【摘 要】
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AlGaN基深紫外发光二极管(DUV LED)在灭菌消毒、医学治疗、紫外加工和农业等领域具有很大的应用潜力。然而,具有高外量子效率(EQE)的DUV LED仍然很难获得,EQE的发展缓慢很大程度上是受到光提取效率(LEE)低的限制,当前DUV LED的LEE普遍低于10%。LEE低的主要原因在于:第一,由于空气和AlGaN之间的折射率差异大,LEE受到全内反射(TIR)和菲涅尔损失严重影响;第二,
【基金项目】
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国家自然科学基金青年项目(项目号:61604051);
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AlGaN基深紫外发光二极管(DUV LED)在灭菌消毒、医学治疗、紫外加工和农业等领域具有很大的应用潜力。然而,具有高外量子效率(EQE)的DUV LED仍然很难获得,EQE的发展缓慢很大程度上是受到光提取效率(LEE)低的限制,当前DUV LED的LEE普遍低于10%。LEE低的主要原因在于:第一,由于空气和AlGaN之间的折射率差异大,LEE受到全内反射(TIR)和菲涅尔损失严重影响;第二,DUV LED发射光在高Al组分下以TM偏振光为主导,使得出射光很难进入到逃逸锥内;第三,提供空穴以及形成欧姆接触的p-Ga N接触层对DUV光有强烈的光学吸收作用。当前技术主要从两方面来增强LEE。一方面是利用图形化衬底、倾斜侧壁和表面等离子激元效应(SPPs)等加强光的散射,增加光被提取的可能性。另一方面,分布式布拉格反射镜(DBR)、全向反射镜(ODR)等技术应用于DUV LED中,通过减少p-Ga N层吸收和增加电极反射率来提高LEE。本文主要通过对DUV LED中反射镜结构的设计来改善器件的LEE。其中对倒装结构中p型电极接触和倒装倾斜侧壁的ODR结构进行详细的分析研究,并取得一系列的研究成果。具体的研究工作如下:1.系统研究图形化电极对光提取效率的影响。重点提出利用小倾斜角度的图形化p-Ga N/p-AlGaN截锥结构增加反射镜的散射能力,提高LEE。对于图形化p-Ga N反射镜结构,LEE并不是一直随着图形间距减少而增加。这主要是由于在光提取过程中,散射作用、Ga N吸收和金属吸收之间存在相互竞争。大间距的图形将严重降低散射作用,而间距太小又促使p-Ga N吸收和金属反射镜的SPPs共振吸收加剧。因此维持一个特定的间距并维持最好的光学散射能力更有利于LEE。在此基础上,我们进一步提出把p-Ga N/p-AlGaN接触图形化成截锥型结构,并发现倾斜角度越小的p-AlGaN截锥的光学散射能力越强,对TM光提取效率改善效果越显著。2.对深紫外LED中倾斜侧壁上全反射镜结构进行细致的分析研究。提出针对倒装倾斜侧壁结构上的反射镜设计,提出金属的选择并不是最重要的,超过一个波长厚的低折射率介质层的选用才是关键。我们发现DUV光强吸收的Ag应用在倾斜侧壁结构上,性能竟和高反射的Al和Mg相似。造成这种现象的原因在于:倾斜侧壁上特殊的ODR是利用TIR来提高反射镜的反射率。而Al和Mg在发生TIR时会伴随SPPs吸收,使反射率出现突降。另外,在钝化介质层厚度和材料的设计上也与平面ODR有所不同:当介质层较薄的时候,介质层应采用高折射率的材料,从而可以避免由于TIR中倏逝波引起的金属SPPs共振吸收;当介质层较厚的时候,应采用较低折射率的介质层材料,使得TIR占比提高从而提高反射率,由于较厚的介质层使倏逝波传播到金属表面的能量已经几乎为0,从而SPPs共振吸收的能量非常小。
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