最新成果展示：傾斜側(cè)壁增強(qiáng)光提取效率相關(guān)機(jī)制的建模仿真研究

較低的光提取效率（LEE）是制約深紫外發(fā)光二極管（LED）快速發(fā)展的一個(gè)重要因素，傾斜側(cè)壁結(jié)構(gòu)可以直接將橫向傳播的橫向磁場(chǎng)（TM）偏振光散射到c面逃逸錐，從而提高器件的LEE，因此該結(jié)構(gòu)具有很大的發(fā)展?jié)摿?。但是各種研究得出的最佳傾斜側(cè)壁角度并不一致，其潛在的散射機(jī)制也并不明確。近期河北工業(yè)大學(xué)和廣東工業(yè)大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)了不同傾斜側(cè)壁角度的AlGaN基深紫外LED光學(xué)仿真模型，利用蒙特卡羅光線(xiàn)追蹤技術(shù)深入研究了深紫外LED芯片尺寸與最佳傾斜側(cè)壁角之間的關(guān)系，并且提出由于傾斜側(cè)壁的兩種散射機(jī)制，建議將最佳傾斜側(cè)壁角控制在25°-65°范圍內(nèi)。圖1（a）-（c）分別展示了該仿真模型中臺(tái)面傾斜側(cè)壁上覆蓋有反射鏡的深紫外LED結(jié)構(gòu)示意圖、橫向傳播的TM偏振光和縱向傳播的橫向電場(chǎng)（TE）偏振光的光線(xiàn)分布示意圖。

圖1（a）臺(tái)面傾斜側(cè)壁覆蓋有反射鏡的深紫外LED結(jié)構(gòu)示意圖；（b）TM和（c）TE的光束傳播路徑。
從圖2（a）-（c）中可以看出臺(tái)面?zhèn)缺诘淖罴褍A斜角度隨著芯片尺寸的增加而減小。圖2（d）和圖2（e）展示了傾斜側(cè)壁角為46°、芯片尺寸為1μm和300μm時(shí)深紫外LED的遠(yuǎn)場(chǎng)分布圖。通過(guò)對(duì)比圖2（d）-（f）可知，與具有傾斜側(cè)壁結(jié)構(gòu)的大尺寸深紫外LED相比，小尺寸深紫外LED由于減少了散射長(zhǎng)度和材料吸收，其芯片底部和側(cè)面的LEE均得到了大幅度提升。我們推測(cè)這是由于不同的散射機(jī)制導(dǎo)致了不同尺寸的深紫外LED具有的不同的最佳傾斜側(cè)壁角度。對(duì)于小尺寸的芯片而言，其內(nèi)部產(chǎn)生的大多數(shù)光線(xiàn)直接被傾斜側(cè)壁散射，而對(duì)于大尺寸的芯片而言，大多數(shù)光線(xiàn)在被傾斜側(cè)壁散射之前在出光面進(jìn)行全內(nèi)反射。

圖2 不同尺寸的深紫外LED的（a）TM偏振光和（b）TE偏振光的光提取效率隨側(cè)壁傾斜角度的變化；（c）不同尺寸的深紫外LED的TM偏振光和TE偏振光的最佳傾斜側(cè)壁角度；器件尺寸分別為（d） 1 μm和（e） 300 μm的深紫外LED的遠(yuǎn)場(chǎng)分布和（f）TM偏振光的底部和側(cè)面光提取效率與傾斜側(cè)壁角度的關(guān)系 。
為進(jìn)一步對(duì)比說(shuō)明上述不同器件尺寸產(chǎn)生的差異，我們?cè)趫D3（a）中示展示了兩種散射路徑的①和②以及逃逸錐分布的示意圖，并通過(guò)計(jì)算反射逃逸錐與傾斜側(cè)壁角之間的關(guān)系進(jìn)一步揭示了傾斜側(cè)壁處產(chǎn)生的兩種散射機(jī)制以及其增強(qiáng)LEE的不同來(lái)源。如圖3（b）所示，可以發(fā)現(xiàn)散射路徑①與反射逃逸錐角范圍的最大重疊區(qū)域在55°~ 65°左右，而散射路徑②的最大重疊區(qū)域在25°~ 35°左右。因此，散射路徑①的最佳傾斜側(cè)壁角大于散射路徑②的最佳傾斜側(cè)壁角。所以當(dāng)芯片尺寸增加時(shí)，主散射路徑逐漸由散射路徑①向散射路徑②轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致最佳傾斜側(cè)壁角度減小。

圖3（a）傾斜側(cè)壁結(jié)構(gòu)的逃逸錐和逃逸光路分布示意圖；（b）不同傾斜側(cè)壁角度對(duì)應(yīng)的逃逸錐范圍和逃逸路徑。
為了進(jìn)一步證實(shí)這一點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)排除散射路徑①的仿真模型，如圖4（a）所示。仿真模型包括一個(gè)11 × 11的微型LED陣列，其臺(tái)面尺寸為1 μm。只有中間位置的微型LED的臺(tái)面?zhèn)缺谠O(shè)置為垂直型結(jié)構(gòu)，其余的臺(tái)面?zhèn)缺诰O(shè)置為傾斜側(cè)壁結(jié)構(gòu)。而且光源只放在中間的LED上。因此，光源發(fā)出的光不能被傾斜側(cè)壁直接反射，排除了散射路徑①。微型LED陣列的仿真結(jié)果如圖4（b）所示。所設(shè)計(jì)的微型LED陣列的最佳側(cè)壁傾斜角度為35°，這與之前的理論分析是一致的，即在具有傾斜側(cè)壁的LED中，兩種散射機(jī)制同時(shí)產(chǎn)生，最佳傾斜側(cè)壁角在25°到65°之間。

圖4（a）臺(tái)面為1μm 深紫外LED陣列結(jié)構(gòu)示意圖；（b）單個(gè)深紫外LED和深紫外LED陣列的光提取效率隨傾斜側(cè)壁角度的變化。
該研究成果已被光學(xué)領(lǐng)域權(quán)威SCI期刊Optics Letters收錄，文章鏈接：https://doi.org/10.1364/OL.526100。

審核編輯 黃宇