Optimierung der Lichtleiterschichtdicke zur Verbesserung der Lichtextraktionseffizienz von UV-Licht emittierenden Dioden

Einführung

Die COVID-19-Pandemie hat zu einem Anstieg der weltweiten Sterblichkeitsrate geführt. Obwohl herkömmliche ultraviolette (UV)-C-Quecksilberlampen sterilisiert werden können, schränken ihr Quecksilbergehalt, ihre dispergierte spektrale Wellenlänge, ihre Sperrigkeit und ihre kurze Lebensdauer ihre Anwendbarkeit ein. UV-C Leuchtdioden (LEDs) sind umweltfreundlich, quecksilberfrei und umweltfreundlich. Die Sterilisationswellenlänge ist zwischen 260 und 280 nm konzentriert. Da die Lichtquelle klein ist und eine lange Lebensdauer hat, hat sie nach und nach UV-C-Quecksilberlampen als primäre Sterilisationslichtquelle ersetzt. UV-Licht zerstört bakterielle DNA- oder RNA-Strukturen und wird häufig zur Dekontamination von Oberflächen, Luft und Wasser verwendet. Der UV-C-Wellenbereich zwischen 260 und 280 nm hat die größte bakterizide Wirkung und verhindert die Regeneration mikrobieller Zellen, um eine Desinfektion und Sterilisation zu erreichen [1,2,3]. Studien haben den breiten Einsatz von UV-C-LEDs in der medizinischen Phototherapie und bei 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 lange Aufwärmzeit, kurze Lebensdauer, Explosionsgefahr und Umweltverschmutzung benachteiligt; UV-C-LEDs sind in allen oben genannten Aspekten überlegen [8,9,10]. Der UV-C-Wellenlängenbereich liegt zwischen 100 und 280 nm, und die UV-C-LED-Wellenlänge liegt zwischen 260 und 280 nm. Aufgrund der konzentrierteren Emissionswellenlänge von LEDs sind auch ihre Sterilisationseffizienz und Langzeitzuverlässigkeit besser als die von Quecksilber-UV-Lampen [11, 12]. Allerdings müssen die schlechte externe Quanteneffizienz (EQE) und Lichtextraktionseffizienz (LEE) von UV-C-LEDs verbessert werden. Der niedrige EQE und LEE von AlGaN-basierten UV-C-LEDs sind auf Elektronenlecks und totale interne Reflexion (TIR) ​​zurückzuführen, die dazu führen, dass Photonen vom Saphirsubstrat und den Materialien in der p-GaN-Kontaktschicht absorbiert werden [13,14 ,15].

Ansätze zur Verbesserung des LEE beinhalteten die Verwendung eines nanostrukturierten Saphirsubstrats als Substrat zur Herstellung von UV-C-LEDs. Das Wachstum von InGaN-basierten LED-Mischstruktur-Saphirsubstraten im Mikro- und Nanobereich wurde von Wen Cheng Ke et al vorgeschlagen. , der es der LED ermöglichte, Nanolöcher in das mikrostrukturierte Saphirsubstrat einzubetten, um ihre photoelektrischen Eigenschaften zu verbessern [16]. PhillipManleyet al. verwendeten ein nanostrukturiertes Saphirsubstrat in Deep-UV(DUV)-LEDs, um die Auswirkungen einer solchen nanostrukturierten Struktur auf den LEE von Saphir zu verifizieren [17].

Shao Hua Huang et al. verwendeten das Nassätzen einer Flip-Chip-Struktur, um ein Saphirsubstrat zu modifizieren und ihm eine abgeschrägte Textur zu verleihen, wodurch der LEE einer Nitrid-LED verbessert wurde [18]. Dong Yeong Kim schlug einen n-Typ-GaN-Mikrospiegel mit einer Al-beschichteten Neigungsbarriere vor, die als DUV-LED mit verstärkter Seitenwandemission bezeichnet wird, um den LEE der transversalen magnetischen Polarisation zu verbessern [19].

Einige Wissenschaftler haben vorgeschlagen, den Lichtweg zu ändern, um den LEE durch das Design einer sekundären Linse zu verbessern. Zum Beispiel Renli Liang et al.. verwendeten Nanolinsenarrays, um den LEE von DUV-LEDs durch Lithografie- und Nassätztechnologie zu verbessern. Bin Xie et al. schlugen eine Freiformlinse mit einem helligkeitsverstärkenden Film vor, um die Gesamtleistung einer direkt beleuchteten LED-Hintergrundbeleuchtung zu verbessern [20, 21]. UV-C-LEDs und ihre Eigenschaften bezüglich der Absorption von organischem Material beeinflussen die Wahl des Verpackungsmaterials. Nagasawa und Hirano förderten die Verwendung von p-Butylvinylether mit einer Trifluormethyl-Endstruktur auf AlGaN-Substraten als eingekapseltes Material zur Verbesserung des LEE [22]. Organische Materialien unterliegen bei Langzeit-DUV-Bestrahlung einer starken molekularen Dissoziation und Zerstörung. Um eine effizientere und zuverlässigere Lichtextraktion zu fördern, ist ein Material mit hoher Beständigkeit gegenüber UV-Licht oder anorganischen Materialien erforderlich. Die Luftdichtheit einer Verpackung ist auch ein Schlüsselfaktor für die Bewertung der Verpackungsfähigkeit [23, 24]. Um sowohl eine hohe Penetration als auch eine langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten, wird Quarzglas häufig als Verpackungsmaterial für UV-LEDs verwendet. Wenn die Kavität hohl ist, reduzieren hohe Grenzflächenreflexionen den LEE; die Kavität kann zur Verbesserung des LEE mit flüssigem oder organischem Kleber mit niedrigem Brechungsindex gefüllt werden. In dieser Hinsicht schlug Chieh-Yu Kang eine neue Art von DUV-LED-Flüssigkeitsverpackungsstruktur vor, mit der LEE-Verbesserungen erzielt werden können. Chien Chun Lu demonstrierte den höheren und zuverlässigeren LEE von UV-C-LEDs mit einem hermetischen Gehäuse auf Quarzbasis [25, 26].

