Otimização da espessura da camada guia de luz para aumento da eficiência de extração de luz de diodos emissores de luz ultravioleta

Resumo

Considere a usinabilidade do material e a safira de incompatibilidade de rede como substratos para os diodos emissores de luz ultravioleta-C (LEDs UV-C) são comumente usados, mas seu alto índice de refração pode resultar na reflexão interna total (TIR) ​​da luz, pela qual alguma luz é absorvida , portanto, causou redução da eficiência de extração de luz (LEE). Neste estudo, propomos um método para otimizar a espessura de uma camada guia de luz de substrato de safira por meio de projeto óptico de primeira ordem que utilizou o software de simulação óptica Ansys SPEOS para simular e avaliar a eficiência de extração de luz. Foram usados ​​wafers de LEDs AlGaN UV-C com uma espessura de camada guia de luz de 150-700 μm. A simulação prosseguiu sob um comprimento de onda central de 275 nm para determinar o projeto de espessura ideal da camada guia de luz. Finalmente, os resultados experimentais demonstraram que a espessura inicial da camada guia de luz de 150 μm, a potência de saída de referência de 13,53 mW e uma espessura aumentada de 600 um resultaram em uma potência de saída de 20,58 mW. O LEE pode ser aumentado em 1,52 vezes por meio da otimização da espessura da camada guia de luz. Propomos um método para otimizar a espessura de uma camada guia de luz de substrato de safira por meio de projeto óptico de primeira ordem. Foram usados ​​wafers de LEDs AlGaN UV-C com uma espessura de camada guia de luz de 150-700 μm. Finalmente, os resultados experimentais demonstraram que o LEE pode ser aumentado em 1,52 vezes através da otimização da espessura da camada guia de luz.

Introdução

A pandemia COVID-19 levou a um aumento na taxa de mortalidade global. Embora as lâmpadas ultravioleta (UV) -C de mercúrio tradicionais possam ser esterilizadas, seu conteúdo de mercúrio, comprimento de onda espectral disperso, volume e vida útil curta limitam sua aplicabilidade. Os diodos emissores de luz UV-C (LEDs) são ecologicamente corretos, livres de mercúrio e não poluentes. O comprimento de onda de esterilização é concentrado entre 260 e 280 nm. Como a fonte de luz é pequena e tem uma longa vida útil, ela gradualmente substituiu as lâmpadas de mercúrio UV-C como a fonte de luz de esterilização primária. A luz ultravioleta destrói estruturas de DNA ou RNA bacterianas e tem sido amplamente usada para descontaminar superfícies, ar e água. A faixa de onda UV-C entre 260 e 280 nm tem maior efeito bactericida, impedindo a regeneração das células microbianas para desinfecção e esterilização [1,2,3]. Estudos documentaram o amplo uso de LEDs UV-C em fototerapia médica e na desinfecção e esterilização de água, alimentos e medicamentos para consumo seguro [4,5,6,7]. As lâmpadas ultravioleta de mercúrio tradicionais são prejudicadas por seus longos tempos de aquecimento, vida útil curta, risco de explosão e poluição ambiental; Os LEDs UV-C são superiores em todos os aspectos mencionados [8,9,10]. A faixa de comprimento de onda do UV-C é de 100–280 nm, e o comprimento de onda do LED UV-C fica entre 260 e 280 nm. Como o comprimento de onda de emissão dos LEDs é mais concentrado, sua eficiência de esterilização e confiabilidade de longo prazo também são melhores do que as lâmpadas ultravioleta de mercúrio [11, 12]. No entanto, a baixa eficiência quântica externa (EQE) e a eficiência de extração de luz (LEE) dos LEDs UV-C devem ser melhoradas. O baixo EQE e LEE dos LEDs UV-C baseados em AlGaN são atribuíveis ao vazamento de elétrons e à reflexão interna total (TIR), que fazem com que os fótons sejam absorvidos pelo substrato de safira e pelos materiais na camada de contato p-GaN [13,14 , 15].

As abordagens para a melhoria do LEE envolveram o uso de um substrato de safira nanopadronizado como substrato para a fabricação de LEDs UV-C. O crescimento de substratos de safira com padrão misto de LED com base em InGaN em micro e nanoescala foi proposto por Wen Cheng Ke et al . , que permitiu ao LED incorporar nanofuros no substrato de safira micropadronizado para melhorar suas características fotoelétricas [16]. PhillipManley et al. empregou um substrato de safira nanopadronizado em LEDs UV profundos (DUV), verificando os efeitos de tal estrutura nanopadronizada no LEE da safira [17].

