Optimalisatie van de dikte van de lichtgeleiderlaag voor verbetering van de lichtextractie-efficiëntie van ultraviolet licht-emitterende diodes

Inleiding

De COVID-19-pandemie heeft geleid tot een stijging van het wereldwijde sterftecijfer. Hoewel traditionele ultraviolet (UV)-C kwiklampen kunnen worden gesteriliseerd, beperken hun kwikgehalte, gedispergeerde spectrale golflengte, omvang en korte levensduur hun toepasbaarheid. UV-C light-emitting diodes (LED's) zijn milieuvriendelijk, kwikvrij en niet-vervuilend. De sterilisatiegolflengte is geconcentreerd tussen 260 en 280 nm. Omdat de lichtbron klein is en een lange levensduur heeft, heeft hij geleidelijk de UV-C-kwiklampen als primaire sterilisatielichtbron vervangen. UV-licht vernietigt bacteriële DNA- of RNA-structuren en wordt op grote schaal gebruikt om oppervlakken, lucht en water te ontsmetten. De UV-C-golfband tussen 260 en 280 nm heeft het grootste bacteriedodende effect en voorkomt de regeneratie van microbiële cellen om desinfectie en sterilisatie te bereiken [1,2,3]. Studies hebben het brede gebruik van UV-C-LED's in medische fototherapie en bij de desinfectie en sterilisatie van water, voedsel en medicijnen voor veilige consumptie gedocumenteerd [4,5,6,7]. Traditionele kwik-UV-lampen worden benadeeld door hun lange opwarmtijden, korte levensduur, explosiegevaar en milieuvervuiling; UV-C LED's zijn superieur in alle bovengenoemde aspecten [8,9,10]. Het UV-C-golflengtebereik is 100-280 nm en de UV-C LED-golflengte ligt tussen 260 en 280 nm. Omdat de emissiegolflengte van leds meer geconcentreerd is, zijn hun sterilisatie-efficiëntie en betrouwbaarheid op lange termijn ook beter dan die van kwik-UV-lampen [11, 12]. De slechte externe kwantumefficiëntie (EQE) en lichtextractie-efficiëntie (LEE) van UV-C-leds moeten echter worden verbeterd. De lage EQE en LEE van op AlGaN gebaseerde UV-C-leds zijn toe te schrijven aan elektronenlekkage en totale interne reflectie (TIR), waardoor fotonen worden geabsorbeerd door het saffiersubstraat en de materialen in de p-GaN-contactlaag [13,14 ,15].

Benaderingen voor LEE-verbetering omvatten het gebruik van een saffiersubstraat met nanopatroon als substraat voor de productie van UV-C-LED's. De groei van op InGaN gebaseerde LED-substraten met gemengd patroon van saffier op microschaal en nanoschaal werd voorgesteld door Wen Cheng Ke et al. , die de LED toestond om nanogaten in het micropatroon van saffiersubstraat in te bedden om de foto-elektrische eigenschappen te verbeteren [16]. Phillip Manley et al. gebruikte een saffiersubstraat met nanopatroon in diepe UV (DUV) LED's, om de effecten van een dergelijke structuur met nanopatroon op de LEE van saffier te verifiëren [17].

Shao Hua Huang et al. gebruikte nat-etsen van een flip-chipstructuur om een ​​saffiersubstraat te modificeren en het een schuine textuur te geven, waardoor de LEE van een nitride-LED werd verbeterd [18]. Dong Yeong Kim stelde een n-type GaN-microspiegel voor met een met Al-gecoate hellingsbarrière, een zijwand-emissie-verbeterde DUV-LED, om de LEE van transversale magnetische polarisatie te verbeteren [19].

