Optimaliseren van Saffier Lichtgeleidingslaag Dikte om UV-LED Licht Extractie Efficiëntie te Verhogen

Samenvatting

Rekening houdend met materiaal bewerkbaarheid en rooster mismatches worden saffier substraten voor ultraviolette-C lichtemitterende diodes (UV-C LEDs) gemeenschappelijk gebruikt, maar hun hoge brekingsindex kan resulteren in totale interne reflectie (TIR) van licht waardoor een deel van het licht geabsorbeerd wordt, wat de licht extractie efficiëntie (LEE) verlaagt. In deze studie stellen we een methode voor om de dikte van een saffier substraat lichtgeleidingslaag te optimaliseren door eerste-orde optisch ontwerp wat gebruikmaakt van de optische simulatie software Ansys SPEOS om de licht extractie efficiëntie te simuleren en evalueren. AlGaN UV-C LED wafers met een lichtgeleidingslaag dikte van 150–700 μm werden gebruikt. De simulatie liep onder een centrale golfengte van 275 nm om de optimale dikte ontwerp van de lichtgeleidingslaag te bepalen. Uiteindelijk toonden de experimentele resultaten aan dat de initiële lichtgeleidingslaag dikte van 150 μm de referentie uitgangsvermogen van 13,53 mW was, en een verhoogde dikte van 600 μm resulteerde in een uitgangsvermogen van 20,58 mW. De LEE kan met 1,52 keer verhoogd worden door optimalisatie van de lichtgeleidingslaag dikte. We stellen een methode voor om de dikte van een saffier substraat lichtgeleidingslaag te optimaliseren door eerste-orde optisch ontwerp. AlGaN UV-C LED wafers met een lichtgeleidingslaag dikte van 150–700 μm werden gebruikt. Uiteindelijk toonden de experimentele resultaten aan dat de LEE met 1,52 keer verhoogd kan worden door optimalisatie van de lichtgeleidingslaag dikte.

Inleiding

De COVID-19 pandemie heeft geleid tot een toename van de wereldwijde sterftes. Hoewel traditionele ultraviolet (UV)-C kwiklampen kunnen steriliseren, hun kwikinnhoud, verdeelde spectrale golfengte, omvang, en korte levensduur beperken hun toepasbaarheid. UV-C lichtemitterende diodes (LEDs) zijn milieuvriendelijk, kwikvrij, en niet-vervuilend. De sterilisatiegolfengte is geconcentreerd tussen 260 en 280 nm. Omdat de lichtbron klein is en een lange levensduur heeft, heeft het geleidelijk traditionele UV-C kwiklampen vervangen als de primaire sterilisatielichtbron. UV-licht vernietigt bacteriële DNA of RNA structuren en is breed gebruikt om oppervlakken, lucht, en water te decontamineren. De UV-C golfengteband tussen 260 en 280 nm heeft de grootste bacteriedoende werking, waardoor de regeneratie van microbiele cellen wordt voorkomen om desinfectie en sterilisatie te bereiken [1,2,3]. Studies hebben het brede gebruik van UV-C LEDs gedocumenteerd in medische fototherapie en in de desinfectie en sterilisatie van water, voedsel, en geneesmiddelen voor veilige consumptie [4,5,6,7]. Traditionele kwik UV lampen zijn benadeeld door hun lange opwarmtijden, korte levensduur, risico op exploderen, en milieuvervuiling; UV-C LEDs zijn superieur in alle bovengenoemde aspecten [8,9,10]. De UV-C golfengtebereik is 100–280 nm, en de UV-C LED golfengte valt tussen 260 en 280 nm. Omdat de emissiegolfengte van LEDs meer geconcentreerd is, is hun sterilisatie-efficiëntie en langetermijn betrouwbaarheid ook beter dan die van kwik UV-lampen [11, 12]. Echter, de slechte externe kwantumefficiëntie (EQE) en licht extractie efficiëntie (LEE) van UV-C LEDs moeten verbeterd worden. De lage EQE en LEE van AlGaN-gebaseerde UV-C LEDs zijn toe te schrijven aan elektronenlek en totale interne reflectie (TIR), wat fotonen doet geabsorbeerd worden door het saffier substraat en de materialen in de p-GaN contactlaag [13,14,15].

