Optimierung der Saphir-Lichtleiterschichtdicke zur Steigerung der Lichtauskoppeleffizienz von UV-LEDs

Zusammenfassung

In Betrachtung der Materialbearbeitbarkeit und Gitterfehlanpassung wird Saphir häufig als Substrat für Ultraviolett-C-Lichtemittierende Dioden (UV-C-LEDs) verwendet, aber ihr hoher Brechungsindex kann zur Totalreflexion (TIR) von Licht führen, wodurch ein Teil des Lichts absorbiert wird und die Lichtauskoppeleffizienz (LEE) verringert wird. In dieser Studie schlagen wir eine Methode zur Optimierung der Dicke einer Saphir-Substrat-Lichtleiterschicht durch optisches Design erster Ordnung vor, bei der die optische Simulationssoftware Ansys SPEOS verwendet wurde, um die Lichtauskoppeleffizienz zu simulieren und zu bewerten. AlGaN UV-C LED-Wafer mit einer Lichtleiterschichtdicke von 150–700 μm wurden verwendet. Die Simulation erfolgte bei einer Zentrumswellenlänge von 275 nm, um das optimale Dickendesign der Lichtleiterschicht zu bestimmen. Schließlich zeigten die experimentellen Ergebnisse, dass die initiale Lichtleiterschichtdicke von 150 μm eine Referenz-Ausgangsleistung von 13,53 mW ergab, und eine erhöhte Dicke von 600 μm führte zu einer Ausgangsleistung von 20,58 mW. Die LEE kann durch Optimierung der Lichtleiterschichtdicke um das 1,52-fache gesteigert werden. Wir schlagen eine Methode zur Optimierung der Dicke einer Saphir-Substrat-Lichtleiterschicht durch optisches Design erster Ordnung vor. AlGaN UV-C LED-Wafer mit einer Lichtleiterschichtdicke von 150–700 μm wurden verwendet. Schließlich zeigten die experimentellen Ergebnisse, dass die LEE durch Optimierung der Lichtleiterschichtdicke um das 1,52-fache gesteigert werden kann.

Einleitung

Die COVID-19-Pandemie hat zu einem Anstieg der globalen Sterblichkeitsrate geführt. Obwohl herkömmliche Ultraviolett (UV)-C-Quecksilberlampen sterilisieren können, begrenzen ihr Quecksilbergehalt, die verstreute Spektralwellenlänge, ihre Sperrigkeit und kurze Lebensdauer ihre Anwendbarkeit. UV-C-Lichtemittierende Dioden (LEDs) sind umweltfreundlich, quecksilberfrei und nicht verschmutzend. Die Sterilisationswellenlänge ist zwischen 260 und 280 nm konzentriert. Da die Lichtquelle klein ist und eine lange Lebensdauer hat, hat sie UV-C-Quecksilberlampen allmählich als primäre Sterilisationslichtquelle abgelöst. UV-Licht zerstört bakterielle DNA- oder RNA-Strukturen und wurde weit verbreitet zur Dekontamination von Oberflächen, Luft und Wasser eingesetzt. Der UV-C-Wellenlängenbereich zwischen 260 und 280 nm hat die größte bakterizide Wirkung und verhindert die Regeneration von Mikrobenzellen, um Desinfektion und Sterilisation zu erreichen [1,2,3]. Studien haben den breiten Einsatz von UV-C-LEDs in der medizinischen Phototherapie und in der Desinfektion und Sterilisation von Wasser, Lebensmitteln und Medikamenten für den sicheren Verzehr dokumentiert [4,5,6,7]. Herkömmliche Quecksilber-UV-Lampen sind durch ihre langen Aufwärmzeiten, kurze Lebensdauer, Explosionsgefahr und Umweltverschmutzung benachteiligt; UV-C-LEDs sind in all den genannten Aspekten überlegen [8,9,10]. Der UV-C-Wellenlängenbereich beträgt 100–280 nm, und die UV-C-LED-Wellenlänge liegt zwischen 260 und 280 nm. Da die Emissionswellenlänge von LEDs stärker konzentriert ist, sind auch ihre Sterilisationseffizienz und langfristige Zuverlässigkeit besser als die von Quecksilber-UV-Lampen [11, 12]. Allerdings müssen die schlechte externe Quanteneffizienz (EQE) und Lichtauskoppeleffizienz (LEE) von UV-C-LEDs verbessert werden. Die niedrige EQE und LEE von AlGaN-basierten UV-C-LEDs sind auf Elektronenleckage und Totalreflexion (TIR) zurückzuführen, wodurch Photonen vom Saphir-Substrat und den Materialien in der p-GaN-Kontaktschicht absorbiert werden [13,14,15].

