摘要：在这项工作中，我们设计并制作了一个由10×10个微型LED（μ-LED）组成的深紫外（DUV）发光阵列，每个器件 的直径为20μm。引人注目的是，与发光面积与阵列相同的传统大型LED芯片相比，在100mA的注入电流下，该阵列的总 光输出功率显著提高了近52%。μ-LED阵列还实现了高得多（~22%）的峰值外部量子效率以及较小的效率下降。数值计 算表明，性能的提升可归因于每个μ-LED边缘较高的光提取效率。此外，远场方向图测量表明，μ-LED阵列具有更好的 前向发射方向性。这些发现有助于提高DUV LED的性能，并为控制μ-LED的光行为提供了新的见解。 关键词：AlGaN；深紫外线；微LED阵列；光提取效率 引用：H B Yu，M H Memon，H F Jia，H C Zhang，M Tian，S Fang，D H Wang，Y Kang，S D Xiao和H D Sun， 10×10深紫外发光微LED阵列[J]。J.Semicond.，2022

余华斌、Muhammad Hunain Memon、贾洪峰、张浩晨、蒙田、施方、王丹浩、杨康、肖书丹和孙海丁† 中国科学技术大学微电子学院，合肥230026

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1. 介绍 AlGaN基深紫外发光二极管（LED）由于发射波段窄、无 毒、功耗低、体积小、寿命长[，已被确定为下一代深紫外 光源。1, 2]。到目前为止，由于其潜在的应用，包括非视线 光学通信、传感系统、消毒和医学光疗[，它们已经引起了 人们极大的研究兴趣。3]。然而，DUV LED在这些工业应用 中的实现受到其有限的墙壁插头效率（WPE）、差的外部量 子效率（EQE）和低的光输出功率（LOP）[的限制。4]。DUV  LED的不良光学性能的主要限制因素之一是极低的光提取效 率（Lee），其小于10%[。2]。如此低的Lee主要有三个原因。 首先，大量向上行进的DUV光子可以被p型GaN基空穴注入层 吸收或者可以被p型接触金属[阻挡。5]。其次，由于多层氮 化物外延层、AlGaN/蓝宝石和蓝宝石/空气界面[的折射率差 异过大，大部分向下传播的DUV光子不断地被反射。6]。第 三，与可见光LED不同，DUV LED基于具有高铝含量的AlGaN 材料，导致增加的横磁/横电（TM/TE）极化比[。7]。由于传 播方向垂直于c轴，因此面内TM光子极难被提取到外部空间[。 8]. 为了扩大Lee，许多努力一直致力于在DUV LED芯片中 提取更多的UV光子。用于提取那些向上行进的DUV 通信：H D Sun，haiding@ustc.edu.cn 2021年11月29日收到； 2021年12月23日修订。 © 2022中国电子学会 光子，许多策略，如高反射率金属接触[9, 10]，网状p-GaN结 构[11, 12]和光子晶体结构[13]已报告。此外，各种微/纳米结 构，包括纳米透镜[6, 14, 15]，图案化的蓝宝石衬底[16, 17, 18, 19] 和局域表面等离子体激元[20]，已经被证明用于减少全内反 射（TIR）[21]，其可以帮助提取在DUV LED中向下行进的DUV 光子。此外，角度[的优化22]，几何形状[23]和侧壁的反射器 [24, 25]也被研究以增强到达芯片侧壁的TM偏振光的发射。 除了这些重要的研究之外，新兴的DUV Micro-LED （μ-LED）器件架构和初步的器件表征显示了其增强 EQE[的潜力26]，这可以归因于最近的阴极发光研究[所揭 示的侧向传播光子的再吸收的减少27]。然而，应该注意 的是，由于发射面积的减少，每个μ-LED不可避免地具 有非常低的LOP，这严重阻碍了它们的进一步应用。因此， 需要构建互连的DUVμ-LED以获得大的输出功率，称为μ LED阵列。最近，Floyd等人发现DUVμ-LED阵列结构可以 显著降低每个μ-LED的热阻，从而增强侧壁向外辐射的 自生热[。28]。然而，到目前为止，这些μ-LED阵列的性 能增强的潜在机制仍然缺乏，并且没有对每个μ-LED及 其阵列内的光传播进行系统的研究，特别是从光学角度。 在这封信中，我们提出了一个系统的研究电气- Al和发光阵列的光学行为。我们设计并制作了两种阵列。 一个阵列由10×10μ-LED组成，每个器件的直径为20μm， 称为μ-LED阵列（20μm）；另一个阵列由4×4μ-LED组成， 每个器件的直径为50μm。