Benaderingen voor LEE verbetering hebben het gebruik van een nanopatroon saffier substraat als substraat voor de productie van UV-C LEDs betrokken. De groei van InGaN-gebaseerde LED gemengde gepatroon saffier substraten op micro- en nanoschaal werd voorgesteld door Wen Cheng Ke et al., die de LED liet nanogaten insluiten in de micropatroon saffier substraat om de fotoelektrische kenmerken te verbeteren [16]. Phillip Manley et al. gebruikten een nanopatroon saffier substraat in diepe UV (DUV) LEDs, de effecten van zo'n nanopatroon structuur op de LEE van saffier verifierend [17].

Shao Hua Huang et al. gebruikten nat-etsen van een flip-chip structuur om een saffier substraat te modificeren en het een kanteltextuur te geven, de LEE van een nitriet LED verbeterend [18]. Dong Yeong Kim stelde een n-type GaN micromirror met een Al-gecoate hellingbarrière voor genaamd een zijwandemissie-verbeterde DUV LED om de LEE van transversale magnetische polarisatie te verbeteren [19].

Sommige scholars hebben voorgesteld het lichtpad te veranderen om LEE te verbeteren door het ontwerp van een secundaire lens. Bijvoorbeeld, Renli Liang et al. gebruikten nanolens arrays om de LEE van DUV LEDs te verbeteren door lithografische en nat-etsen technologie. Bin Xie et al. stelden een vrijvorm lens met een helderheidsversterkingsfilm voor om de algehele prestaties van een direct-verlichte LED backlight te verbeteren [20, 21]. UV-C LEDs en hun kenmerken gerelateerd aan organische materiaal absorptie beïnvloeden de keuze van verpakkingsmaterialen. Nagasawa en Hirano promooten het gebruik van p-type butyl vinylether met een trifluoromethyleindstructuur op AlGaN substraten als het geencapsuleerde materiaal om LEE te verbeteren [22]. Onder langdurige DUV bestraling, worden organische materialen blootgesteld aan ernstige moleculaire dissociatie en vernietiging. Om efficiëntere en betrouwbaardere licht extractie te bevorderen, is een materiaal met hoge weerstand tegen UV-licht of anorganische materialen vereist. De luchtdichtheid van een verpakking is ook een sleutelfactor voor het evalueren van verpakkingscapaciteit [23, 24]. Om rekening te houden met zowel hoge doorlaatbaarheid als langetermijn betrouwbaarheid, wordt kwartsglas vaak gebruikt als verpakkingsmateriaal voor UV LEDs. Wanneer de kaviteit hol is, verminderen hoge interface reflecties LEE; de kaviteit kan gevuld worden met vloeistof of organische lijm met een lage brekingsindex voor LEE verbetering. In dit opzicht stelde Chieh-Yu Kang een nieuw type DUV LED vloeistof verpakkingsstructuur voor die LEE verbeteringen kan bereiken. Chien Chun Lu demonstreerde de hogere en betrouwbaardere LEE van UV-C LEDs met een kwarts-gebaseerde hermetische verpakking [25, 26].

Verschillende verpakkingsmaterialen zoals polydimethylsiloxaan (PDMS) vloeistof gedopt met SiO₂ nanopartikels kunnen de LEE van UV LEDs verbeteren. Zhi Ting Ye stelde voor dat de nanopartikel-gedopte PDMS vloeistof de optische prestaties van AlGaN-gebaseerde DUV LEDs verbeterde [27]. Yang Peng gebruikte dit encapsuleringsmateriaal gedopt met fluoropolymeer op een aluminiumnitride substraat om de LEE van een chip-on-board encapsuleringsstructuur te verbeteren [28]. Joosun Yun en Hideki Hirayama stelden verschillende waferstructuren voor in een vergelijkende studie met zes verschillende flip-chip structuren, verkrijgend een AlGaN meta-oppervlak voor verbeterde LEE [29].

Het is ook de moeite waard om te vermelden dat fotonmanagement is aangetoond als een efficiënte manier om licht te extraheren en te oogsten en is breed gebruikt in een verscheidenheid aan opto-elektronische apparaten, inclusief fotodetectoren en foto-elektrisch chemische cellen [30,31,32,33], zonnecellen [34, 35], en micro-lichtemitterende diodes in display technologie [36].

