Fluido polidimetilsiloxano dopado com nanopartículas melhora o desempenho óptico de diodos emissores de luz ultravioleta profunda à base de AlGaN

Resumo

Este artigo propõe uma nova estrutura de encapsulamento para diodos emissores de luz ultravioleta à base de nitreto de alumínio (DUV-LEDs) e chips flip eutéticos contendo fluido de polidimetilsiloxano (PDMS) dopado com SiO ₂ nanopartículas (NPs) com uma tampa de vidro hemisférico de quartzo transparente aos raios ultravioleta. Os resultados experimentais revelam que a estrutura de encapsulamento proposta tem uma potência de saída de luz consideravelmente maior do que a tradicional. A eficiência de extração de luz foi aumentada em 66,49% quando a corrente direta do DUV-LED era de 200 mA. Dopagem do fluido PDMS com SiO ₂ NPs resultaram em maior potência de saída de luz do que o fluido não dopado. A eficiência máxima foi alcançada com uma concentração de dopagem de 0,2% em peso. A potência de saída óptica na corrente direta de 200 mA da estrutura de encapsulamento com dopagem NP do fluido foi 15% maior do que sem dopagem NP. A potência de saída óptica da estrutura de encapsulamento proposta foi 81,49% maior do que a da estrutura de encapsulamento tradicional. O aumento da potência de saída de luz foi devido à dispersão de luz causada pelo SiO ₂ NPs e o índice de refração médio aumentado. A temperatura de encapsulamento pode ser reduzida em 4 ° C a uma corrente de condução de 200 mA usando a estrutura de encapsulamento proposta.

Histórico

Diodos emissores de UV profundos à base de nitreto de alumínio (DUV-LEDs) com um chip flip eutético e uma faixa de comprimento de onda de 200-300 nm têm sido usados em engenharia de cura, segurança de comunicação, engenharia de esterilização, decomposição química, purificação de água, purificação de ar, detecção de falsificação e detecção [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]. Os DUV-LEDs são considerados uma substituição em um futuro próximo das fontes tradicionais de luz ultravioleta porque são isentos de mercúrio e altamente confiáveis [11,12,13,14]. No entanto, a potência de saída do flip chip DUV-LED permanece baixa principalmente por causa de defeitos quânticos do poço, absorção de luz e reflexão interna total (TIR) na interface safira-ar [15,16,17]. A eficiência de extração de luz (LEE) de LEDs de luz visível foi melhorada reduzindo a perda de TIR usando uma camada de encapsulamento de silício [18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30 ] Neste artigo, propomos um método de encapsulação de fluido usando polidimetilsiloxano (PDMS) com alto índice de refração ( n =1,43) e transmitância em um comprimento de onda de 275 nm. O fluido PDMS tem excelentes propriedades, como não toxicidade e resistência à oxidação, produtos químicos e calor [31, 32]. O método de encapsulamento proposto aumenta a eficiência de saída de luz dos LEDs DUV e reduz os efeitos adversos dos LEDs nas pessoas e no meio ambiente. Misturando SiO ₂ NPs no fluido PDMS também podem melhorar a eficiência da luz.

Métodos e materiais

A Figura 1 mostra o esquema do processo de encapsulamento DUV-LED proposto que consiste nas seguintes etapas:(a) um substrato de cerâmica é preparado com alumina como o material do eletrodo; (b) o chip DUV-LED (comprimento de onda de pico 275 nm) é ligado ao substrato de cerâmica por meio de ligação de pressão a quente; (c) a cavidade da parede lateral do refletor de alumínio é ligada ao substrato de cerâmica DUV-LED e o chip é colocado no centro da abertura; (d) o fluido PDMS é dispensado na cavidade da parede lateral do refletor de alumínio; (e) ligante de revestimento e um vidro transmissor de UV hemisférico com um diâmetro de 3 mm e altura de 1,3 mm são colocados no anel externo da cavidade da parede lateral do refletor de alumínio; (f) DUV-LEDs individuais são cortados ao longo das linhas de marcação; e (g) um DUV-LED completo com um SiO ₂ A estrutura de encapsulação de fluido PDMS dopado com -NP é obtida. A Figura 2a ilustra um DUV-LED convencional, e a Fig. 2b mostra um DUV-LED encapsulado com fluido PDMS proposto neste estudo. A camada intermediária compreende PDMS dopado com SiO ₂ NPs. O método tradicional usa uma parede lateral de cerâmica vertical nos lados esquerdo e direito do DUV-LED flip chip, vidro plano transmissivo de UV na parte superior e ar como o meio entre o DUV-LED flip chip e o vidro. A camada intermediária do projeto proposto era uma estrutura encapsulada de SiO ₂ NPs em fluido PDMS com uma estrutura de vidro transmissora de UV hemisférica acima. A Figura 2c plota a transmitância do fluido PDMS em diferentes comprimentos de onda, conforme obtido usando um sistema de medição de espectrofotômetro óptico (Hitachi, Tóquio, Japão). O gráfico revela que a transmitância do fluido PDMS foi de 85% a 275 nm. A Figura 2d apresenta uma fotografia do DUV-LED com uma área de superfície de 0,78 × 0,75 mm ² (Dowa Co. Ltd., Tóquio, Japão) e seu espectro de emissão foi capturado na corrente direta de 200 mA. O comprimento de onda dominante do chip era de 275 nm, com largura total na metade, no máximo, 12 nm. Todos os dados foram obtidos usando um sistema óptico de esfera integradora SLM-20 (Isuzu Optics, Hsinchu, Taiwan). A Tabela 1 lista as especificações (propriedades da superfície e do material) de todos os componentes do DUV-LED encapsulado proposto.

