倾斜侧壁增强光提取效率相关机制的建模仿真研究

原创 于 2024-06-06 09:38:51 发布 · 1.3k 阅读 · 17 ·
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        较低的光提取效率（LEE）是制约深紫外发光二极管（LED）快速发展的一个重要因素，倾斜侧壁结构可以直接将横向传播的横向磁场（TM）偏振光散射到c面逃逸锥，从而提高器件的LEE，因此该结构具有很大的发展潜力。但是各种研究得出的最佳倾斜侧壁角度并不一致，其潜在的散射机制也并不明确。近期河北工业大学和广东工业大学联合设计了不同倾斜侧壁角度的AlGaN基深紫外LED光学仿真模型，利用蒙特卡罗光线追踪技术深入研究了深紫外LED芯片尺寸与最佳倾斜侧壁角之间的关系，并且提出由于倾斜侧壁的两种散射机制，建议将最佳倾斜侧壁角控制在25°-65°范围内。图1（a）-（c）分别展示了该仿真模型中台面倾斜侧壁上覆盖有反射镜的深紫外LED结构示意图、横向传播的TM偏振光和纵向传播的横向电场（TE）偏振光的光线分布示意图。  

    

图1（a）台面倾斜侧壁覆盖有反射镜的深紫外LED结构示意图；（b）TM和（c）TE的光束传播路径。

       从图2（a）-（c）中可以看出台面侧壁的最佳倾斜角度随着芯片尺寸的增加而减小。图2（d）和图2（e）展示了倾斜侧壁角为46°、芯片尺寸为1µm和300µm时深紫外LED的远场分布图。通过对比图2（d）-（f）可知，与具有倾斜侧壁结构的大尺寸深紫外LED相比，小尺寸深紫外LED由于减少了散