Ansätze zur Verbesserung der LEE umfassten die Verwendung von nanopatternierten Saphir-Substraten als Substrat für die Herstellung von UV-C-LEDs. Das Wachstum von InGaN-basierten LED-gemischten patternierten Saphir-Substraten im Mikro- und Nanomaßstab wurde von Wen Cheng Ke et al. vorgeschlagen, der es der LED ermöglichte, Nanoloocher in das mikropatternierte Saphir-Substrat einzubetten, um seine photoelektrischen Eigenschaften zu verbessern [16]. Phillip Manley et al. verwendeten ein nanopatterniertes Saphir-Substrat in Deep-UV (DUV) LEDs und verifizierten die Auswirkungen einer solchen nanopatternierten Struktur auf die LEE von Saphir [17].

Shao Hua Huang et al. verwendeten Nassätzen einer Flip-Chip-Struktur, um ein Saphir-Substrat zu modifizieren und ihm eine Facettenstruktur zu geben, was die LEE einer Nitrid-LED verbesserte [18]. Dong Yeong Kim schlug einen n-Typ-GaN-Mikrospiegel mit einer Al-beschichteten Schrägbarriere vor, der als Seitenwandemissions-verstärkte DUV-LED bezeichnet wird, um die LEE der transversalen magnetischen Polarisation zu verbessern [19].

Einige Wissenschaftler schlugen vor, den Lichtpfad zu ändern, um die LEE durch das Design einer Sekundärlinse zu verbessern. Beispielsweise verwendeten Renli Liang et al. Nanolinsen-Arrays, um die LEE von DUV-LEDs durch lithografische und Nassätz-Technologie zu verbessern. Bin Xie et al. schlugen eine Freiformlinse mit einem Helligkeitsverstärkungsfilm vor, um die Gesamtleistung einer direkt beleuchteten LED-Hintergrundbeleuchtung zu verbessern [20, 21]. UV-C-LEDs und ihre Eigenschaften im Zusammenhang mit organischer Materialabsorption beeinflussen die Wahl der Verpackungsmaterialien. Nagasawa und Hirano förderten die Verwendung von p-Typ-Butylvinylether mit einer Trifluormethyl-Endstruktur auf AlGaN-Substraten als Einkapselungsmaterial zur Verbesserung der LEE [22]. Unter langfristiger DUV-Bestrahlung unterliegen organische Materialien schwerer molekularer Dissoziation und Zerstörung. Um effizientere und zuverlässigere Lichtauskopplung zu fördern, ist ein Material mit hoher Beständigkeit gegen UV-Licht oder anorganische Materialien erforderlich. Die Luftdichtheit eines Gehäuses ist auch ein Schlüsselfaktor für die Bewertung der Verpackungsfähigkeit [23, 24]. Um sowohl hohe Durchlässigkeit als auch langfristige Zuverlässigkeit zu berücksichtigen, wird Quarzglas häufig als Verpackungsmaterial für UV-LEDs verwendet. Wenn die Kavität hohl ist, verringern hohe Grenzflächenreflexionen die LEE; die Kavität kann mit Flüssigkeit oder organischem Kleber mit niedrigem Brechungsindex gefüllt werden, um die LEE zu verbessere. In diesem Zusammenhang schlug Chieh-Yu Kang eine neue Art von DUV-LED-Flüssigverpackungsstruktur vor, die LEE-Verbesserungen erreichen kann. Chien Chun Lu demonstrierte die höhere und zuverlässigere LEE von UV-C-LEDs mit einem Quarz-basierten hermetischen Gehäuse [25, 26].

Verschiedene Verpackungsmaterialien wie Polydimethylsiloxan (PDMS)-Flüssigkeit, dotiert mit SiO₂-Nanopartikeln, können die LEE von UV-LEDs verbessern. Zhi Ting Ye schlug vor, dass die nanopartikel-dotierte PDMS-Flüssigkeit die optische Leistung von AlGaN-basierten DUV-LEDs verbessert [27]. Yang Peng verwendete dieses Einkapselungsmaterial, dotiert mit Fluorpolymer auf einem Aluminiumnitrid-Substrat, um die LEE einer Chip-on-Board-Einkapselungsstruktur zu verbessern [28]. Joosun Yun und Hideki Hirayama schlugen verschiedene Waferstrukturen in einer vergleichenden Studie mit sechs verschiedenen Flip-Chip-Strukturen vor und erhielten eine AlGaN-Metaoberfläche für verbesserte LEE [29].

Es ist auch erwähnenswert, dass Photonenmanagement als effiziente Methode zur Extraktion und Ernte von Licht demonstriert wurde und in einer Vielzahl optoelektronischer Geräte weit verbreitet ist, einschließlich Photodetektoren und photoelektrochemischer Zellen [30,31,32,33], Solarzellen [34, 35] und Mikro-LEDs in Displaytechnologie [36].

