разработка светодиодов с перекидными кристаллами SEE DUV с низким излучением имеет важное значение для принятия предлагаемой технологии. В настоящее время мы разрабатываем такие светодиоды SEE DUV для конфигурации с перевернутой микросхемой с наклонными боковыми стенками, отражающими фотоны вверх через подложку с использованием традиционных процессов изготовления светодиодов без повторного роста n-GaN; многообещающие предварительные результаты согласуются с экспериментальными данными настоящей работы. Наконец, мы хотели бы отметить, что концепция SEE DUV LED будет более эффективной, когда содержание Al в активной области увеличивается, то есть длина волны излучения становится короче из-за излучения TM-поляризованного света.