图1.（彩色在线）（a）制造的DUVμ-LED阵列的示意图和（B）DUVμ-LED阵列的横截面和（C）侧壁的轮廓，θ是侧壁的倾斜角。 命名为μ-LED阵列（50μm）。同时，我们制作了一种常规 LED（C-LED），其表面发射面积与这两种类型的阵列相同。 在器件测试过程中，我们发现μ-LED阵列的EQE、WPE和LOP 性能显著提高，这是由于每个μ-LED中的Lee增大，而芯片 尺寸较小。为了更好地理解不同芯片尺寸的LED芯片中的光 传播行为，并揭示μ-LED中Lee增强的潜在机制，进行了数 值时域有限差分（FDTD）计算。 2. 实验 与我们之前的报告[类似26]，用于我们的DUV LED的外 延结构由在c面蓝宝石衬底上的2μm厚的AlN缓冲层、2μ m厚的n掺杂Al0.6Ga0.4N层、0.6μm厚的n掺杂Al0.48Ga0.52N层、 接着是五个周期的Al0.45Ga0.55N/Al0.60GaN0.40N（2.5nm/10nm） MQW50nm厚的p掺杂的Al0.70Ga0.30N电子阻挡层和350nm厚的 p-GaN。使用感应耦合等离子体（ICP）刻蚀设备将晶片 制作成截锥形有源台面。C-LED的发射区域直径为200μm。 4×4和10×10μ-LED阵列的芯片直径分别为50μm和20μ m。我们打算为这三种器件保持相同的总发射面积，以便 进行性能比较。然后，通过电子束蒸发器沉积作为n电极 的Ti/Al/Ni/Au（20/80/40/100nm ）和 作为p 型接 触 的 Ni/Au（20/50nm）的金属叠层。 通过使用等离子体增强 化学气相沉积（PECVD）沉积800nm厚的SiO2膜作为电绝缘 层。接下来，首先通过反应离子蚀刻（RIE）蚀刻n-和p- 电极上的SiO2膜，并且 然后通过缓冲氧化物蚀刻剂（BOE）。最后，通过电子束蒸 发器形成Ni/Al/Ni/Au（20/500/100/120nm）金属接触。μ- LED阵列及其横截面外延结构的示意图如所示无花果。1（a） 和1分别为（B）。 通过原子力显微镜（AFM）表征的侧壁倾斜角约为70°， 如所示图 第1（C）段。在室温下，从蓝宝石的背面（而 不是外延面）测量所有制造的器件的电致发光（EL）光 谱、光输出功率和远场发射。通过在距离LED芯片50mm处 使用功率计在三轴旋转台上以10°的角度步长测量辐射强 度来记录LED的远场发射分布。 3. 结果和讨论 所研究的三种DUV LED的电流–电压（I–V）曲线如所 示图 第2（a）段。μ-LED阵列（50μm）和μ-LED阵列 （20μm）的正向电压略低于C-LED的正向电压，这是由于 并联器件配置中较低的串联电阻和不同的n-接触面积。 图的插图图2（a）显示了正向I-V曲线的对数图。在-4 V 的外加电压下，反向偏压泄漏值低至~0.1 pA，显示了生 长的外延薄膜的高质量和器件在干法刻蚀过程中的低损 伤。值得注意的是，μ-LED阵列的漏电流比C-LED略有增 加，这可能是由于侧壁缺陷可能作为电流泄漏路径[。29]。 的EL光谱三注入电流为100mA的器件如图所示。第2（B） 段。所有器件的峰值波长为~275nm，