Sommige wetenschappers hebben voorgesteld om het lichtpad te veranderen om LEE te verbeteren door een secundaire lens te ontwerpen. Bijvoorbeeld, Renli Liang et al. gebruikte nanolens-arrays om de LEE van DUV-LED's te verbeteren door middel van lithografische en nat-etstechnologie. Bin Xie et al. stelde een freeform-lens voor met een helderheidsverhogende film om de algehele prestaties van een direct verlichte LED-achtergrondverlichting te verbeteren [20, 21]. UV-C LED's en hun eigenschappen met betrekking tot de absorptie van organisch materiaal beïnvloeden de keuze van verpakkingsmaterialen. Nagasawa en Hirano promootten het gebruik van p-type butylvinylether met een trifluormethyl-eindstructuur op AlGaN-substraten als ingekapseld materiaal om LEE te verbeteren [22]. Bij langdurige DUV-bestraling worden organische materialen onderworpen aan ernstige moleculaire dissociatie en vernietiging. Om een ​​efficiëntere en betrouwbaardere lichtextractie te bevorderen, is een materiaal met een hoge weerstand tegen UV-licht of anorganische materialen vereist. De luchtdichtheid van een verpakking is ook een sleutelfactor voor het evalueren van de verpakkingscapaciteit [23, 24]. Om zowel de hoge penetratie als de betrouwbaarheid op lange termijn te garanderen, wordt kwartsglas vaak gebruikt als verpakkingsmateriaal voor UV-LED's. Wanneer de holte hol is, verminderen hoge grensvlakreflecties LEE; de holte kan worden gevuld met vloeibare of organische lijm met een lage brekingsindex voor LEE-verbetering. In dit opzicht stelde Chieh-Yu Kang voor dat een nieuw type DUV LED-vloeistofverpakkingsstructuur LEE-verbeteringen kan bereiken. Chien Chun Lu demonstreerde de hogere en betrouwbaardere LEE van UV-C LED's met een hermetisch pakket op basis van kwarts [25, 26].

Verschillende verpakkingsmaterialen zoals polydimethylsiloxaan (PDMS) vloeistof gedoteerd met SiO₂ nanodeeltjes kunnen de LEE van UV-LED's verbeteren. Zhi Ting Ye stelde voor dat de met nanodeeltjes gedoteerde PDMS-vloeistof de optische prestaties van op AlGaN gebaseerde DUV-LED's [27] verbeterde. Yang Peng gebruikte dit inkapselingsmateriaal gedoteerd met fluorpolymeer op een aluminiumnitridesubstraat om de LEE van een chip-on-board inkapselingsstructuur te verbeteren [28]. Joosun Yun en Hideki Hirayama stelden verschillende waferstructuren voor in een vergelijkende studie met zes verschillende flip-chipstructuren, waarbij een AlGaN-meta-oppervlak werd verkregen voor verbeterde LEE [29].

Het is ook vermeldenswaard dat fotonenbeheer is aangetoond als een efficiënte manier om licht te extraheren en te oogsten en dat het op grote schaal is gebruikt in een verscheidenheid aan opto-elektronische apparaten, waaronder fotodetectoren en chemische foto-elektroncellen [30,31,32,33], zonnecellen [34, 35] en Micro-light-emitting diodes in weergavetechnologie [36].

Onderzoek naar de verfijning van UV-C-leds moet de effecten van de dikte van de lichtgeleiderlaag op LEE nog onderzoeken. Wanneer saffier wordt gebruikt als materiaal voor de lichtgeleidingslaag, is de absorptiesnelheid relatief laag in de algemene blauwe golflengteband van 450 nm, maar relatief hoog in de UV-C LED 260-280 nm golflengteband, wat de invloed van dikte op LEE aantoont. 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 lichtgeleiderlaag

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 in twee delen verdeeld; een deel van het licht wordt gereflecteerd en het andere wordt gebroken. Omgekeerd, 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 worden berekend met behulp van Vgl. (1). Wanneer n₁ is 1,788, de kritische hoek θ _c van de TIR is 34,136 °, zoals geïllustreerd in Fig. 1. De rode driehoekige kegel vertegenwoordigt het niet-totale reflectiegebied dat de lichtgeleidingslaag kan binnendringen en vervolgens kan verlaten, en het resterende cyaangebied is het TIR-gebied, waarin licht weerkaatst en wordt geabsorbeerd door het materiaal, waardoor de LEE wordt verminderd.

