Nanopartikel-dotiertes Polydimethylsiloxan-Fluid verbessert die optische Leistung von AlGaN-basierten tief-ultravioletten Leuchtdioden

Hintergrund

Tief-UV-emittierende Dioden (DUV-LEDs) auf Aluminiumnitridbasis mit einem eutektischen Flip-Chip und einem Wellenlängenbereich von 200–300 nm wurden in der Härtungstechnik, Kommunikationssicherheit, Sterilisationstechnik, chemischen Zersetzung, Wasserreinigung, Luftreinigung, Fälschungserkennung und -erkennung [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]. DUV-LEDs gelten als baldiger Ersatz für herkömmliche UV-Lichtquellen, da sie quecksilberfrei und sehr zuverlässig sind [11,12,13,14]. Die Ausgangsleistung der Flip-Chip-DUV-LED bleibt jedoch hauptsächlich aufgrund von Quantentopfdefekten, Lichtabsorption und Totalreflexion (TIR) ​​an der Saphir-Luft-Grenzfläche niedrig [15,16,17]. Die Lichtextraktionseffizienz (LEE) von LEDs mit sichtbarem Licht wurde durch die Reduzierung des TIR-Verlustes mit einer Siliziumeinkapselungsschicht verbessert [18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30 ]. In diesem Artikel schlagen wir ein Verfahren zur Flüssigkeitsverkapselung vor, bei dem Polydimethylsiloxan (PDMS) mit hohem Brechungsindex (n = 1.43) und Transmission bei einer Wellenlänge von 275 nm. Die PDMS-Flüssigkeit hat ausgezeichnete Eigenschaften wie Ungiftigkeit und Beständigkeit gegenüber Oxidation, Chemikalien und Hitze [31, 32]. Das vorgeschlagene Verkapselungsverfahren verbessert die Lichtausbeute von DUV-LEDs und reduziert die negativen Auswirkungen von LEDs auf Mensch und Umwelt. Mischen von SiO₂ NPs in die PDMS-Flüssigkeit können auch die Lichteffizienz verbessern.

Methoden und Materialien

1 zeigt das Schema des vorgeschlagenen DUV-LED-Einkapselungsprozesses, bestehend aus den folgenden Schritten:(a) ein Keramiksubstrat wird mit Aluminiumoxid als Elektrodenmaterial hergestellt; (b) der DUV-LED-Chip (Spitzenwellenlänge 275  nm) wird durch Heißdruckbonden an das Keramiksubstrat gebondet; (c) der Aluminiumreflektorseitenwandhohlraum wird an das DUV-LED-Keramiksubstrat gebondet und der Chip wird in der Mitte der Öffnung platziert; (d) PDMS-Fluid wird in den Seitenwandhohlraum des Aluminiumreflektors abgegeben; (e) Beschichtungsbindemittel und ein halbkugelförmiges UV-durchlässiges Glas mit einem Durchmesser von 3 mm und einer Höhe von 1,3 mm werden auf den äußeren Ring des Seitenwandhohlraums des Aluminiumreflektors aufgebracht; (f) einzelne DUV-LEDs werden entlang der Ritzlinien ausgeschnitten; und (g) eine komplette DUV-LED mit einem SiO₂ -NP-dotierte PDMS-Fluidverkapselungsstruktur wird erhalten. 2a zeigt eine herkömmliche DUV-LED, und 2b zeigt eine in dieser Studie vorgeschlagene DUV-LED, die mit PDMS-Flüssigkeit verkapselt ist. Die Zwischenschicht besteht aus PDMS dotiert mit SiO₂ NPs. Das traditionelle Verfahren verwendet eine vertikale keramische Seitenwand auf der linken und rechten Seite des DUV-LED-Flip-Chips, planares UV-durchlässiges Glas auf der Oberseite und Luft als Medium zwischen dem DUV-LED-Flip-Chip und dem Glas. Die mittlere Schicht des vorgeschlagenen Designs war eine verkapselte Struktur aus SiO₂ NPs in PDMS-Flüssigkeit mit einer halbkugelförmigen UV-durchlässigen Glasstruktur darüber. Abbildung 2c zeigt die Transmission der PDMS-Flüssigkeit bei verschiedenen Wellenlängen, wie sie mit einem optischen Spektrophotometer-Messsystem (Hitachi, Tokio, Japan) erhalten wurde. Das Diagramm zeigt, dass die PDMS-Fluiddurchlässigkeit 85% bei 275 nm betrug. Abbildung 2d zeigt ein Foto der DUV-LED mit einer Oberfläche von 0,78 × 0,75 mm ² (Dowa Co. Ltd., Tokio, Japan) und ihr Emissionsspektrum wurde bei 200  mA Vorwärtsstrom aufgenommen. Die dominante Wellenlänge des Chips betrug 275 nm mit einer Halbwertsbreite von 12 nm. Alle Daten wurden unter Verwendung einer Ulbrichtschen Kugel des optischen Systems SLM-20 (Isuzu Optics, Hsinchu, Taiwan) erhalten. Tabelle 1 listet die Spezifikationen (Oberflächen- und Materialeigenschaften) aller Komponenten der vorgeschlagenen gekapselten DUV-LED auf.