图2.（彩色在线）（a）DUV LED的电流-电压（I-V）特性。插图显示了相应的对数图。（B）在100mA的驱动电流下工作的DUV LED的光谱。

图3.（彩色在线）（a）光输出功率（LOP），（B）外部量子效率（EQE），（C）壁插式效率，以及（d）三个研究器件在不同电流 下的DUV LED的Lee增强因子。 表明锥形台面尺寸的变化不影响发射波长。阵列的电致 发光强度高于C-LED，而直径较小的μ-LED显示出更高的 电致发光强度，这初步证实了μ-LED阵列的性能增强。 如图6所示，在100mA的注入电流水平下，μLED阵列 （50μm）和μLED阵列（20μm）的LOP分别比C-LED高34%和 52%。值得注意的是，设备的LOP逐渐在- 随着注入电流的增加而增加，但由于电流注入饱和，CLED的LOP在大约100mA（318A/cm2的注入电流密度）时达 到最大值。重要的是，μ-LED阵列可以承受高得多的电 流注入。在μ-LED阵列中，由于μLED是并联连接的，在 总注入电流为100mA的情况下，每个μ-LED仅注入几毫安 的电流，远未达到电流饱和。因此，增强的LOP导致μ- LED阵列（50μm）的EQE显著增加34%，μ-LED阵列的EQE 显著增加.

图4.（彩色在线）当偶极子源位于（a）台面中心和（B）台面边缘时，TM偏振光的光传播路径的电场分布。对于C-LED、μ-LED（50μm） 和μ-LED（20μm），（C）TE-和（D）TM-偏振光的Lee分别作为偶极光源位置的函数。（C）和（d）的插图是指示偶极子源位置变化的装 置示意图。 （20μm），100 mA时，如所示图3（B）。与C-LED相比，μ- LED阵列（50μm）和μ-LED阵列（20μm）的峰值EQE分别高7% 和22%。我们还量化了注入电流为100 mA时的EQE下垂水平 （下垂定义为从最高到最低），C-LED、μ-LED阵列（50μm） 和μ-LED阵列（20μm）的EQE下垂水平分别为47.2%、34.6% 和34.1%。然后，可以通过[从LOP测量计算LED的WPE值。2], WPE=EQECIE=LOP IV (1) 根据中所示的计算结果图3（C），在100mA下，μ-LED 阵列（50μm）的WPE比CLED高40%，μ-LED阵列（20μm）的 WPE比CLED高57%。由于μ-LED阵列配置中可能具有更高的 电流注入效率（CIE），这种改善略大于100 mA下的EQE 增强（μ-LED阵列（50μm）为34%，μLED阵列（20μm）为 52%）。然而，可以解释的是，WPE的增强主要在于EQE的 有效改善，因为所有三个LED具有相同的内部量子效率 （IQE），因为它们被制造在相同的晶片上。因此，有充 分的理由来解释LOP、EQE和WPE的增强主要归因于Lee的 改进。此外，图 图3（d）显示了Lee增强因子[30]通过μ- LED阵列的EQE与C-的比率获得 LED 。 与 C-LED 相比， μ-LED 阵列（ 50μm ） 和 μ-LED 阵 列 （20μm）的Lee分别高约1.3倍和1.5倍。此外，在较高的注 入电流水平下，μ-LED阵列的Lee增强因子更大。这些结果表 明，μ-LED阵列可以有效地改善深紫外LED的Lee。 为了进一步揭示DUVμ-LED阵列光学性能增强的潜在机 制，我们进一步使用FDTD模拟来分析C-LED和μ-LED阵列 的Lee。在模拟中，用作LED的辐射源的单个偶极子位于 MQW层[的中间。31]。此外，在LED周围设置完全匹配层 （PML），可以完全吸收从模拟区域逃逸的光。将功率监测 器放置在距离AlN层底部500nm处，以收集从DUV LED逃逸的 光子。值得注意的是，我们仅在多量子阱（MQW）层中设置 单个偶极子作为辐射源。考虑到TM偏振光和TE偏振光可能共 存的情况，计算了不同台面尺寸的TM偏振光和TE偏振光的 Lee。我们还通过改变偶极子源在装置内的位置来进行Lee计 算。 例如，DUVμ-LED（20μm）的电场分布如所示无花果。 4（a）和4（B）。可以观察到，当偶极子源移动到蓝宝 石的边缘时，更多的DUV光子已经被反射到蓝宝石侧。

