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AlGaN基深紫外LED效率提高研究

时间: 2021-10-02

  申请执行人广州市华科尔科技股份有限公司与深,光提取效率关键手段之一是降低p-GaN层对深紫外光吸收而产生的光损耗效应,天津赛米卡尔科技有限公司技术团队最近依托DUV LED光学与电学协同仿真模型技术,提出了两种行之有效的解决方案。具体成果如下:

  在具有倾斜侧壁阵列的DUV LED结构中, p电极并没有完全覆盖p-GaN层,这就导致了电流主要在有电极覆盖的区域注入,而外围区域电流密度较小,因此倾斜侧壁LED的发光主要是集中于电极的下方(即Device 1)。然而p-GaN层对深紫外光的吸收非常强,因此我们提出采用横向过刻蚀的方法刻蚀掉外围的p-GaN层的深紫外器件结构Device 2。 从图1(a)的电学仿真结果可以看出,过刻蚀p-GaN层并不会明显影响其内量子效率,并且其辐射复合更加集中于电极下方[如图1(b)所示]。

  图1 (a)仿真计算的内量子效率与电流密度的关系曲线;(b)仿真计算的辐射复合速率随位置的变化关系

  此外,技术团队通过光学协同仿真分析了过刻蚀p-GaN层对DUV LED光学性能的影响。根据图1(b)可知,辐射区域主要是来自于器件的中间,因此在光学仿真过程中,将光源设置于电极下方的中间区域,其结果如图2所示。可以发现Device 2的光提取效率显著大于Device 1,这主要是由于p-GaN层的吸收效应降低,增加了器件内部的光提取通道。

  图2.(a)Device 1和(b)Device 2的电场分布图;(c)光强与位置关系图;(d)逃离锥角度范围图

  随后,技术团队对器件进行了制备,图3(a)的测试结果表明,相比于参考器件,Device 1和Device 2的正向工作电压有所提高,但是Device 2的光功率显著提高。器件的测试结果与仿真结果高度一致。(该研究成果已发表在Opcs Express,文章链接:。)

  如图4(a)所示,在传统的DUV LED结构中,较厚的p-GaN层对深紫外光具有严重的吸收作用。因此,如图4(b)所示,技术团队提出通过减薄p-GaN层厚度来提高DUV LED的光提取效率。为探究超薄p-GaN层对DUV LED中光提取效率的影响,技术团队通过建立光学与电学协同仿真模型,计算并得到了具有不同厚度的p-GaN层对DUV LED远场分布的影响(见图5]。随着p-GaN层厚度的减薄,p-GaN层对深紫外光的吸收减少,因此,在180°到360°的出射光分布范围内,DUV LED的发光强度提高,从而改善了DUV LED的光提取效率。

  图4.(a)具有厚的p-GaN层的器件结构图;(b)具有薄的p-GaN层的器件结构图

  然而,超薄p-GaN层的设计同时会使DUV LED拥挤效应显著,降低空穴的注入效率,如图6(a)所示。为了抑制具有超薄p-GaN层的DUV LED中的电流拥挤效应,技术团队在超薄p-GaN层上增加了PNP结构电流扩展层(即LED B)。从图6中可以看出,相比于LED T3,LED B的电流扩展效应得到了改善。

  图6. LED T3、LED T5和LED B的(a)横向空穴电流分布图和(b)有源区中的空穴浓度分布图

  此外,根据光电协同仿真设计结果,技术团队对LED T3、LED T5和LED B进行了器件制备。如图7所示,仿真结果与实验结果高度吻合,即具有超薄p-GaN层和PNP电流扩展层的LED B可以获得最高的外量子效率和光功率。因此,电流扩展层和超薄p-GaN层的混合结构能够有效地提高AlGaN基深紫外发光二极管的发光效率。(该研究成果已发表在OpTIcs Express,文章链接:。)

  图7. LED T3、LED T5和LED B的(a)仿真计算的归一化EQE;(b)仿真计算的归一化光输出功率;(c)实验测试的归一化EQE;(d)实验测试的归一化光输出功率

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