ナノメートルスケールメッシュ電極と傾斜AlGaNナノコーンによる深紫外フリップチップLEDの光取り出し効率向上

概要

本研究では、フリップチップ構造と多様なメッシュ状p型コンタクト形状を用いて製造されたAlGaNベースの深紫外（DUV）発光ダイオード（LED）を調査しました。三次元有限差分時間領域（3D-FDTD）シミュレーションを用いて、横電界（TE）および横磁界（TM）両方の光取り出し効率（LEE）が、メッシュ構造の間隔と傾斜に高度に敏感であることを実証しました。大きな充填因子が必ずしもLEEを改善しないことは、p-GaN吸収、アルミニウムプラズモン吸収、メッシュによる散乱という競合損失があるためです。注目すべきは、30°傾斜を持つハイブリッドp-GaNナノロッド/p-AlGaN切頭ナノコーンコンタクトが、280 nm発光においてTE偏光LEEを約5倍、TM偏光LEEを約24倍向上させることです。

はじめに

AlGaNベースのDUV LEDは、浄水、光線療法、センシング、光触媒などで需要が高まっています。しかし、特に短波長域での高外部量子効率（EQE）の達成は困難です。EQEは内部量子効率（IQE）と光取り出し効率（LEE）の積に等しく、従来のフリップチップDUV LEDではEQEが10%未満にとどまり、その主因はLEEが7-9%に制限されていることです。275 nmで世界記録のEQE 20%を達成したのは、パターンドサファイア、透明p電極、洗練されたパッケージングなどの先進的LEE技術によるものです。したがって、LEEの向上は高効率DUV LEDの鍵となります。

LEEは、AlGaN（n≈2.6）と空気の屈折率コントラストが高いため、全反射（TIR）とフレネル損失に悩まされます。量子井戸のAl含有量を増やすとTM偏光発光が優勢になりますが、これはデバイスからの脱出が困難です。LEE向上策として、表面粗面化、パターンドサファイア、傾斜側壁、プラズモン共鳴などが提案されており、これらは散乱中心を導入して光子を再方向付けします。もう一つの主要な制限は、p-GaNコンタクト層での吸収です。これは、正孔伝導度が低いためAlリッチp-AlGaNで容易に置き換えられません。この損失を軽減するため、メッシュ状p型コンタクト、分散ブラッグ反射板、フォトニック結晶が提案されてきました。特にメッシュコンタクトはコスト効率が良く、ミクロンスケールで有望視されてきましたが、ナノメートルスケールのメッシュとその散乱影響については十分に研究されていません。

ここでは、ナノメートルスケールメッシュコンタクト設計とAl反射板を体系的に探索し、DUV LEDのLEEへの影響を評価します。p-GaNナノロッド、ハイブリッドp-GaN/p-AlGaNナノロッド、ハイブリッドp-GaN/p-AlGaN切頭ナノコーンを比較しました。3D-FDTD解析により、ハイブリッド切頭ナノコーン構造がTE光で5倍以上、TM光で24倍の向上をもたらすことが明らかになりました。

モデルとシミュレーション手法

シミュレーションにはLumerical FDTD Solutionsを使用し、マクスウェル方程式を時間領域で解きます。ベースラインフリップチップモデル（図1a）には、光子をサファイア基板側へ再方向付けする92%反射率のAlトップ層が含まれます。100 nm p-GaN、1.5 µm n-AlGaN、1 µmサファイアのスタックに100 nmの多重量子井戸（MQW）を内包します。MQW中心に配置した単一双極子光源を、X方向（TE）またはY方向（TM）に偏光させ、280 nm発光で励起します。280 nmでの吸収係数は、AlGaN 10 cm⁻¹、MQW 1000 cm⁻¹、GaN 170,000 cm⁻¹です。屈折率はAlGaN 2.6、GaN 2.9、サファイア 1.8とします。シミュレーション領域は横8 µm × 8 µm、上下に完全整合層（PML）を配置。最小セルサイズ5 nmの非均一メッシュで精度を確保します。サファイア上方300 nmに配置したパワーモニタで透過パワーを取得し、フーリエ変換で遠方場に変換。LEEは透過パワーと総双極子放出の比として計算します。

a 従来型フリップチップDUV LEDの3D-FDTDモデル側面図。b 100 nm p-GaN層あり/なしのLEDにおけるp-AlGaN厚さに対するTE/TM LEE。