Fabricação da estrutura de encapsulamento DUV-LED: a substrato de cerâmica, b Chip DUV-LED (comprimento de onda de pico, 275 nm) ligado a um substrato de cerâmica por meio de ligação de pressão, c placa de alumínio ligada ao substrato de cerâmica DUV-LED, d aglutinante dopado dispensado na cavidade, e uma tampa de lente de quartzo colocada na estrutura, f DUV-LEDs com acabamento recortado e g DUV-LED completo com um SiO ₂ Estrutura de encapsulamento de fluido PDMS dopado com -NP

Estrutura de encapsulamento DUV-LED: a Esquema do flip chip convencional DUV-LED, b estrutura de encapsulamento e SiO ₂ nanopartícula (NP) - estrutura de encapsulação DUV-LED de fluido dopado com polidimetilsiloxano (PDMS), c transmitância do fluido PDMS de 200-600 nm, d fotografia do DUV-LED e espectro de emissão capturado em uma corrente direta de 200 mA para o DUV-LED proposto, e e imagem de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução de SiO ₂ NPs ²⁶

Uma imagem de microscopia eletrônica de transmissão do SiO ₂ NPs (sílica pirogênica hidrofóbica AEROSIL, Frankfurt am Main, Alemanha) são apresentados na Fig. 2e. Os NPs foram preparados removendo primeiro a umidade a 150 ° C em um forno e, em seguida, colocando os NPs em um N ₂ tanque por 48 h para secar suas superfícies. O tamanho médio dos NPs foi definido em 14 nm para evitar que grudem devido à umidade.

Resultados e discussão

Quatro tipos de encapsulamento DUV-LED foram empregados e são mostrados na Fig. 3. A Figura 3a mostra o DUV-LED (I) com um chip DUV-LED e as paredes laterais do refletor de alumínio em um ângulo de 60 °. A Figura 3b mostra o DUV-LED (II) no qual a cavidade da parede lateral do refletor de alumínio foi preenchida com fluido PDMS. A Figura 3c mostra o DUV-LED (III) no qual a cavidade da parede lateral do refletor de alumínio foi preenchida com um pouco menos de fluido PDMS do que no DUV-LED (II) e com uma tampa de vidro transmissora de UV hemisférica. A Figura 3d mostra o DUV-LED (IV) no qual a cavidade da parede lateral do refletor de alumínio foi completamente preenchida com fluido PDMS e uma tampa de vidro transmissora de UV hemisférica foi usada. A medição da esfera integradora foi realizada para os quatro tipos de encapsulamento DUV-LED (Fig. 3e). Quando a corrente motriz do chip DUV-LED (I) era de 200 mA, a potência de saída de luz era de 42,07 mW. Em contraste, quando a corrente de unidade do chip DUV-LED (II) era 200 mA, a potência de saída de luz era 36,11 mW, que era 14,16% menor do que para o DUV-LED (I). Esta condição ocorreu principalmente porque o TIR transpirou quando o fluido PDMS encheu a cavidade da parede lateral do refletor de alumínio. A taxa de eficiência de extração de luz UV acoplada ao fluido PDMS para luz UV acoplada ao ar é dada pela seguinte equação [12]:
$$ \ frac {\ eta_ {PDMSfluid}} {\ eta_ {air}} =\ frac {1 - {\ mathit {\ cos}} _ {\ theta c, PDMS \ kern0.5em fluido}} {1- { \ mathit {\ cos}} _ {\ theta c, air}}, $$ (1)

