Met nanodeeltjes gedoteerde polydimethylsiloxaanvloeistof verbetert de optische prestaties van op AlGaN gebaseerde diep-ultraviolette lichtgevende dioden

Methoden en materialen

Figuur 1 toont het schema van het voorgestelde DUV-LED-inkapselingsproces dat uit de volgende stappen bestaat:(a) een keramisch substraat wordt bereid met aluminiumoxide als elektrodemateriaal; (b) de DUV-LED-chip (piekgolflengte 275 nm) is door middel van hetedrukbinding aan het keramische substraat gebonden; (c) de zijwandholte van de aluminium reflector is verbonden met het DUV-LED keramische substraat en de chip wordt in het midden van de opening geplaatst; (d) PDMS-vloeistof wordt gedoseerd in de zijwandholte van de aluminium reflector; e) een coatingbindmiddel en een halfbolvormig, UV-doorlatend glas met een diameter van 3 mm en een hoogte van 1,3 mm worden op de buitenring van de zijwandholte van de aluminiumreflector geplaatst; (f) individuele DUV-LED's worden uitgesneden langs de kraslijnen; en (g) een complete DUV-LED met een SiO₂ -NP-gedoteerde PDMS-vloeistofinkapselingsstructuur wordt verkregen. Figuur 2a illustreert een conventionele DUV-LED, en figuur 2b toont een DUV-LED ingekapseld met PDMS-vloeistof voorgesteld in deze studie. De tussenlaag bestaat uit PDMS gedoteerd met SiO₂ NP's. De traditionele methode maakt gebruik van een verticale keramische zijwand aan de linker- en rechterkant van de DUV-LED-flipchip, vlak UV-doorlatend glas aan de bovenkant en lucht als medium tussen de DUV-LED-flipchip en glas. De middelste laag van het voorgestelde ontwerp was een ingekapselde structuur van SiO₂ NP's in PDMS-vloeistof met een halfronde UV-doorlatende glasstructuur hierboven. Figuur 2c plot de transmissie van de PDMS-vloeistof bij verschillende golflengten zoals verkregen met behulp van een optische spectrofotometer-meetsysteem (Hitachi, Tokyo, Japan). De grafiek laat zien dat de PDMS-vloeistoftransmissie 85% was bij 275 nm. Afbeelding 2d toont een foto van de DUV-LED met een oppervlakte van 0,78 × 0,75 mm ² (Dowa Co. Ltd., Tokyo, Japan) en het emissiespectrum ervan werd vastgelegd bij 200 mA voorwaartse stroom. De dominante golflengte van de chip was 275 nm met een volledige breedte op het halve maximum van 12 nm. Alle gegevens werden verkregen met behulp van een optisch systeem SLM-20 integrerende bol (Isuzu Optics, Hsinchu, Taiwan). Tabel 1 geeft een overzicht van de specificaties (oppervlakte- en materiaaleigenschappen) van alle componenten van de voorgestelde ingekapselde DUV-LED.

Fabricage van DUV-LED-inkapselingsstructuur:a keramisch substraat, b DUV-LED-chip (piekgolflengte, 275 nm) gebonden aan een keramisch substraat door middel van drukbinding, c aluminium plaat gebonden aan het DUV-LED keramische substraat, d gedoteerd bindmiddel afgegeven in de holte, e een kwarts lensdop geplaatst op de structuur, f uitgesneden afgewerkte DUV-LED's, en g complete DUV-LED met een SiO₂ -NP-gedoteerde PDMS vloeistof inkapselingsstructuur

DUV-LED inkapselingsstructuur:a Schema van conventionele flip-chip DUV-LED, b inkapselingsstructuur en SiO₂ nanodeeltjes (NP)-gedoteerde polydimethylsiloxaan (PDMS) vloeistof DUV-LED inkapselingsstructuur, c transmissie van de PDMS-vloeistof van 200–600 nm, d foto van de DUV-LED en het emissiespectrum vastgelegd bij een voorwaartse stroom van 200 mA voor de voorgestelde DUV-LED, en e hoge resolutie transmissie-elektronenmicroscopie beeld van SiO₂ NP's ²⁶