Onderzoek naar de verfijning van UV-C LEDs heeft nog niet de effecten van lichtgeleidingslaag dikte op LEE onderzocht. Wanneer saffier wordt gebruikt als het lichtgeleidingslaag materiaal, is de absorptiesnelheid relatief laag in de algemene blauwe golfengteband van 450 nm maar relatief hoog in de UV-C LED 260–280 nm golfengteband, wat de invloed van dikte op LEE demonstreert. Daarom wordt in dit artikel een optimale waarde voor de dikte van de lichtgeleidingslaag voor de LEE van UV-C LEDs voorgesteld.

Methoden

TIR Fenomeen in de Lichtgeleidingslaag

TIR is een optisch fenomeen waarbij de brekingsindex verandert wanneer licht verschillende media binnenkomt. Wanneer de invalshoek kleiner is dan de kritische hoek, wordt het licht verdeeld in twee delen; één deel van het licht wordt gereflecteerd en het andere gebroken. Integen, wanneer de invalshoek groter is dan de kritische hoek, wordt al het licht intern gereflecteerd zonder breking. De brekingsindex van het interne medium is n₁, en de brekingsindex van het externe medium is n₂. De kritische hoek θ_c kan berekend worden met Vergelijking (1). Wanneer n₁ 1,788 is, is de kritische hoek θ_c van de TIR 34,136°, zoals geïllustreerd in Fig. 1. De rode driehoekkegel vertegenwoordigt het niet-totale reflectiegebied dat het lichtgeleidingslaag kan doorpenetreren en vervolgens verlaten, en het overige cyaan gebied is het TIR gebied, waarin licht botst en door het materiaal geabsorbeerd wordt, wat de LEE verlaagt.

$${\theta }_{C}={\mathrm{sin}}^{-1}\frac{{n}_{2}}{{n}_{1}}$$ (1)

Wanneer de lengte L en breedte W van de lichtgeleidingslaag vastliggen, beïnvloedt de dikte van de lichtgeleidingslaag H_LG het TIR gebied. Zoals afgebeeld in Fig. 2, verlaat licht de lichtemitterende laag in de lichtgeleidingslaag en dus vindt het TIR fenomeen niet plaats in het oranje gebied. Als de invalshoek dit gebied overschrijdt, vindt TIR plaats in het cyaan gebied van Fig. 2. De breedte van dit gebied kan gedefinieerd worden als T_W, zoals uitgedrukt in Vergelijking (2).

$$T_{W}=\mathrm{tan}({\mathrm{sin}}^{-1}\frac{{n}_{2}}{{n}_{1}})\times {H}_{LG}$$ (2)

Simulatie en Optimalisatie van de Lichtgeleidingslaag Dikte om de LEE van UV-C LEDs te Verbeteren

We gebruikten Solidwork 3D tekensoftware en Ansys SPEOS optische simulatie software om het optische systeem te construeren en de effecten van lichtgeleidingslaag dikte op LEE te simuleren en optimaliseren met behulp van eerste-orde optisch ontwerp. Met Al₂O₃ werkend als het lichtgeleidingslaag materiaal, wijzigden we de dikte om absorptieproblemen veroorzaakt door TIR te reduceren.

De golfengte van de UV-C LED chip was 275 nm, de lengte L 1,524 mm, en de breedte W was 1,524 mm, zoals gepresenteerd in Fig. 3.

De lichtgeleidingslaag was samengesteld uit Al₂O₃, de brekingsindex N_LGL was 1,782, en het lichtgeleidingslaag dikte interval (H_LG) was 150–700 μm. De lichtemitterende laag (LEL) had een dikte H_LE van 1,5 μm, het bovenste oppervlak van de laag was een lichtemitterend oppervlak, het onderste oppervlak was een deels absorberende en deels reflecterende laag, en de UV-C LED elektrode dikte H_pd was 1,5 μm; het materiaal was ingesteld op deels absorberen en deels reflecteren. Figuur 3a illustreert de structuur van de UV-C LED chip, en Fig. 3b is een vereenvoudigd simulatie diagram van de chip. De parameterinstellingen zijn vermeld in Tabel 1.

Figuur 4a presenteert een schematische van de UV-C LED driedimensionale structuur, en Fig. 4b is een schematische van de lichtspoor van de gesimuleerde lichtemitterende oppervlakte.