Die Forschung zur Verfeinerung von UV-C-LEDs hat bisher die Auswirkungen der Lichtleiterschichtdicke auf die LEE nicht untersucht. Wenn Saphir als Lichtleiterschichtmaterial verwendet wird, ist die Absorptionsrate im allgemeinen blauen Wellenlängenband von 450 nm relativ niedrig, aber im UV-C-LED-Wellenlängenband von 260–280 nm relativ hoch, was den Einfluss der Dicke auf die LEE demonstriert. Daher wird in dieser Arbeit ein optimaler Wert für die Dicke der Lichtleiterschicht für die LEE von UV-C-LEDs vorgeschlagen.

Methoden

TIR-Phänomen in der Lichtleiterschicht

TIR ist ein optisches Phänomen, bei dem sich der Brechungsindex ändert, wenn Licht in verschiedene Medien eintritt. Wenn der Einfallswinkel kleiner als der kritische Winkel ist, wird das Licht in zwei Teile geteilt; ein Teil wird reflektiert und der andere gebrochen. Umgekehrt wird bei einem Einfallswinkel, der größer als der kritische Winkel ist, das gesamte Licht intern reflektiert, ohne Brechung. Der Brechungsindex des inneren Mediums ist n₁, und der Brechungsindex des äußeren Mediums ist n₂. Der kritische Winkel θ_c kann mit Gleichung (1) berechnet werden. Wenn n₁ 1,788 beträgt, beträgt der kritische Winkel θ_c der TIR 34,136°, wie in Abb. 1 dargestellt. Der rote Dreieckskegel stellt den nicht-totalreflektierenden Bereich dar, der die Lichtleiterschicht durchdringen und dann austreten kann, und der verbleibende cyanfarbene Bereich ist der TIR-Bereich, in dem Licht reflektiert und vom Material absorbiert wird, was die LEE verringert.

Wenn die Länge L und Breite W der Lichtleiterschicht festgelegt sind, beeinflusst die Dicke der Lichtleiterschicht H_LG den TIR-Bereich. Wie in Abb. 2 dargestellt, tritt Licht aus der Lichtemissionsschicht in die Lichtleiterschicht ein, sodass das TIR-Phänomen im orangen Bereich nicht auftritt. Wenn der Einfallswinkel diesen Bereich übersteigt, tritt TIR im cyanfarbenen Bereich von Abb. 2 auf. Die Breite dieses Bereichs kann als T_W definiert werden, wie in Gleichung (2) ausgedrückt.

T_W = tan(sin⁻¹(n₂/n₁)) × H_LG

Simulation und Optimierung der Lichtleiterschichtdicke zur Verbesserung der LEE von UV-C-LEDs

Wir verwendeten SolidWorks 3D-Zeichensoftware und Ansys SPEOS optische Simulationssoftware, um das optische System zu konstruieren und die Auswirkungen der Lichtleiterschichtdicke auf die LEE mittels optischem Design erster Ordnung zu simulieren und zu optimieren. Mit Al₂O₃ als Lichtleiterschichtmaterial modifizierten wir die Dicke, um Absorptionsprobleme zu reduzieren, die durch TIR verursacht werden.

Die Wellenlänge des UV-C-LED-Chips betrug 275 nm, die Länge L 1,524 mm, und die Breite W 1,524 mm, wie in Abb. 3 dargestellt.

Die Lichtleiterschicht bestand aus Al₂O₃, der Brechungsindex N_LGL betrug 1,782, und der Lichtleiterschichtdickenbereich (H_LG) lag bei 150–700 μm. Die Lichtemissionsschicht (LEL) hatte eine Dicke H_LE von 1,5 μm, die obere Oberfläche der Schicht war eine Lichtemissionsoberfläche, die untere Oberfläche war eine teilweise absorbierende und teilweise reflektierende Schicht, und die UV-C-LED-Elektrodendicke H_pd betrug 1,5 μm; das Material wurde auf teilweise absorbierend und teilweise reflektierend eingestellt. Abbildung 3a veranschaulicht die Struktur des UV-C-LED-Chips, und Abb. 3b ist ein vereinfachtes Simulationsdiagramm des Chips. Die Parametersettings sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Abbildung 4a zeigt ein Schemabild der dreidimensionalen UV-C-LED-Struktur, und Abb. 4b ist ein Schemabild des Lichtverlaufs der simulierten Lichtemissionsoberfläche.