Totale reflectie in de lichtgeleiderlaag. een Platte schematische schets en b driedimensionale schematische schets

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

Wanneer de lengte L en breedte W van de lichtgeleidingslaag zijn vast, de dikte van de lichtgeleidingslaag H_LG beïnvloedt het TIR-gebied. Zoals weergegeven in Fig., komt er licht uit de lichtemitterende laag in de lichtgeleidingslaag en dus treedt het TIR-fenomeen niet op in het oranje gebied. Als de invalshoek dit gebied overschrijdt, treedt TIR op in het cyaangebied van Fig. 2. De breedte van dit gebied kan worden gedefinieerd als T_W , zoals uitgedrukt in Vgl. (2).

Schema van het UV-C LED TIR-fenomeen

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

Simulatie en optimalisatie van de dikte van de lichtgeleiderlaag om de LEE van UV-C-leds te verbeteren

We gebruikten Solidwork 3D-tekensoftware en Ansys SPEOS optische simulatiesoftware om het optische systeem te construeren en om de effecten van de dikte van de lichtgeleiderlaag op LEE te simuleren en te optimaliseren met behulp van eerste-orde optisch ontwerp. Met Al₂ O₃ als materiaal voor de lichtgeleiderlaag hebben we de dikte aangepast om absorptieproblemen veroorzaakt door TIR te verminderen.

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

een Structureel diagram van de UV-C LED-chip, en b een vereenvoudigd parameterdiagram van UV-C LED-chipsimulatie

De lichtgeleiderlaag was samengesteld uit Al₂ O₃ , de brekingsindex N_LGL was 1,782, en de dikte van de lichtgeleiderlaag (H_LG ) interval was 150-700 urn. De lichtemitterende laag (LEL) had een dikte H_LE van 1,5 μm, het bovenoppervlak van de laag was een lichtgevend oppervlak, het onderoppervlak was een gedeeltelijk absorberende en gedeeltelijk reflecterende laag en de dikte van de UV-C LED-elektrode H_pd was 1,5 urn; het materiaal was ingesteld om gedeeltelijk te absorberen en gedeeltelijk te reflecteren. Figuur 3a illustreert de structuur van de UV-C LED-chip en figuur 3b is een vereenvoudigd simulatiediagram van de chip. De parameterinstellingen staan ​​vermeld in Tabel 1.

Figuur 4a toont een schematische weergave van de driedimensionale structuur van de UV-C LED, en figuur 4b is een schematische weergave van het lichtspoor van het gesimuleerde lichtemitterende oppervlak.

Opbouw van de UV-C LED; een driedimensionale structuur van de UV-C LED-simulatie, en b lichtspoor simulatiediagram

Deze studie analyseerde de effecten van een lichtgeleiderdikte van 150-700 μm op LEE; de gesimuleerde input-stralingsflux was 1 W, en het simulatieresultaat wordt weergegeven in Fig. 5. Toen de dikte van de lichtgeleider 150 m was, was de relatieve stralingsflux 0,41 W, en toen de dikte van de lichtgeleider werd vergroot, de LEE nam op zijn beurt toe. Bij een lichtgeleiderdikte van 600 m was de stralingsflux 0,62 W, ​​een 1,512-voudige toename. Volgens de simulatieresultaten, als de dikte verder wordt vergroot, is de LEE dicht bij verzadiging en neemt niet toe. Toen de dikte van de lichtgeleidingslaag 700 m was, was de efficiëntie slechts 2,2% hoger dan die van de laag op 600 μm, zoals weergegeven in Fig. 5.

LEE-diagram van de gesimuleerde UV-C LED-lichtgeleider met een dikte van 150-700 μm

Tabel 2 toont de relatieve stralingsfluxoutput en de vergroting ervan wanneer de gesimuleerde stralingsfluxinput 1 W was. De lichtgeleidingslaag met een dikte van 600 μm bereikte de beste LEE, vergroting en verwerkingsstabiliteit; bij 700 μm resulteerde dit echter in verwerkings- en snijproblemen en een daaruit voortvloeiende daling van de opbrengst.