Esquemático e comparação das quatro estruturas de encapsulamento: a DUV-LED (I), b DUV-LED (II), c DUV-LED (III), d DUV-LED (IV), e potência de saída de luz sob diferentes condições de encapsulamento, e f potência de saída de luz com diferentes SiO ₂ Concentrações de NP (%) no fluido PDMS

onde θ _{c, fluido PDMS} e θ _{c, ar} são os ângulos críticos para TIR nas interfaces DUV-LED de fluido PDMS e UV-LED de ar, respectivamente. Quando a corrente de condução do chip DUV-LED (III) era de 200 mA, a potência de saída óptica era 48,126 mW, que era 14,39% maior do que para o DUV-LED (I). Essa condição ocorreu principalmente porque a lente côncava reduziu o TIR, mas aumentou o LEE. No entanto, o DUV-LED (III) tinha um entreferro, o que o impedia de ter a maior potência de saída de luz entre todos os dispositivos fabricados. Quando a corrente de condução do chip DUV-LED (IV) era de 200 mA, a potência de saída era 70,045 mW, que era 66,49% maior do que a do DUV-LED (I). A estrutura de encapsulamento DUV-LED (IV) rendeu a maior potência de saída de luz porque nenhum entreferro estava presente no encapsulamento, permitindo assim a transmissão total da luz DUV do DUV-LED. A potência de saída de luz também foi determinada para encapsulamento DUV-LED (II), DUV-LED (III) e DUV (IV) quando o fluido PDMS foi dopado com SiO ₂ NPs (Fig. 3f). A estrutura DUV-LED (I) não foi incluída na comparação porque não continha fluido PDMS. As concentrações percentuais em peso (%) de NP foram definidas como 0, 0,1, 0,2 e 0,3% em peso. Quando a corrente motriz do chip DUV-LED (IV) era de 200 mA, a potência de saída de luz era 70,04, 74,32, 80,58 e 77,44 mW. Assim, um SiO ₂ A concentração de dopagem NP de 0,2% em peso resultou no LEE mais alto. Dopagem do fluido PDMS com SiO ₂ NPs aumentaram a quantidade de luz espalhada, mas diminuíram a quantidade de TIR. Dopagem com 0,2% em peso de SiO ₂ NP resultou em LEE 15% maior do que dopagem com 0% em peso de SiO ₂ NP. Comparado com o do DUV-LED (I), o LEE foi 81,45% maior para uma corrente motriz de 200 mA. O encapsulamento DUV-LED foi realizado usando os métodos de fabricação descritos na Fig. 3. A Tabela 2 mostra as imagens da operação em uma corrente de condução de 200 mA do DUV-LED (IV) com dopagem de fluido PDMS em 0,2% em peso de NPs de SiO2. A Figura 4 fornece uma comparação das temperaturas médias da interface do DUV-LED (I) e DUV-LED (IV) contendo SiO ₂ Fluido PDMS dopado com NP em diferentes correntes de condução. Quando a corrente de acionamento era 200 mA, a temperatura da interface no dispositivo DUV-LED (IV) era 4 ° C menor do que no dispositivo DUV-LED (I), revelando que a estrutura de encapsulamento enfraquecia efetivamente a temperatura térmica. A Tabela 2 mostra um mapa de temperatura do DUV-LED (I) e DUV-LED (IV) que foi obtido usando um termovisor infravermelho (ChingHsing Co. Ltd., Taipei, Taiwan). Na corrente de acionamento de 140 mA, o DUV-LED (IV) apresentou temperatura operacional mais baixa do que o DUV-LED (I). Para DUV-LED (I) sem fluido PDMS, a temperatura foi a mais alta na superfície do chip. Os resultados na Fig. 4 e Tabela 2 revelam que a estrutura de encapsulamento com fluido PDMS dopado com SiO ₂ NPs tem capacidade de dissipação de calor superior.

Dependência da temperatura média da superfície do DUV-LED (I) e DUV-LED (IV)

Conclusões

Este artigo propõe um novo método de encapsulamento para melhorar o LEE de DUV-LEDs por dopagem do fluido PDMS com SiO ₂ NPs. Uma potência de saída de luz consideravelmente alta foi alcançada usando o SiO ₂ Estrutura de encapsulamento de fluido PDMS dopado com NP. Em particular, a potência de saída de luz foi 81,45% maior quando o fluido PDMS dopado com 0,2% em peso de SiO ₂ NPs foram colocados na cavidade em vez de no ar. Este aumento é atribuído ao TIR reduzido e à dispersão de luz adicional no fluido PDMS devido à adição de SiO ₂ NPs. A temperatura média da interface foi 4 ° C mais baixa com uma corrente de acionamento de 200 mA. A arquitetura proposta era compacta e viável para a fabricação de DUV-LEDs de alto LEE AlGaN no futuro.

Disponibilidade de dados e materiais

Não aplicável

Abreviações

DUV-LEDs:: Diodos emissores de luz ultravioleta profunda
NPs:: Nanopartículas
PDMS:: Polidimetilsiloxano

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