Diese Studie analysierte die Auswirkungen der Lichtleiterschichtdicke von 150–700 μm auf die LEE; der simulierte eingehende Strahlungsfluss betrug 1 W, und das Simulationsergebnis ist in Abb. 5 dargestellt. Bei einer Lichtleiterschichtdicke von 150 μm betrug der relative Strahlungsfluss 0,41 W, und bei Erhöhung der Lichtleiterschichtdicke stieg die LEE entsprechend an. Bei einer Lichtleiterschichtdicke von 600 μm betrug der Strahlungsfluss 0,62 W, eine 1,512-fache Steigerung. Laut Simulationsergebnissen nähert sich die LEE bei weiterer Erhöhung der Dicke der Sättigung und steigt nicht mehr an. Bei einer Lichtleiterschichtdicke von 700 μm war die Effizienz nur 2,2 % höher als bei 600 μm, wie in Abb. 5 dargestellt.

Tabelle 2 zeigt den relativen Strahlungsflussausgang und seine Vergrößerung, wenn der simulierte eingehende Strahlungsfluss 1 W betrug. Die Lichtleiterschicht mit einer Dicke von 600 μm erreichte die beste LEE, Vergrößerung und Verarbeitungsstabilität; bei 700 μm jedoch resultierte es in Verarbeitungs- und Schneidschwierigkeiten und einem daraus resultierenden Ausbeuteabfall.

Wir schlagen die Optimierung der Lichtleiterschichtdicke zur Verbesserung der LEE im Vergleich zur Nano-patternierten Saphir-Substrat-Methode vor; die Vorteile der Methode liegen darin, dass sie nicht den Ätz- und Prägeprozess durchlaufen muss.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 6 veranschaulicht die UV-C-LED-Prototypen mit unterschiedlichen Lichtleiterschichtdicken (H_LG). Abbildung 6a zeigt einen H_LG-Wert von 150 μm, den in industriellen Einstellungen häufig verwendeten Dickenparameter, der als Referenzmessung für dieses Experiment diente. Abbildung 6e zeigt einen H_LG von 600 μm, was die optimale Dicke für erhöhte LEE ist. Im industriellen Fertigungsprozess wird die Erhöhung der Lichtleiterschichtdicke Schwierigkeiten beim Schneiden verursachen und zu Spaltungsproblemen führen. Wenn die Dicke der Lichtleiterschicht 600 μm beträgt, hat sie die Grenzdicke der Verarbeitung in der Industrie erreicht.

Tabelle 3 listet den relativen Strahlungsfluss der verschiedenen Lichtleiterschichtdicken (H_LG) auf. Mit H_LG von 600 μm war der Strahlungsfluss 1,52-mal höher als bei einer Dicke von 150 μm. Abbildung 7 veranschaulicht den UV-C-LED-Prototyp-Simulations- und Mess-LEE-Wachstumstrend mit unterschiedlichen Lichtleiterschichtdicken (150–700 μm); bei H_LG von 700 μm war die Wachstumsrate nicht mehr offensichtlich und hatte sich der Sättigung angenähert. Die Simulationsergebnisse ähneln denen im tatsächlichen Probenversuch.

Tabelle 4 beschreibt detailliert die Auswirkungen der simulierten UV-C-LED auf die LEE unter verschiedenen Lichtleiterschichtdicken; bei einer Lichtleiterschichtdicke von 150 μm betrug der relative Strahlungsfluss 13,53 mW, und bei Erhöhung der Lichtleiterschichtdicke stieg die LEE entsprechend an. Bei einer Lichtleiterschichtdicke von 600 μm betrug der Strahlungsfluss 20,58 mW, eine 1,521-fache Steigerung. Der Vergleich der Differenz zwischen Simulation und Messung zeigt, dass die Ergebnisse denen im tatsächlichen Probenversuch ähnlich sind.

Schlussfolgerungen

Diese Arbeit schlägt ein optisches Design erster Ordnung vor, das Al₂O₃-Material als Lichtleiterschicht verwendet, um die durch TIR verursachte Absorption zu reduzieren und die LEE von UV-C-LEDs zu optimieren. Die Auswirkungen von Lichtleiterschichten unterschiedlicher Dicke auf die LEE von UV-C-LEDs wurden mit der optischen Simulationssoftware SPEOS simuliert und analysiert. Im Vergleich zur Standardschichtdicke von 150 μm führte eine optimierte Dicke von 600 μm zu einer 1,52-fachen Steigerung der LEE. Diese verbesserte UV-C-LED-LEE ist vorteilhaft für den Einsatz solcher LEDs in Sterilisationssystemen und anderen zukünftigen Anwendungen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Datensätze, die die Schlussfolgerungen dieses Artikels stützen, sind im Artikel verfügbar.

Abkürzungen

DUV:

Tiefes Ultraviolett

H_pd:

Elektrodendicke

LEE:

Lichtauskoppeleffizienz

L:

Länge

LGL:

Lichtleiterschicht

LE:

Lichtemissionsschicht

TIR:

Totalreflexion

UV-C LEDs:

Ultraviolett-C-Lichtemittierende Dioden

W:

Breite