Silica-nanodeeltjes-versterkte PDMS encapsulatie verbetert lichtuitgang en thermische prestaties van AlGaN diep-UV LEDs aanzienlijk

Samenvatting

Deze studie introduceert een innovatief encapsulatie schema voor AlGaN-gebaseerde diep-UV LEDs (DUV-LEDs) dat een polydimethylsiloxane (PDMS) vloeistof gedopt met SiO₂ nanopartikels (NPs) en afgedekt met een UV-doorzichtige kwarts hemisfeer gebruikt. De geencapsuleerde LEDs leveren een aanzienlijk hogere lichtuitgang dan conventionele ontwerpen: de licht-uitwinnings-efficiëntie (LEE) stijgt met 66,49% bij 200 mA, en de maximale efficiëntie treedt op wanneer de PDMS 0,2 gew.% SiO₂ NPs bevat. Vergeleken met een ongedoopt vloeistof, levert de 0,2 gew.% gedoopte configuratie een 15% boost in uitgangsvermogen, terwijl de algehele prestatie de traditionele encapsulatie met 81,49% overtreft. Bovendien verlaagt de structuur de interface temperatuur met 4 °C bij 200 mA, wat het thermisch beheer verbetert.

Achtergrond

AlGaN-gebaseerde DUV-LEDs (200–300 nm) worden steeds vaker gebruikt in sterilisatie, waterbehandeling, beveiliging, en sensing, wat een kwikvrije, hoog betrouwbare alternatief biedt voor conventionele UV lampen [1–10]. Hun beperkte uitgangsvermogen stamt van quantum-put defecten, absorptieverliezen, en totale interne reflectie (TIR) aan de safier-lucht interface [15–17]. Terwijl silicium encapsulanten de LEE in zichtbare LEDs hebben verbeterd [18–30], lijden DUV apparaten nog steeds. Hier voeren we een vloeistof encapsulatie voor met PDMS—niet-giftig, chemisch stabiel, met een brekingsindex van 1,43 en >85% transmissie bij 275 nm [31–32]—en verbeteren het verder door SiO₂ NPs te incorporeren om licht te verstrooien en de gemiddelde brekingsindex te verhogen.

Methodes en Materialen

Figuur 1 schetst de fabricagevolgorde: (a) keramisch substraat met alumina elektoden; (b) 275 nm piek DUV-LED chip aan het substraat gebonden via hete-pressing; (c) aluminium reflector kaviteit gepositioneerd rond de chip; (d) PDMS vloeistof (optioneel gedopt met SiO₂ NPs) gevuld in de kaviteit; (e) een 3 mm × 1,3 mm hemisferische kwarts lens geplaatst op de buitenste ring; (f) dijken langs scribe lijnen; en (g) de finale DUV-LED met de NP-gedopte PDMS encapsulatie. Figuur 2a toont een conventionele DUV-LED, terwijl Figuur 2b ons ontwerp illustreert met een SiO₂-NP-gedopte PDMS laag en kwarts afdekking. De PDMS transmissiecurve (Figuur 2c) bevestigt 85% doorlaat bij 275 nm. Emissiespectra gemeten met een SLM-20 integrerende bol (Isuzu Optics) bevestigen een dominante 275 nm piek met een 12 nm volle-breedte-op-half-maximum. Tabel 1 lijst alle component specificaties.

Fabricatiestappen: a keramisch substraat, b DUV-LED chip aan substraat gebonden, c aluminium plaat aan chip gebonden, d gedoopte binder gedispenseerd in kaviteit, e kwarts lens afdek, f uitgezaagde klaar LEDs, g finale apparaat met SiO₂-NP-gedopte PDMS.

Encapsulatie details: a conventionele flip-chip, b ons NP-gedopte PDMS ontwerp, c PDMS transmissie (200–600 nm), d foto en emissiespectrum bij 200 mA, e TEM beeld van 14 nm SiO₂ NPs [26].

SiO₂ NP bereiding: 150 °C dehydratie, 48 u N₂ drogen, 14 nm gemiddelde grootte om agglomeratie te vermijden.

Resultaten en Discussie

Vier encapsulatie varianten werden geëvalueerd (Figuur 3). DUV-LED (I) gebruikt een 60° aluminium reflector met een luchtkaviteit; (II) vervangt de lucht door PDMS vloeistof; (III) vult de kaviteit met iets minder PDMS en voegt een kwarts hemisfeer toe; (IV) vult de kaviteit volledig met PDMS en omvat de kwarts afdek. Integrerende-bol metingen tonen aan dat bij 200 mA, (I) 42,07 mW levert, (II) 36,11 mW (−14,16% door TIR in PDMS), (III) 48,13 mW (+14,39%), en (IV) 70,05 mW (+66,49%). De hoogste uitgang treedt op met de complete PDMS kaviteit, wat de luchtspeling elimineert en de lichttransmissie maximaliseert. Figuur 3f verkent SiO₂ NP lading (0, 0,1, 0,2, 0,3 gew.%). Bij 200 mA bereikt het 0,2 gew.% gedoopte apparaat 80,58 mW, een 15% LEE verbetering ten opzichte van de ongedoopte vloeistof en 81,45% ten opzichte van de basislijn (I). Lichtverstrooiing van de NPs vermindert TIR en verhoogt extractie. Thermische imaging (Figuur 4, Tabel 2) bevestigt dat de gedopte PDMS structuur de interface temperatuur met 4 °C verlaagt bij 200 mA, wat superieure warmteafvoering demonstreert.

Encapsulatie vergelijking: (a) DUV-LED (I), (b) DUV-LED (II), (c) DUV-LED (III), (d) DUV-LED (IV), (e) uitgangsvermogen onder elke configuratie, (f) uitgang versus SiO₂ NP concentratie.

Gemiddelde oppervlaktetemperatuur vergelijking tussen DUV-LED (I) en (IV) over stromen.

Conclusies

We tonen aan dat dopen van de PDMS encapsulant met 0,2 gew.% SiO₂ NPs de LEE aanzienlijk verbetert, wat een 81,45% toename in lichtuitgang en een 4 °C reductie in interface temperatuur bij 200 mA oplevert. De verminderde TIR en additionele verstrooiing geleverd door de NPs zijn de basis van deze winsten. Deze compacte, thermisch efficiënte architectuur biedt een praktische route naar high-performance AlGaN DUV-LEDs.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

Niet van toepassing

Afkortingen

DUV-LEDs:

Diep-ultraviolet licht-emitterende diodes

NPs:

Nanodeeltjes

PDMS:

Polydimethylsiloxane