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新成果：GaN基VCSEL动态物理模型开发
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为此，技术团队探索了电子注入效率对-3 dB带宽的影响，并提出了解决方案[1]。图1表明，相比于传统的VCSEL器件（Device R），随着引入组分渐变式量子垒（Device A）结构和组分渐变式量子垒/p型电子阻挡层结构（Device E），有源区内部受激复合时间（τsti）逐渐减小，电子逃逸时间（τesc）逐渐增加，器件的-3dB带宽逐渐提高。此外，技术团队还提出了改善GaN基VCSEL动态特性的技术方案，探索了脉冲模式下VCSEL表面缺陷及载流子注入效率对啁啾效应的影响[2]。
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新成果展示：发光-探测双功能AlGaN基集成光电子器件模型的开发与应用
03-03 412
图1展示了LED与PD原位集成光电子器件结构示意图。图2（a）展示了器件的发射光谱和响应度光谱，极化自屏蔽有源区设计可以提高LED发光谱和PD吸收谱的重合率，从而显著地提高了探测器的光电流强度，如图2（b）所示。，同时提出并设计了具有非对称多量子阱结构的AlGaN基发光-探测双功能集成光电子器件：在发射区中采用极化自屏蔽的有源区结构，在探测区中采用常规有源区结构。原位集成的发光-探测双功能光电子器件中存在斯托克斯位移现象，这降低了发射光谱和探测光谱的重叠率，从而抑制了集成光电子器件的光电耦合效应。
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基于 AC 驱动的电容结构 GaN LED 模型开发和应用
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为了深入理解该器件的工作原理，我司技术团队开发了基于 AC 驱动的物理解析模型，揭示了隧穿结降低器件工作电压的内在机理，丰富了研究人员对 AC 驱动 GaN LED 技术的理解，有助于进一步促进纳米尺寸显示技术的发展。图2（c）表明能带在-40 V 反向偏压下发生大幅弯曲，具有 TJ 结的 LED 可以提供更多的感应电子【见图2（d）】，在耗尽区电场的加速下碰撞离化，从而导致更低的反向导通电压。图2（e）进一步证明具有 TJ结的LED 结构的碰撞离化分布更宽，LED 的工作电压能够被有效降低。
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基于AlGaN基深紫外法布里珀罗激光器物理模型的开发与研究
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GaN功率电子器件中体缺陷相关机制的建模仿真研究
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近期，河北工业大学和广东工业大学联合开发了缺陷相关的仿真模型，深入剖析了体缺陷对GaN基肖特基势垒二极管的影响，并实现了对器件动态特性的仿真。图3（a）和（b）展示了GaN基肖特基势垒二极管动态特性的仿真模型，电压从0 V增加到1.5 V再回到0 V时，具有施主型缺陷的肖特基势垒二极管的正向导通特性几乎不发生变化，而具有受主型陷阱的肖特基势垒二极管会产生显著的充电/放电效应，使正向导通特性发生显著漂移。（c）不同浓度施主型缺陷和（d）不同浓度受主型缺陷对GaN基肖特基势垒二极管阻断特性的影响。
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具有图形化衬底与空气腔反射镜混合结构的深紫外Micro-LED阵列芯片
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新成果展示：AlGaN/GaN基紫外光电晶体管的设计与制备
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横向AlGaN/GaN基SBD结构及物理模型数据库的开发
10-07 1933
为进一步优化器件性能，技术团队对场板结构的长度、厚度、材料等参数进行了优化设计，例如图2（a）-（d）的研究结果所示，随着SiO2、Si3N4、Al2O3、HfO2的介电常数从3.4、7、9增加到20，凹槽阳极侧壁的电荷耦合效应逐渐增强，从而有效地减小了阳极边缘肖特基结电场强度并抑制肖特基势垒降低效应，降低器件的漏电流【见图2（e）】；此外，图3还展示了外部环境温度对SBD反向电学特性的影响，β1是以器件发生雪崩击穿为击穿点得到的温度系数，从图可知器件C1-C4的击穿电压都随着温度的增加而增加；
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最新成果展示：GaN基Micro-LED热学模型数据库的开发及应用
08-08 851
如图1（b）所示，随着缺陷复合电流的降低，相对应的器件中也会产生更少的复合热。图1（c）表明小尺寸器件产生更少的焦耳热，然而缺陷区域的存在与否对器件内部的焦耳热并无影响。通过考虑复合热和焦耳热带来的综合效应，得到图1（d）所示的结果：减小非辐射复合有助于降低自热效应，尤其是对于小尺寸的。Device A1、A2、B1、B2在不同电流密度下的（a）SRH复合电流、（b）复合热、（c）焦耳热和（d）总热源。导致非辐射复合产生的自热效应更加显著，因此，如图2（a）和（b）所示，芯片尺寸为。LED效果更加显著。
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斜率效率为~ 4.8 W/A的910 nm GaAs基半导体激光器架构及数据库成功开发
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在5 A的单管输出功率可达20.4 W，其功率-电流特性曲线信息如下图所示。此器件架构的开发有助于高效地设计900 nm ~ 1000 nm的GaAs基激光器的结构参数，同时为分析器件内部机理提供了重要的参考价值，对研发高性能的GaAs基激光器有着重要的指导意义。半导体激光器最重要的性能参数之一是激光输出功率，如在激光切割、激光焊接等领域，半导体激光器需具备较高的输出功率以满足实际应用的要求。目前，提高半导体激光器的输出功率主要有两种方法：一种是提高半导体激光器单管的输出功率；