結果と考察

光学キャビティ厚さのLEEへの影響

MQWとAl反射板間の距離はp-AlGaN厚さで制御され、LEEを変調する光学キャビティを形成します。図1bは約50 nm周期で振動するLEE曲線を示し、理論値λ/2n≈53 nmと一致します。TEとTMのピークは位相がずれており、フレネルおよびミューラー行列解析で予測通りです。100 nm p-GaN層の存在はキャビティ効果を減衰させますが、p-GaNなしデバイスより最小TE/TM LEEは高くなります。したがって、p-GaN層を除去または薄くすれば、LEEを2倍以上向上可能です。

メッシュ状p-GaNコンタクトのLEEへの影響

p-GaN吸収を低減するため、連続層をAl反射板に埋め込んだ直径250 nm、高さ100 nmのナノロッド正方アレイに置き換えました（図2a）。最適p-AlGaN厚さは125 nmです。ナノロッド間隔は重要で、間隔が小さいと電流拡散は改善されますが、p-GaN充填因子が増大し吸収が増加します。図2cは、間隔125 nmまでTE LEEが上昇し3倍以上の向上を達成、その後散乱支配で低下することを示します。GaN吸収ゼロと完全電気伝導体（PEC）反射板のモデルでもLEEが間隔とともに増減する傾向が確認され、散乱の役割が裏付けられます。

a メッシュ状p-GaNコンタクトを持つフリップチップDUV LEDの模式図。b ナノロッドアレイの上面図。c ナノロッド間隔に対するTE/TM LEE（p-AlGaN=125 nm）。

さらにナノロッド高さの影響を検討しました。高さを100 nmから25 nmに減らすと吸収低減でLEEが向上しますが、25 nm以下ではAl反射板が散乱挙動を支配するため効果は飽和します（図4）。

a 高さ10, 25, 50, 100 nmナノロッドのLEE対間隔。インセット：正入射反射率対p-GaN厚さ。b 高さ別の反射率対間隔。

ハイブリッドp-GaN/p-AlGaNメッシュコンタクトのLEEへの影響

p-GaNナノロッドにp-AlGaNナノロッドを導入（図5a）すると、反射率を損なわずに更なる散乱強化が得られます。p-AlGaN高さ（0, 25, 75, 100 nm）すべてで純p-GaN構造を上回り、75 nmケースが最高TE LEEを示します（図5b）。遠方場パターンは、p-AlGaNナノロッドありデバイスで電界強度が強化されることを確認しました（図5c, d）。

a ハイブリッドp-GaN/p-AlGaNナノロッドメッシュコンタクト側面図。b p-AlGaN高さ0, 25, 75, 100 nmにおけるTE LEE対間隔（インセット：反射率）。c 間隔125 nm、p-AlGaN 75 nmでの遠方場。d 間隔125 nm、p-AlGaN 0 nmでの遠方場。e 同条件でのTM LEE対間隔。

ハイブリッドp-GaN/p-AlGaN切頭ナノコーンのLEEへの影響

依然として低いTM LEEに対処するため、傾斜角αを持つ切頭ナノコーンでp-AlGaNナノロッドを置き換えました（図6a）。αを減らすとTE/TM両LEEが向上します。α=30°では、TE LEEが間隔375 nmで26%にピーク、TM LEEが間隔260 nmで12%に上昇し、ベースライン比でそれぞれ5倍、24倍のゲインを達成しました。これは傾斜ナノコーンがTM散乱を劇的に改善することを実証しています。

a ハイブリッドp-GaNナノロッド/p-AlGaN切頭ナノコーンメッシュコンタクト側面図。b α=30°, 50°, 75°, 90°におけるTE LEE対間隔。c 同角度におけるTM LEE対間隔。

結論

包括的なシミュレーション研究により、ナノメートルスケールメッシュコンタクト（p-GaNナノロッド、ハイブリッドp-GaN/p-AlGaNナノロッド、ハイブリッドp-GaN/p-AlGaN切頭ナノコーン）が深紫外LEDのLEEを大幅に向上させることを確認しました。主要なトレードオフは、p-GaN層吸収とAlプラズモン損失対散乱利益です。30°傾斜のハイブリッド切頭ナノコーンが最も劇的な改善をもたらし、TM LEEを24倍向上させながらTE LEEゲインを維持します。

略語

3D FDTD:

三次元有限差分時間領域法

DBR:

分散ブラッグ反射板

DUV LEDs:

深紫外発光ダイオード

EQE:

外部量子効率

IQE:

内部量子効率

LEE:

光取り出し効率

MQWs:

多重量子井戸

ODR:

全方向反射板

PEC:

完全電気伝導体

PML:

完全整合層

TE:

横電界

TIR:

全反射

TM:

横磁界