Herstellung der DUV-LED-Verkapselungsstruktur:a Keramiksubstrat, b DUV-LED-Chip (Spitzenwellenlänge, 275 nm) durch Druckbonden auf ein Keramiksubstrat gebondet, c Aluminiumplatte auf das DUV-LED-Keramiksubstrat geklebt, d dotiertes Bindemittel in die Kavität dosiert, e eine Quarzlinsenabdeckung auf der Struktur, f ausgeschnittene fertige DUV-LEDs und g komplette DUV-LED mit einem SiO₂ -NP-dotierte PDMS-Fluidverkapselungsstruktur

DUV-LED-Verkapselungsstruktur:a Schema einer konventionellen Flip-Chip DUV-LED, b Verkapselungsstruktur und SiO₂ Nanopartikel (NP)-dotiertes Polydimethylsiloxan (PDMS) flüssige DUV-LED-Verkapselungsstruktur, c Transmission der PDMS-Flüssigkeit von 200–600 nm, d Foto der DUV-LED und des Emissionsspektrums, aufgenommen bei einem Durchlassstrom von 200 mA für die vorgeschlagene DUV-LED, und e hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskopiebild von SiO₂ NPs ²⁶

Eine Transmissionselektronenmikroskopie-Aufnahme des SiO₂ NPs (AEROSIL hydrophobic pyrogene Kieselsäure, Frankfurt am Main, Deutschland) sind in Abb. 2e dargestellt. Die NPs wurden hergestellt, indem zuerst die Feuchtigkeit bei 150°C in einem Ofen entfernt und dann die NPs in einen N₂ 48 h tanken, um ihre Oberflächen zu trocknen. Die durchschnittliche Größe der NPs wurde auf 14 nm festgelegt, um ein Zusammenkleben durch Feuchtigkeit zu verhindern.

Ergebnisse und Diskussion

Es wurden vier Arten von DUV-LED-Verkapselungen verwendet und sind in Abb. 3 dargestellt. Abb. 3a zeigt DUV-LED (I) mit einem DUV-LED-Chip und Aluminium-Reflektorseitenwänden in einem Winkel von 60°. Abbildung 3b zeigt eine DUV-LED (II), bei der der Seitenwandhohlraum des Aluminiumreflektors mit PDMS-Flüssigkeit gefüllt wurde. Abbildung 3c zeigt eine DUV-LED (III), bei der der Seitenwandhohlraum des Aluminiumreflektors mit etwas weniger PDMS-Flüssigkeit gefüllt war als bei der DUV-LED (II) und mit einer halbkugelförmigen UV-durchlässigen Glasabdeckung. Abbildung 3d zeigt eine DUV-LED (IV), bei der der Seitenwandhohlraum des Aluminiumreflektors vollständig mit PDMS-Flüssigkeit gefüllt wurde und eine halbkugelförmige UV-durchlässige Glasabdeckung verwendet wurde. Für die vier Arten der DUV-LED-Verkapselung wurde eine Ulbrichtkugelmessung durchgeführt (Abb. 3e). Wenn der Treiberstrom des DUV-LED (I)-Chips 200 mA betrug, betrug die Lichtausgangsleistung 42,07 mW. Im Gegensatz dazu, wenn der Ansteuerstrom des DUV-LED (II)-Chips 200 µmA betrug, betrug die Lichtausgangsleistung 36,11 µmW, was 14,16 % niedriger war als die der DUV-LED (I). Dieser Zustand trat hauptsächlich auf, weil TIR transpirierte, wenn PDMS-Flüssigkeit den Seitenwandhohlraum des Aluminiumreflektors füllte. Das Verhältnis der Extraktionseffizienz von in die PDMS-Flüssigkeit eingekoppeltem UV-Licht zu in Luft eingekoppeltem UV-Licht wird durch die folgende Gleichung [12] gegeben:

Schema und Vergleich der vier Kapselungsstrukturen:a DUV-LED (I), b DUV-LED (II), c DUV-LED (III), d DUV-LED (IV), e Lichtausgangsleistung unter verschiedenen Verkapselungsbedingungen und f Lichtleistung mit unterschiedlichem SiO₂ NP-Konzentrationen (%) in der PDMS-Flüssigkeit