Deze studie analyseerde de effecten van lichtgeleidingsdikte van 150–700 μm op LEE; de gesimuleerde invoer stralingsflux was 1 W, en het simulatie resultaat is gepresenteerd in Fig. 5. Toen de dikte van de lichtgeleiding 150 μm was, was de relatieve stralingsflux 0,41 W, en toen de dikte van de lichtgeleiding verhoogd werd, nam de LEE toe. Bij een lichtgeleidingsdikte van 600-μm was de stralingsflux 0,62 W, een 1,512-voudige toename. Volgens de simulatie resultaten, als de dikte verder verhoogd wordt, is de LEE dicht bij verzadiging en neemt niet toe. Toen de dikte van de lichtgeleidingslaag 700 μm was, was de efficiëntie slechts 2,2% hoger dan die van de laag bij 600 μm, zoals gepresenteerd in Fig. 5.

Tabel 2 toont de relatieve stralingsflux uitgang en de vergroting toen de gesimuleerde stralingsflux invoer 1 W was. De lichtgeleidingslaag met een dikte van 600 μm bereikte de beste LEE, vergroting, en verwerkingsstabiliteit; echter, bij 700 μm, resulteerde het in verwerkings- en snijmoeilijkheden en een consequent afname in opbrengst.

We stellen de optimalisatie van de lichtgeleidingslaag dikte voor voor verbetering van de LEE vergeleken met de nano-patroon saffier substraat methode, de voordelen van de methode hoeven niet door het etsen en precisioneren proces te gaan.

Resultaten en Discussie

Figuur 6 illustreert de UV-C LED prototypes met verschillende lichtgeleidingslaag diktes (H_LG). Figuur 6a toont een H_LG waarde van 150 μm, de dikte parameter algemeen gebruikt in industriële instellingen die als een referentiemeting voor dit experiment diende. Figuur 6e toont een H_LG van 600 μm, wat de optimale dikte is voor verhoogde LEE. In het industriële productieproces zal het verhogen van de dikte van de lichtgeleidingslaag moeilijkheid in snijden veroorzaken en leidt tot splitsingsproblemen. Wanneer de dikte van de lichtgeleidingslaag 600 μm is, heeft het de limietdikte van verwerking in de industrie bereikt.

Tabel 3 vermeldt de relatieve stralingsflux van de verschillende lichtgeleidingslaag diktes (H_LG). Met H_LG van 600 μm, was de stralingsflux 1,52 keer hoger dan met een dikte van 150 μm. Figuur 7 illustreert de UV-C LED prototype simulatie en gemeten LEE groeitrend met verschillende lichtgeleidingslaag diktes (150–700 μm); bij H_LG van 700 μm, was de groeisnelheid niet meer duidelijk en had zich genaderd tot verzadiging. De simulatie resultaten zijn vergelijkbaar met die in de echte monstertest.

Tabel 4 detailleert de effecten van de gesimuleerde UV-C LED op LEE onder verschillende lichtgeleidingslaag diktes; Toen de dikte van de lichtgeleiding 150 μm was, was de relatieve stralingsflux 13,53 mW, en toen de dikte van de lichtgeleiding verhoogd werd, nam de LEE toe. Bij een lichtgeleidingsdikte van 600-μm was de stralingsflux 20,58 mW, een 1,521-voudige toename. Het vergelijken van het verschil tussen simulatie en meting toont aan dat de resultaten vergelijkbaar zijn met die in de echte monstertest.

Conclusies

Dit artikel stelt een eerste-orde optisch ontwerp voor met Al₂O₃ materiaal als de lichtgeleidingslaag om de absorptie veroorzaakt door TIR te reduceren en de LEE van UV-C LEDs te optimaliseren. De effecten van lichtgeleidingslagen van verschillende diktes op de LEE van UV-C LEDs werden gesimuleerd en geanalyseerd met SPEOS optische simulatie software. Vergeleken met de standaard laag dikte van 150 μm, resulteerde een geoptimaliseerde dikte van 600 μm in een 1,52-voudige toename in LEE. Deze verbeterde UV-C LED LEE is gunstig voor het gebruik van dergelijke LEDs in sterilisatiesystemen en andere toekomstige toepassingen.