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AlGaN基深紫外FP激光器仿真模型及材料信息数据库有何用途？
07-14 547
波长范围为UVC波段（100-280 nm）的深紫外FP（Fabry-Pero，法布里和珀罗是两位法国的科学家）激光器可广泛应用于数据通信、光通信、3D打印、材料加工、显示与照明、激光雷达、人脸/手势识别、医疗和表面监测等领域。，可以输出不同偏置条件下的能带、增益谱分布、光场分布和功率-电压等特性曲线，具体信息如下图所示。此模型有助于高效地设计AlGaN基深紫外FP激光器的结构参数，同时为分析器件内部机理提供了重要的参考价值，对研发高性能的AlGaN基深深紫外FP激光器有着重要的指导意义。
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最新成果展示：AlInN/GaN DBR模型数据库的开发与应用
06-07 841
有源区中的极化电场强度并同时降低量子垒与量子阱中能带倾斜程度，从而增加电子。的设计在一定程度上牺牲了器件的热学特性，但最终提升了器件的光输出功率和。具有更高的热阻，最终使得器件的热衰退提前，结温也明显增加。之间存在较大的晶格失配和热膨胀失配，导致很难获得。空穴波函数的重叠率，提高器件的输出功率。器件的散热性能产生影响。表示量子阱的能带倾斜程度；表示量子垒的能带倾斜程度；系统地研究了晶格匹配的。）平衡态下的电场分布（注入电流下的电场分布；电学和热学特性的影响。表示量子垒的势垒高度。）中展示的热量分布，
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最新成果展示：多结VCSEL模型数据库的开发及应用
03-08 502
该模型数据库有助于分析器件内部电流分布、光场分布、受激辐射复合分布等微观信息，协助优化有源区架构、隧穿结组成、DBR等设计参数，为实现高功率、高响应速度的多结VCSEL器件设计提供可靠的技术分析手段。相比于传统垂直腔面发射激光器（Vertical-CavitySurface-Emitting Laser，VCSEL），多结VCSEL具有更高的光输出功率、更快的响应速度、更高的斜率效率和电光转换效率等优势。图1.（a）多结VCSEL能带分布和（b）PIV曲线特性。多结VCSEL模型数据库。
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新成果展示：载流子输运与复合模型数据库在台面二次刻蚀的Micro-LED中的应用
03-01 523
为了揭示具有二次刻蚀台面的Micro-LED结构中载流子的输运与复合机制以及对器件的发光效率影响的物理机制，技术团队利用载流子输运与复合模型数据库系统地研究了器件结构内部电场对载流子输运的影响以及载流子的分布与复合情况。另外，我司技术团队也对上述器件结构进行了对比实验制备，并将测试结果与仿真结果进行了比较：如图3所示，利用极化效应和二次刻蚀台面的载流子限制作用可以有效地提高器件B的外量子效率（EQE）和光功率密度。图3（a）器件A和（b）器件B在不同注入电流密度下的外量子效率和光功率密度。
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最新成果展示：半导体激光器光学模型数据库的开发及应用
01-16 534
为解决该问题，我司技术团队提出通过调控空穴的注入路径来控制不同模式的增益，最终提升GaN基VCSEL的基模输出功率。如图2所示，当减小GaN基VCSEL的电流注入的孔径尺寸时，VCSEL B2依然能够保持高斯形态的单模激光输出。此外，VCSEL B2有源区内的增益覆盖范围与基模分布重叠率上升，与表面浮雕结构所在范围的重叠率下降，器件基模增益上升，激光器输出功率相应提高。图2. VCSEL B1至B3以及VCSEL A2的（a）一维横向光场分布，（b）远场发散角和（c）光输出功率对比图。
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新成果展示：具有倾斜台面的Micro-LED模型数据库的开发与应用
11-25 558
除此之外，台面的倾斜角度也会对器件的电学性能产生影响，如图2所示，这主要体现在两个方面：一是倾斜的台面会造成侧壁区域的电场增加，导致边缘区域的量子阱中量子限制斯塔克响应增强，从而降低器件的有效辐射复合效率；图2 （a）各器件内部横向的电场分布，（b）Device 1和（c）Device 5边缘区域量子阱中的能带图，（d）各器件的非辐射复合电流随外加电流密度的变化曲线。其中Device 1/Ⅰ, 2/Ⅱ, 3/Ⅲ, 4/Ⅳ和5/Ⅴ的台面倾斜角度分别为45°，53°，63°，79°和90°。
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最新成果展示：Ga2O3材料数据库的开发及其在日盲紫外光电探测器中的应用
10-25 1419
所示，技术团队将上述器件结构的实验测试结果与仿真计算结果进行了对比：由于测试设备精度的限制，实验测试的暗电流无法达到理论计算值的量级，但获得的实验测试光电流与仿真计算的光电流在同一数量级水平，验证Ga2O3材料信息数据库的可行性。所示，在光照条件下，Ga2O3吸收层产生的光生电子在电场作用下输运至2DEG沟道，补充了金属栅下方被耗尽的电子，2DEG沟道重新导通，促进光生电子的快速输运。所示，在黑暗条件下，金属栅对AlGaN层的耗尽作用有效地抑制了器件的暗电流，即表现为对2DEG沟道的“夹断”作用。
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最新成果展示：利用缺陷信息数据库探索界面工程，助力GaN基肖特基势垒二极管的研究
10-08 1127
在电力电子器件的外延生长和器件制备过程中，特别是对于具有凹槽结构的GaN基肖特基势垒二极管（TMBS）而言，ICP刻蚀将不可避免地损伤材料的表面，产生大量的缺陷，最终牺牲器件的击穿电压、导通电阻等性能，同时影响器件的可靠性。展示了所设计的器件的反向IV特性曲线，可以发现设计有MIS结构的TMBS器件的反向漏电流显著减小，击穿电压提升，例如相对于具有Pt电极的TMBS器件，具有Pt电极的MIS-TMBS器件的漏电流减小了近3个数量级，击穿电压从1200 V提升到3200 V。
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