图5.（彩色在线）（a）100 mA下C-LED、μ-LED阵列（50μm）和μ-LED阵列（20μm）的远场图案。（B）远场方向图的发散角。（C）C-LED 和（d）μ-LED阵列中的光传播特性的示意图。 倾斜侧壁。此外，如中所示无花果。 第4（C）段和4（d）， 可以发现，当偶极子源移动到台面边缘时，TM和TE偏振光的 Lee增加。因此，我们可以得出结论，μ-LED的增强的Lee主 要得益于侧壁面积与发射面积的比率的增大。器件越小，该 比值越大，最终促进更高的Lee。 此外，我们还记录了C-LED、μ-LED阵列（50μm）和μ- LED阵列（20μm）在100 mA注入电流下的远场辐射方向图， 如图5（a）。与C-LED相比，该阵列在整个角辐射范围内观 察到明显更强的提取光强度。μ-LED阵列（20μm）显示出最 高的光强度。当器件工作电流为100mA时，三种样品的空间 光强均在发射角为0°时达到最大值。在中图 图5（B），远 场图案的发散角，从图5（A），对于C-LED、μ-LED阵列 （50μm）和μ-LED阵列（20μm），分别为113.4°、110.3°和 108.7°。为了更好地解释这一现象，C-LED和μ-LED阵列中的 光传播特性的示意图显示在无花果。 第5（C）段和5（d）。 在C-LED中，严重的TIR会阻挡器件内部向下传播的DUV光子； 同时，横向传播的DUV光子将在~15μm[的传播距离内被重新 吸收27]。相比之下，μ-LED阵列不仅可以缩短横向传播距离.

光子，因此减少了被再吸收的机会，但也可以增加被倾 斜侧壁向下反射的机会。因此，μ-LED阵列以较小的发散 角表现出较高的光强度（光传播更具有前向性）。

4. 结论 总之，我们进行了系统的调查- 关于DUVμLED阵列的电学和光学性能的讨论。与C-LED相 比，DUVμ-LED阵列（20μm）在100 mA时显示出更大的LOP （52%），更高的峰值EQE（22%）和更窄的发散角。此外， 通过数值分析，证实了μ-LED阵列的Lee增大是由于侧壁 的光反射增强以及光子横向传播距离缩短所致。因此， 由于较高的Lee，具有较小像素尺寸的DUVμ-LED阵列应该 表现出更好的光学性能。对于更小的尺寸（例如， 10μm），可以预期更高的Lee。此外，光在μ-LED阵列中 以更好的方向性传播。这些观察提供了对μ-LED阵列中的 光学行为的全面理解，这可以帮助社区为各种应用构建 高效率和高功率的DUV LED。 

致谢 本文得到了国家自然科学基金（批准号：）的资助。 52161145404、61905236、51961145110）、中央高校基础研 究基金（批准号：WK2100230020）、中国科学技术大学双一 流建设研究基金（批准号：YD3480002002），并在USTC微纳 米研究和制造中心进行了部分研究。

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A 10  ×  10 deep ultraviolet light-emitting micro-LED array.pdf

参考文献  

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