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

Erwähnenswert ist auch, dass sich das Photonenmanagement als effiziente Methode zur Gewinnung und Gewinnung von Licht erwiesen hat und in einer Vielzahl optoelektronischer Geräte weit verbreitet ist, darunter Photodetektoren und chemische Photoelektronenzellen [30,31,32,33], Solarzellen [34, 35] und Mikro-Leuchtdioden in der Displaytechnologie [36].

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

Methoden

TIR-Phänomen in der Lichtleiterebene

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 des Lichts wird reflektiert und der andere gebrochen. Umgekehrt, wenn der Einfallswinkel größer als der kritische Winkel ist, wird das gesamte Licht ohne Brechung intern reflektiert. Der Brechungsindex des inneren Mediums beträgt n₁ , und der Brechungsindex des externen Mediums ist n₂ . Der kritische Winkel θ _c kann mit Gl. (1). Wenn n₁ ist 1,788, der kritische Winkel θ _c des TIR beträgt 34,136°, wie in Abb. 1 dargestellt. Der rote Dreieckskegel stellt den nicht-totalen Reflexionsbereich dar, der die Lichtleiterschicht durchdringen und dann verlassen kann, und der verbleibende cyanfarbene Bereich ist der TIR-Bereich, in dem Licht reflektiert und wird vom Material absorbiert, wodurch der LEE reduziert wird.

Totalreflexion innerhalb der Lichtleiterschicht. a Flache schematische Skizze und b dreidimensionale schematische Skizze

Wenn die Länge L . ist und Breite W der Lichtleitschicht festgelegt sind, die Dicke der Lichtleitschicht H_LG wirkt sich auf den TIR-Bereich aus. Wie in Fig. 2 dargestellt, tritt Licht aus der lichtemittierenden Schicht in die Lichtleiterschicht aus und daher tritt das TIR-Phänomen nicht im orangefarbenen Bereich auf. Wenn der Einfallswinkel diesen Bereich überschreitet, tritt TIR im Cyan-Bereich von Fig. 2 auf. Die Breite dieses Bereichs kann als T_W . definiert werden , wie in Gl. (2).

Schema des UV-C-LED-TIR-Phänomens

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

Wir verwendeten die Solidwork 3D-Zeichnungssoftware und die optische Simulationssoftware Ansys SPEOS, um das optische System zu konstruieren und die Auswirkungen der Lichtleiterschichtdicke auf den LEE mit optischem Design erster Ordnung zu simulieren und zu optimieren. Mit Al₂ O₃ Als Material der Lichtleiterschicht haben wir die Dicke modifiziert, um durch TIR verursachte Absorptionsprobleme zu reduzieren.

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

a Strukturdiagramm des UV-C-LED-Chips und b ein vereinfachtes Parameterdiagramm der UV-C-LED-Chipsimulation

Die Lichtleiterschicht bestand aus Al₂ O₃ , der Brechungsindex N_LGL 1,782 betrug und die Lichtleiterschichtdicke (H_LG ) Intervall war 150–700 μm. Die lichtemittierende Schicht (LEL) hatte eine Dicke H_LE von 1,5 μm, die obere Oberfläche der Schicht war eine lichtemittierende Oberfläche, die untere Oberfläche war eine teilweise absorbierende und teilweise reflektierende Schicht und die UV-C-LED-Elektrodendicke H_pd war 1,5 μm; das Material wurde so eingestellt, dass es teilweise absorbiert und teilweise reflektiert. Abbildung 3a veranschaulicht die Struktur des UV-C-LED-Chips und Fig. 3b ist ein vereinfachtes Simulationsdiagramm des Chips. Die Parametereinstellungen sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Abbildung 4a zeigt eine schematische Darstellung der dreidimensionalen UV-C-LED-Struktur und Fig. 4b ist eine schematische Darstellung der Lichtspur der simulierten lichtemittierenden Oberfläche.