Een transmissie-elektronenmicroscopiebeeld van de SiO₂ NP's (AEROSIL hydrofoob pyrogeen silica, Frankfurt am Main, Duitsland) wordt weergegeven in Fig. 2e. De NP's werden bereid door eerst het vocht bij 150°C in een oven te verwijderen en vervolgens de NP's in een N₂ tank gedurende 48 h om hun oppervlakken te drogen. De gemiddelde grootte van de NP's is ingesteld op 14 nm om te voorkomen dat ze door vocht aan elkaar gaan kleven.

Resultaten en discussie

Er werden vier soorten DUV-LED-inkapseling gebruikt, die worden weergegeven in Fig. 3. Afbeelding 3a toont DUV-LED (I) met een DUV-LED-chip en aluminium reflectorzijwanden onder een hoek van 60°. Figuur 3b toont DUV-LED (II) waarin de zijwandholte van de aluminium reflector werd gevuld met PDMS-vloeistof. Figuur 3c toont DUV-LED (III) waarin de zijwandholte van de aluminium reflector gevuld was met iets minder PDMS-vloeistof dan die in DUV-LED (II) en met een halfronde UV-doorlatende glazen afdekking. Figuur 3d toont DUV-LED (IV) waarin de aluminium reflectorzijwandholte volledig was gevuld met PDMS-vloeistof en een halfronde UV-doorlatende glazen afdekking werd gebruikt. Integrerende bolmeting werd uitgevoerd voor de vier soorten DUV-LED-inkapseling (Fig. 3e). Toen de stuurstroom van de DUV-LED (I)-chip 200 mA was, was het lichtuitgangsvermogen 42,07 mW. Daarentegen, toen de aandrijfstroom van de DUV-LED (II)-chip 200 mA was, was het lichtoutputvermogen 36,11  mW, wat 14,16% lager was dan dat voor DUV-LED (I). Deze toestand deed zich voornamelijk voor omdat TIR optrad toen PDMS-vloeistof de zijwandholte van de aluminium reflector vulde. De extractie-efficiëntieverhouding van UV-licht gekoppeld aan de PDMS-vloeistof tot UV-licht gekoppeld aan lucht wordt gegeven door de volgende vergelijking [12]:

$$ \frac{\eta_{PDMSfluid}}{\eta_{air}}=\frac{1-{\mathit{\cos}}_{\theta c, PDMS\kern0.5em fluid}}{1-{ \mathit{\cos}}_{\theta c, air}}, $$ (1)

Schema en vergelijking van de vier inkapselingsstructuren:a DUV-LED (I), b DUV-LED (II), c DUV-LED (III), d DUV-LED (IV), e lichtuitgangsvermogen onder verschillende inkapselingsomstandigheden, en f licht uitgangsvermogen met verschillende SiO₂ NP-concentraties (%) in de PDMS-vloeistof

