倾斜侧壁增强光提取效率相关机制的建模仿真研究

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由于减少了散射长度和材料吸收，其芯片底部和侧面的LEE均得到了大幅度提升。我们推测这是由于不同的散射机制导致了不同尺寸的深紫外LED具有的不同的最佳倾斜侧壁角度。对于小尺寸的芯片而言，其内部产生的大多数光线直接被倾斜侧壁散射，而对于大尺寸的芯片而言，大多数光线在被倾斜侧壁散射之前在出光面进行全内反射。

图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随侧壁倾斜角度的变化；（c）不同尺寸的深紫外LED的TM偏振光和TE偏振光的最佳倾斜侧壁角度；器件尺寸分别为（d） 1 µm和（e） 300 µm的深紫外LED的远场分布和（f）TM偏振光的底部和侧面光提取效率与倾斜侧壁角度的关系。

为进一步对比说明上述不同器件尺寸产生的差异，我们在图3（a）中示展示了两种散射路径的①和②以及逃逸锥分布的示意图，并通过计算反射逃逸锥与倾斜侧壁角之间的关系进一步揭示了倾斜侧壁处产生的两种散射机制以及其增强LEE的不同来源。如图3（b）所示，可以发现散射路径①与反射逃逸锥角范围的最大重叠区域在55°~ 65°左右，而散射路径②的最大重叠区域在25°~ 35°左右。因此，散射路径①的最佳倾斜侧壁角大于散射路径②的最佳倾斜侧壁角。所以当芯片尺寸增加时，主散射路径逐渐由散射路径①向散射路径②转移，导致最佳倾斜侧壁角度减小。

图3（a）倾斜侧壁结构的逃逸锥和逃逸光路分布示意图；（b）不同倾斜侧壁角度对应的逃逸锥范围和逃逸路径。

为了进一步证实这一点，我们设计了一个排除散射路径①的仿真模型，如图4（a）所示。仿真模型包括一个11 × 11的微型LED阵列，其台面尺寸为1 µm。只有中间位置的微型LED的台面侧壁设置为垂直型结构，其余的台面侧壁均设置为倾斜侧壁结构。而且光源只放在中间的LED上。因此，光源发出的光不能被倾斜侧壁直接反射，排除了散射路径①。微型LED阵列的仿真结果如图4（b）所示。所设计的微型LED阵列的最佳侧壁倾斜角度为35°，这与之前的理论分析是一致的，即在具有倾斜侧壁的LED中，两种散射机制同时产生，最佳倾斜侧壁角在25°到65°之间。