wo θ _{c,PDMS-Flüssigkeit} und θ _c,Luft sind die kritischen Winkel für TIR an den PDMS-Flüssigkeits-DUV-LED- bzw. Luft-UV-LED-Grenzflächen. Wenn der Treiberstrom des DUV-LED (III)-Chips 200 mA betrug, betrug die optische Ausgangsleistung 48,126  mW, was um 14,39 % höher war als die der DUV-LED (I). Dieser Zustand trat hauptsächlich auf, weil die konkave Linse die TIR reduzierte, aber die LEE erhöhte. DUV-LED (III) hatte jedoch einen Luftspalt, der sie daran hinderte, die höchste Lichtausgangsleistung unter allen hergestellten Geräten zu haben. Wenn der Treiberstrom des DUV-LED (IV)-Chips 200 mA betrug, betrug die Ausgangsleistung 70,045 mW, was 66,49 % höher war als die der DUV-LED (I). Die Verkapselungsstruktur der DUV-LED (IV) lieferte die höchste Lichtausgangsleistung, da kein Luftspalt in der Verkapselung vorhanden war, wodurch die vollständige Transmission des DUV-Lichts von der DUV-LED ermöglicht wurde. Die Lichtausgangsleistung wurde auch für DUV-LED (II), DUV-LED (III) und DUV (IV)-Verkapselung bestimmt, wenn das PDMS-Fluid mit SiO₂ . dotiert wurde NPs (Abb. 3f). Die DUV-LED (I)-Struktur wurde nicht in den Vergleich einbezogen, da sie keine PDMS-Flüssigkeit enthielt. Die Konzentrationen in Gewichtsprozent (%) von NP wurden auf 0, 0,1, 0,2 und 0,3 Gew.-% eingestellt. Wenn der Treiberstrom des DUV-LED (IV)-Chips 200 mA betrug, betrug die Lichtausgangsleistung 70,04, 74,32, 80,58 und 77,44 mW. Somit ist ein SiO₂ Eine NP-Dotierungskonzentration von 0,2 Gew.-% führte zum höchsten LEE. Dotieren der PDMS-Flüssigkeit mit SiO₂ NPs erhöhten die Streulichtmenge, verringerten jedoch die TIR-Menge. Dotierung mit 0,2 wt% SiO₂ NP führte zu einem um 15 % höheren LEE als eine Dotierung mit 0  Gew.-% SiO₂ NP. Im Vergleich zu DUV-LED (I) war der LEE bei einem Ansteuerstrom von 200 mA um 81,45 % höher. Die DUV-LED-Verkapselung wurde unter Verwendung der in Abb. 3 skizzierten Herstellungsverfahren durchgeführt. Tabelle 2 zeigt die Bilder des Betriebs bei einem Ansteuerstrom von 200   mA der DUV-LED (IV) mit PDMS-Fluiddotierung bei 0,2 Gew.-% SiO2-NPs. Abbildung 4 zeigt einen Vergleich der durchschnittlichen Grenzflächentemperaturen von DUV-LED (I) und DUV-LED (IV), die SiO₂ . enthalten NP-dotiertes PDMS-Fluid bei verschiedenen Antriebsströmen. Wenn der Treiberstrom 200  mA betrug, war die Grenzflächentemperatur in der DUV-LED (IV)-Vorrichtung 4 °C niedriger als die in der DUV-LED (I)-Vorrichtung, was zeigt, dass die Einkapselungsstruktur die thermische Temperatur effektiv schwächte. Tabelle 2 zeigt eine Temperaturkarte der DUV-LED (I) und DUV-LED (IV), die unter Verwendung einer Infrarot-Wärmebildkamera (ChingHsing Co. Ltd., Taipei, Taiwan) erhalten wurde. Bei einem Treiberstrom von 140  mA hatte die DUV-LED (IV) eine niedrigere Betriebstemperatur als die DUV-LED (I). Bei DUV-LED (I) ohne PDMS-Flüssigkeit war die Temperatur an der Oberfläche des Chips am höchsten. Die Ergebnisse in Abb. 4 und Tabelle 2 zeigen, dass die Verkapselungsstruktur mit PDMS-Fluid dotiert mit SiO₂ NPs haben eine hervorragende Wärmeableitungsfähigkeit.

Durchschnittliche Oberflächentemperaturabhängigkeit von DUV-LED (I) und DUV-LED (IV)

Schlussfolgerungen

Dieses Papier schlägt eine neue Verkapselungsmethode zur Verbesserung des LEE von DUV-LEDs vor, indem das PDMS-Fluid mit SiO₂ . dotiert wird NPs. Durch den Einsatz des SiO₂ . wurde eine beachtlich hohe Lichtleistung erreicht NP-dotierte PDMS-Fluidverkapselungsstruktur. Insbesondere war die Lichtausgangsleistung 81,45 % höher, wenn das PDMS-Fluid mit 0,2   Gew.-% SiO₂ . dotiert war NPs wurden eher in die Kavität als in die Luft eingebracht. Diese Verbesserung wird der reduzierten TIR und der zusätzlichen Lichtstreuung in der PDMS-Flüssigkeit aufgrund der Zugabe von SiO₂ . zugeschrieben NPs. Die durchschnittliche Grenzflächentemperatur war 4 °C niedriger bei einem Antriebsstrom von 200 mA. Die vorgeschlagene Architektur war kompakt und für die zukünftige Herstellung von AlGaN-basierten DUV-LEDs mit hohem LEE machbar.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Nicht zutreffend

Abkürzungen

DUV-LEDs:

Tief-ultraviolette Leuchtdioden

NPs:

Nanopartikel

PDMS:

Polydimethylsiloxan