Aufbau der UV-C-LED; a dreidimensionale Struktur der UV-C-LED-Simulation und b Simulationsdiagramm für Lichtspuren

Diese Studie analysierte die Auswirkungen einer Lichtleiterdicke von 150–700 μm auf den LEE; der simulierte Eingangsstrahlungsfluss betrug 1 W, und das Simulationsergebnis ist in Fig. 5 dargestellt. Wenn die Dicke des Lichtleiters 150 μm betrug, betrug der relative Strahlungsfluss 0,41 W, und wenn die Dicke des Lichtleiters erhöht wurde, der LEE stieg wiederum an. Bei einer Lichtleiterdicke von 600 μm betrug der Strahlungsfluss 0,62 W, was einem 1,512-fachen Anstieg entspricht. Den Simulationsergebnissen zufolge ist der LEE bei weiterer Erhöhung der Dicke nahe der Sättigung und nimmt nicht zu. Wenn die Dicke der Lichtleiterschicht 700 μm betrug, war die Effizienz nur 2,2 % höher als die der Schicht bei 600 μm, wie in Abb. 5 dargestellt.

LEE-Diagramm des simulierten UV-C-LED-Lichtleiters mit einer Dicke von 150–700 μm

Tabelle 2 zeigt die relative Strahlungsflussleistung und ihre Vergrößerung, wenn die simulierte Strahlungsflussaufnahme 1 W betrug. Die Lichtleiterschicht mit einer Dicke von 600 μm erzielte den besten LEE, Vergrößerung und Verarbeitungsstabilität; bei 700 μm führte dies jedoch zu Verarbeitungs- und Schneideproblemen und damit zu einer geringeren Ausbeute.

Wir schlagen die Optimierung der Lichtleiterschichtdicke zur Verbesserung des LEE im Vergleich zum nanostrukturierten Saphirsubstratverfahren vor, die Vorteile des Verfahrens müssen nicht durch den Ätz- und Prägeprozess gehen.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 6 zeigt die UV-C-LED-Prototypen mit unterschiedlichen Lichtleiterschichtdicken (H_LG .). ). Abbildung 6a zeigt ein H_LG Wert von 150 μm, dem in der Industrie üblicherweise verwendeten Dickenparameter, der als Referenzmessung für dieses Experiment diente. Abbildung 6e zeigt ein H_LG von 600 μm, was die optimale Dicke für erhöhten LEE ist. Beim industriellen Herstellungsverfahren führt eine Erhöhung der Dicke der Lichtleiterschicht zu Schwierigkeiten beim Schneiden und führt zu Spaltungsproblemen. Wenn die Dicke der Lichtleiterschicht 600 um beträgt, hat sie die Grenzdicke der Verarbeitung in der Industrie erreicht.

Seitenansicht echter UV-C-LED-Proben mit Lichtleiterschichtdicken (H _LG ) von a 150, b 300, c 400, d 500, e 600 und f 700 μm

Tabelle 3 listet den relativen Strahlungsfluss der verschiedenen Lichtleiterschichtdicken (H_LG ). Mit H_LG von 600 μm war der Strahlungsfluss 1,52-mal höher als bei einer Dicke von 150 μm. Abbildung 7 veranschaulicht die UV-C-LED-Prototypsimulation und den gemessenen 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 genähert. Die Simulationsergebnisse ähneln denen des tatsächlichen Stichprobentests.

Vergleich simulierter und gemessener LEE-Verstärkungszeiten von UV-C-LEDs mit einer Lichtleiterschichtdicke von 150–700 µm

Tabelle 4 zeigt die Auswirkungen der simulierten UV-C-LED auf LEE unter verschiedenen Lichtleiterschichtdicken; Wenn die Dicke des Lichtleiters 150 μm betrug, betrug der relative Strahlungsfluss 13,53 mW, und wenn die Dicke des Lichtleiters erhöht wurde, nahm der LEE wiederum zu. Bei einer Lichtleiterdicke von 600 &mgr;m betrug der Strahlungsfluss 20,58 mW, eine 1,521-fache Zunahme. Ein Vergleich des Unterschieds zwischen Simulation und Messung zeigt, dass die Ergebnisse denen des tatsächlichen Stichprobentests ähnlich sind.

Schlussfolgerungen

Dieses Papier schlägt ein optisches Design erster Ordnung unter Verwendung von Al₂ . vor O₃ Material als Lichtleiterschicht, um die durch TIR verursachte Absorption zu reduzieren und den LEE von UV-C-LEDs zu optimieren. Die Auswirkungen unterschiedlich dicker Lichtleiterschichten auf den 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 Erhöhung des LEE. Dieses verbesserte UV-C LED LEE ist vorteilhaft für den Einsatz solcher LEDs in Sterilisationssystemen und anderen zukünftigen Anwendungen.

Verfügbare Daten und Materialien

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

Abkürzungen

DUV:

Tiefes Ultraviolett

H_pd :

Elektrodendicke

LEE:

Lichtextraktionseffizienz

L:

Länge

LGL:

Lichtleiterschicht

LE:

Lichtemittierende Schicht

TIR:

Totale interne Reflexion

UV-C-LEDs:

Ultraviolett-C-Leuchtdioden

W:

Breite