提高深紫外LED光提取效率關鍵手段之一是降低p-GaN層對深紫外光吸收而產生的光損耗效應，天津賽米卡爾科技有限公司技術團隊最近依托DUV LED光學與電學協同仿真模型技術，提出了兩種行之有效的解決方案。具體成果如下：

具有橫向過刻蝕p-GaN層的DUV LED結構

在具有傾斜側壁陣列的DUV LED結構中， p電極并沒有完全覆蓋p-GaN層，這就導致了電流主要在有電極覆蓋的區域注入，而外圍區域電流密度較小，因此傾斜側壁LED的發光主要是集中于電極的下方（即Device 1）。然而p-GaN層對深紫外光的吸收非常強，因此我們提出采用橫向過刻蝕的方法刻蝕掉外圍的p-GaN層的深紫外器件結構Device 2。 從圖1（a）的電學仿真結果可以看出，過刻蝕p-GaN層并不會明顯影響其內量子效率，并且其輻射復合更加集中于電極下方［如圖1（b）所示］。

圖1 （a）仿真計算的內量子效率與電流密度的關系曲線；（b）仿真計算的輻射復合速率隨位置的變化關系

此外，技術團隊通過光學協同仿真分析了過刻蝕p-GaN層對DUV LED光學性能的影響。根據圖1（b）可知，輻射區域主要是來自于器件的中間，因此在光學仿真過程中，將光源設置于電極下方的中間區域，其結果如圖2所示。可以發現Device 2的光提取效率顯著大于Device 1，這主要是由于p-GaN層的吸收效應降低，增加了器件內部的光提取通道。

圖2.（a）Device 1和（b）Device 2的電場分布圖；（c）光強與位置關系圖；（d）逃離錐角度范圍圖

隨后，技術團隊對器件進行了制備，圖3（a）的測試結果表明，相比于參考器件，Device 1和Device 2的正向工作電壓有所提高，但是Device 2的光功率顯著提高。器件的測試結果與仿真結果高度一致。（該研究成果已發表在Optics Express，文章鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.435302。）

圖3. （a）Reference、Device 1和Device 2的正向電流-電壓特性曲線；圖（a）插圖為Reference、Device 1和Device 2的反向電流-電壓特性曲線；（b）Reference、Device 1和Device 2的光輸出功率與電流關系圖；圖（b）插圖為Reference、Device 1和Device 2的光譜圖

具有超薄p-GaN層的DUV LED結構

如圖4（a）所示，在傳統的DUV LED結構中，較厚的p-GaN層對深紫外光具有嚴重的吸收作用。因此，如圖4（b）所示，技術團隊提出通過減薄p-GaN層厚度來提高DUV LED的光提取效率。為探究超薄p-GaN層對DUV LED中光提取效率的影響，技術團隊通過建立光學與電學協同仿真模型，計算并得到了具有不同厚度的p-GaN層對DUV LED遠場分布的影響（見圖5］。隨著p-GaN層厚度的減薄，p-GaN層對深紫外光的吸收減少，因此，在180°到360°的出射光分布范圍內，DUV LED的發光強度提高，從而改善了DUV LED的光提取效率。

圖4.（a）具有厚的p-GaN層的器件結構圖；（b）具有薄的p-GaN層的器件結構圖

圖5. 具有厚度不同的p-GaN層的DUV LED的遠場分布圖

然而，超薄p-GaN層的設計同時會使DUV LED擁擠效應顯著，降低空穴的注入效率，如圖6（a）所示。為了抑制具有超薄p-GaN層的DUV LED中的電流擁擠效應，技術團隊在超薄p-GaN層上增加了PNP結構電流擴展層（即LED B）。從圖6中可以看出，相比于LED T3，LED B的電流擴展效應得到了改善。

圖6. LED T3、LED T5和LED B的（a）橫向空穴電流分布圖和（b）有源區中的空穴濃度分布圖

此外，根據光電協同仿真設計結果，技術團隊對LED T3、LED T5和LED B進行了器件制備。如圖7所示，仿真結果與實驗結果高度吻合，即具有超薄p-GaN層和PNP電流擴展層的LED B可以獲得最高的外量子效率和光功率。因此，電流擴展層和超薄p-GaN層的混合結構能夠有效地提高AlGaN基深紫外發光二極管的發光效率。（該研究成果已發表在Optics Express，文章鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.434636。）

圖7. LED T3、LED T5和LED B的（a）仿真計算的歸一化EQE；（b）仿真計算的歸一化光輸出功率；（c）實驗測試的歸一化EQE；（d）實驗測試的歸一化光輸出功率
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