Silica-Nanopartikel-verstärkte PDMS-Verkapselung verbessert Lichtausbeute und thermische Leistung von AlGaN Deep-UV LEDs signifikant

Zusammenfassung

Diese Studie stellt ein innovatives Verkapselungskonzept für AlGaN-basierte Deep-UV-LEDs (DUV-LEDs) vor, das ein Polydimethylsiloxan (PDMS)-Fluid einsetzt, das mit SiO₂-Nanopartikeln (NPs) dotiert ist und mit einer UV-transparenten Quarzhalbkugel abgedeckt wird. Die verkapselten LEDs liefern eine deutlich höhere Lichtausbeute als konventionelle Designs: die Lichtauskoppelungseffizienz (LEE) steigt um 66,49 % bei 200 mA, und die maximale Effizienz tritt auf, wenn das PDMS 0,2 Gew.-% SiO₂ NPs enthält. Im Vergleich zu ungedoptem Fluid ergibt die 0,2 Gew.-% dotierte Konfiguration einen 15 %igen Anstieg der Ausgangsleistung, während die Gesamtleistung die traditionelle Verkapselung um 81,49 % übertrifft. Zusätzlich senkt die Struktur die Grenzflächentemperatur um 4 °C bei 200 mA, was das thermische Management verbessert.

Hintergrund

AlGaN-basierte DUV-LEDs (200–300 nm) werden zunehmend in Sterilisation, Wasseraufbereitung, Sicherheit und Sensorik eingesetzt und bieten eine quecksilberfreie, hochzuverlässige Alternative zu konventionellen UV-Lampen [1–10]. Ihre begrenzte Ausgangsleistung resultiert aus Quantenwellendefekten, Absorptionsverlusten und totaler innerer Reflexion (TIR) an der Saphir-Luft-Grenzfläche [15–17]. Während Siliciumverkapselungen die LEE bei sichtbaren LEDs verbessert haben [18–30], leiden DUV-Geräte weiterhin. Hier schlagen wir eine Fluidverkapselung mit PDMS vor – ungiftig, chemisch stabil, mit Brechungsindex 1,43 und >85 % Transmission bei 275 nm [31–32] – und verbessern sie weiter durch Einbau von SiO₂ NPs, um Licht zu streuen und den durchschnittlichen Brechungsindex zu erhöhen.

Methoden und Materialien

Abbildung 1 skizziert die Fertigungssequenz: (a) Keramiksubstrat mit Aluminiumelektroden; (b) 275 nm Peak DUV-LED-Chip auf Substrat via Heißpressen gebondet; (c) Aluminiumreflektor-Kavität um den Chip positioniert; (d) PDMS-Fluid (optional mit SiO₂ NPs dotiert) in die Kavität gefüllt; (e) eine 3 mm × 1,3 mm halbkugelförmige Quarzlinse auf den Außenring platziert; (f) Dicing entlang der Ritzlinien; und (g) die finale DUV-LED mit NP-dotierter PDMS-Verkapselung. Abbildung 2a zeigt eine konventionelle DUV-LED, während Abbildung 2b unser Design mit SiO₂-NP-dotierter PDMS-Schicht und Quarzabdeckung illustriert. Die PDMS-Transmissionskurve (Abbildung 2c) bestätigt 85 % Durchlass bei 275 nm. Emissionsspektren, gemessen mit einer SLM-20-Integrating-Sphere (Isuzu Optics), bestätigen einen dominanten 275 nm Peak mit 12 nm Halbwertsbreite. Tabelle 1 listet alle Komponentenspezifikationen auf.

Ergebnisse und Diskussion

Vier Verkapselungsvarianten wurden evaluiert (Abbildung 3). DUV-LED (I) verwendet einen 60° Aluminiumreflektor mit Luftkavität; (II) ersetzt die Luft durch PDMS-Fluid; (III) füllt die Kavität mit etwas weniger PDMS und fügt eine Quarzhalbkugel hinzu; (IV) füllt die Kavität vollständig mit PDMS und beinhaltet die Quarzabdeckung. Integrating-Sphere-Messungen zeigen, dass bei 200 mA (I) 42,07 mW, (II) 36,11 mW (−14,16 % durch TIR im PDMS), (III) 48,13 mW (+14,39 %) und (IV) 70,05 mW (+66,49 %) liefert. Die höchste Ausgabe tritt bei der vollständigen PDMS-Kavität auf, die den Luftspalt eliminiert und die Lichttransmission maximiert. Abbildung 3f untersucht SiO₂ NP-Beladung (0, 0,1, 0,2, 0,3 Gew.-%). Bei 200 mA erreicht das 0,2 Gew.-% dotierte Gerät 80,58 mW, eine 15 %ige LEE-Verbesserung gegenüber ungedoptem Fluid und 81,45 % über der Basislinie (I). Lichtstreuung von den NPs reduziert TIR und steigert die Auskopplung. Thermische Bildgebung (Abbildung 4, Tabelle 2) bestätigt, dass die dotierte PDMS-Struktur die Grenzflächentemperatur bei 200 mA um 4 °C senkt, was überlegene Wärmeableitung demonstriert.

Schlussfolgerungen

Wir demonstrieren, dass Dotieren des PDMS-Verkapselungsmittels mit 0,2 Gew.-% SiO₂ NPs die LEE markant erhöht, was einen 81,45 %igen Anstieg der Lichtausbeute und eine 4 °C Reduktion der Grenzflächentemperatur bei 200 mA erreicht. Die reduzierte TIR und zusätzliche Streuung durch die NPs liegen diesen Gewinnen zugrunde. Diese kompakte, thermisch effiziente Architektur bietet einen praktischen Weg zu hochleistungsfähigen AlGaN DUV-LEDs.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Nicht anwendbar

Abkürzungen

DUV-LEDs:

Deep-Ultraviolett-Lichtemittierende Dioden

NPs:

Nanopartikel

PDMS:

Polydimethylsiloxan