光学与电学协同仿真模型助力开发高效率AlGaN基深紫外LED

提高深紫外LED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：

一、具有横向过刻蚀p-GaN层的DUV LED结构

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Optics Express，文章链接：https://doi.org/10.1364/OE.435302。）

图3. （a）Reference、Device 1和Device 2的正向电流-电压特性曲线；图（a）插图为Reference、Device 1和Device 2的反向电流-电压特性曲线；（b）Reference、Device 1和Device 2的光输出功率与电流关系图；图（b）插图为Reference、Device 1和Device 2的光谱图

二、具有超薄p-GaN层的DUV LED结构

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

图5. 具有厚度不同的p-GaN层的DUV LED的远场分布图

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：https://doi.org/10.1364/OE.434636。）

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