We stellen de optimalisatie van de lichtgeleiderlaagdikte voor ter verbetering van de LEE in vergelijking met de nano-patroon saffiersubstraatmethode, de voordelen van de methode hoeven niet door het ets- en reliëfproces te gaan.

Resultaten en discussie

Afbeelding 6 illustreert de UV-C LED-prototypes met verschillende lichtgeleiderlaagdiktes (H_LG ). Afbeelding 6a toont een H_LG waarde van 150 μm, de dikteparameter die vaak wordt gebruikt in industriële omgevingen en die als referentiemeting voor dit experiment diende. Afbeelding 6e toont een H_LG van 600 μm, wat de optimale dikte is voor verhoogde LEE. In het industriële fabricageproces zal het vergroten van de dikte van de lichtgeleidingslaag moeilijkheden bij het snijden veroorzaken en leiden tot splijtproblemen. Wanneer de dikte van de lichtgeleidingslaag 600um is, heeft deze de limietdikte van verwerking in de industrie bereikt.

Zijaanzicht van echte UV-C LED-monsters met lichtgeleiderlaagdiktes (H _LG ) van een 150, b 300, c 400, d 500, e 600, en f 700 μm

Tabel 3 geeft een overzicht van de relatieve stralingsflux van de verschillende diktes van de lichtgeleiderlaag (H_LG ). Met H_LG van 600 m was de stralingsstroom 1,52 keer hoger dan bij een dikte van 150 μm. Afbeelding 7 illustreert de simulatie van het UV-C LED-prototype en de gemeten LEE-groeitrend met verschillende diktes van de lichtgeleiderlaag (150-700 μm); bij H_LG van 700 μm was de groeisnelheid niet langer duidelijk en had de verzadiging bijna bereikt. De simulatieresultaten zijn vergelijkbaar met die in de daadwerkelijke steekproeftest.

Vergeleken met gesimuleerde en gemeten LEE verbeteren de tijden van UV-C LED's met een lichtgeleidingslaagdikte van 150-700 um

Tabel 4 geeft de effecten weer van de gesimuleerde UV-C LED op LEE onder verschillende diktes van de lichtgeleiderlaag; Toen de dikte van de lichtgeleider 150 m was, was de relatieve stralingsstroom 13,53 mW, en toen de dikte van de lichtgeleider werd vergroot, nam de LEE op zijn beurt toe. Bij een lichtgeleiderdikte van 600 m was de stralingsflux 20,58 mW, een 1,521-voudige toename. Door het verschil tussen simulatie en meting te vergelijken, blijkt dat de resultaten vergelijkbaar zijn met die in de daadwerkelijke steekproeftest.

Conclusies

Dit artikel stelt een eerste-orde optisch ontwerp voor met behulp van Al₂ O₃ materiaal als de lichtgeleidingslaag om de absorptie veroorzaakt door TIR te verminderen en de LEE van UV-C LED's te optimaliseren. De effecten van lichtgeleidingslagen van verschillende diktes op de LEE van UV-C LED's werden gesimuleerd en geanalyseerd met behulp van SPEOS optische simulatiesoftware. Vergeleken met de standaard laagdikte van 150 m resulteerde een geoptimaliseerde dikte van 600 μm in een 1,52-voudige toename van LEE. Deze verbeterde UV-C LED LEE is gunstig voor het gebruik van dergelijke LED's in sterilisatiesystemen en andere toekomstige toepassingen.

Beschikbare gegevens en materialen

De datasets die de conclusies van dit artikel ondersteunen, zijn beschikbaar in het artikel.

Afkortingen

DUV:

Diep ultraviolet

H_pd :

Elektrodedikte

LEE:

Efficiëntie lichtafzuiging

L:

Lengte

LGL:

Lichtgeleidingslaag

LE:

Lichtgevende laag

TIR:

Totale interne reflectie

UV-C LED's:

Ultraviolet-C lichtemitterende diodes

W:

Breedte