waar θ _{c,PDMS-vloeistof} en θ _c,air zijn de kritische hoeken voor TIR op respectievelijk de PDMS vloeistof DUV-LED en lucht UV-LED interfaces. Toen de stuurstroom van de DUV-LED (III)-chip 200 mA was, was het optische uitgangsvermogen 48,126  mW, wat 14,39% hoger was dan dat voor DUV-LED (I). Deze aandoening deed zich voornamelijk voor omdat de concave lens de TIR verminderde maar de LEE verhoogde. DUV-LED (III) had echter een luchtspleet, waardoor het niet de hoogste lichtopbrengst had van alle gefabriceerde apparaten. Toen de stuurstroom van de DUV-LED (IV)-chip 200 mA was, was het uitgangsvermogen 70,045  mW, wat 66,49% hoger was dan dat van DUV-LED (I). De DUV-LED (IV) inkapselingsstructuur gaf het hoogste lichtopbrengstvermogen omdat er geen luchtspleet aanwezig was in de inkapseling, waardoor de volledige transmissie van DUV-licht van de DUV-LED mogelijk was. Het lichtopbrengstvermogen werd ook bepaald voor DUV-LED (II), DUV-LED (III) en DUV (IV) inkapseling wanneer de PDMS-vloeistof werd gedoteerd met SiO₂ NP's (figuur 3f). De DUV-LED (I)-structuur is niet meegenomen in de vergelijking omdat deze geen PDMS-vloeistof bevatte. De gewichtspercentageconcentraties (%) van NP werden ingesteld op 0, 0,1, 0,2 en 0,3 gew.%. Toen de stuurstroom van de DUV-LED (IV)-chip 200 mA was, was het lichtuitgangsvermogen 70,04, 74,32, 80,58 en 77,44  mW. Dus een SiO₂ NP-dopingconcentratie van 0,2 wt% resulteerde in de hoogste LEE. Doping van de PDMS-vloeistof met SiO₂ NP's verhoogden de hoeveelheid verstrooid licht, maar verminderden de hoeveelheid TIR. Doping met 0,2 wt% SiO₂ NP resulteerde in 15% hogere LEE dan doping met 0 wt% SiO₂ NP. Vergeleken met die van DUV-LED (I) was de LEE 81,45% hoger bij een stuurstroom van 200 mA. DUV-LED-inkapseling werd uitgevoerd met behulp van de fabricagemethoden beschreven in Fig. 3. Tabel 2 toont de afbeeldingen van de operatie bij een stuurstroom van 200 mA van de DUV-LED (IV) met PDMS-vloeistofdoping bij 0,2 wt% SiO2 NP's. Afbeelding 4 geeft een vergelijking van de gemiddelde interfacetemperaturen van DUV-LED (I) en DUV-LED (IV) met SiO₂ NP-gedoteerde PDMS-vloeistof bij verschillende aandrijfstromen. Toen de stuurstroom 200 mA was, was de interfacetemperatuur in het DUV-LED (IV)-apparaat 4 °C lager dan die in het DUV-LED (I)-apparaat, waaruit blijkt dat de inkapselingsstructuur de thermische temperatuur effectief verzwakte. Tabel 2 toont een temperatuurkaart van de DUV-LED (I) en DUV-LED (IV) die is verkregen met een infrarood warmtebeeldcamera (ChingHsing Co. Ltd., Taipei, Taiwan). Bij de stuurstroom van 140 mA had de DUV-LED (IV) een lagere bedrijfstemperatuur dan de DUV-LED (I). Voor DUV-LED (I) zonder PDMS-vloeistof was de temperatuur het hoogst op het oppervlak van de chip. De resultaten in Fig. 4 en Tabel 2 laten zien dat de inkapselingsstructuur met PDMS-vloeistof gedoteerd met SiO₂ NP's hebben een superieure warmteafvoer.

Afhankelijkheid van de gemiddelde oppervlaktetemperatuur van DUV-LED (I) en DUV-LED (IV)

Conclusies

Dit artikel stelt een nieuwe inkapselingsmethode voor om de LEE van DUV-LED's te verbeteren door de PDMS-vloeistof te doteren met SiO₂ NP's. Door gebruik te maken van de SiO₂ . werd een aanzienlijk hoog lichtopbrengstvermogen bereikt NP-gedoteerde PDMS-vloeistofinkapselingsstructuur. IN het bijzonder was het lichtopbrengstvermogen 81,45% hoger wanneer de PDMS-vloeistof gedoteerd met 0,2 wt% SiO₂ NP's werden in de holte geplaatst in plaats van in de lucht. Deze verbetering wordt toegeschreven aan de verminderde TIR en de extra lichtverstrooiing in de PDMS-vloeistof vanwege de toevoeging van SiO₂ NP's. De gemiddelde interfacetemperatuur was 4 °C lager bij een stuurstroom van 200 mA. De voorgestelde architectuur was compact en haalbaar om in de toekomst high-LEE AlGaN-gebaseerde DUV-LED's te fabriceren.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Niet van toepassing

Afkortingen

DUV-LED's:

Diep-ultraviolette lichtgevende diodes

NP's:

Nanodeeltjes

PDMS:

Polydimethylsiloxaan