Shao Hua Huang et al . empregou condicionamento úmido de uma estrutura flip-chip para modificar um substrato de safira e dar-lhe textura chanfrada, melhorando o LEE de um LED de nitreto [18]. Dong Yeong Kim propôs um microespelho de GaN tipo n com uma barreira de inclinação revestida de Al, chamada DUV LED com emissão de parede lateral aprimorada, para melhorar o LEE da polarização magnética transversal [19].

Alguns estudiosos propuseram mudar o caminho da luz para melhorar o LEE por meio do projeto de uma lente secundária. Por exemplo, Renli Liang et al . usou matrizes de nanolens para aprimorar o LEE de LEDs DUV por meio de tecnologia litográfica e de corrosão úmida. Bin Xie et al . propôs uma lente de forma livre com um filme de aumento de brilho para melhorar o desempenho geral de uma luz de fundo de LED com iluminação direta [20, 21]. Os LEDs UV-C e suas características relacionadas à absorção de material orgânico influenciam na escolha dos materiais de embalagem. Nagasawa e Hirano promoveram o uso de éter butil vinil tipo p com uma estrutura terminal trifluorometil em substratos AlGaN como o material encapsulado para melhorar LEE [22]. Sob irradiação DUV de longo prazo, os materiais orgânicos são submetidos a severa dissociação e destruição molecular. Para promover uma extração de luz mais eficiente e confiável, é necessário um material com alta resistência à luz ultravioleta ou materiais inorgânicos. A estanqueidade de uma embalagem também é um fator chave para avaliar a capacidade da embalagem [23, 24]. Para levar em conta a alta penetração e a confiabilidade de longo prazo, o vidro de quartzo é frequentemente usado como material de embalagem para LEDs UV. Quando a cavidade é oca, as altas reflexões da interface reduzem o LEE; a cavidade pode ser preenchida com cola líquida ou orgânica com baixo índice de refração para melhoria do LEE. A este respeito, Chieh-Yu Kang propôs um novo tipo de estrutura de embalagem de líquido DUV LED pode alcançar melhorias LEE. Chien Chun Lu demonstrou o LEE mais alto e mais confiável de LEDs UV-C com um pacote hermético à base de quartzo [25, 26].

Diferentes materiais de embalagem, como fluido de polidimetilsiloxano (PDMS) dopado com SiO ₂ nanopartículas podem melhorar o LEE de LEDs UV. Zhi Ting Ye propôs que o fluido PDMS dopado com nanopartículas melhorou o desempenho óptico dos LEDs DUV baseados em AlGaN [27]. Yang Peng empregou este material de encapsulamento dopado com fluoropolímero em um substrato de nitreto de alumínio para aumentar o LEE de uma estrutura de encapsulamento chip-on-board [28]. Joosun Yun e Hideki Hirayama propuseram diferentes estruturas de wafer em um estudo comparativo com seis diferentes estruturas flip-chip, obtendo uma meta-superfície AlGaN para LEE melhorado [29].

Também vale a pena mencionar que o gerenciamento de fótons tem se mostrado uma forma eficiente de extrair e colher luz e tem sido amplamente utilizado em uma variedade de dispositivos optoeletrônicos, incluindo fotodetectores e células químicas fotoelétricas [30,31,32,33], células solares [34, 35] e Micro-diodos emissores de luz em tecnologia de exibição [36].

A pesquisa sobre o refinamento dos LEDs UV-C ainda precisa examinar os efeitos da espessura da camada guia de luz no LEE. Quando a safira é usada como o material da camada guia de luz, a taxa de absorção é relativamente baixa na banda de comprimento de onda azul geral de 450 nm, mas relativamente alta na banda de comprimento de onda do LED UV-C de 260–280 nm, demonstrando a influência da espessura no LEE. Portanto, neste trabalho, um valor ideal para a espessura da camada guia de luz para o LEE de LEDs UV-C é proposto.

Métodos

Fenômeno TIR na camada de guia leve

TIR é um fenômeno óptico pelo qual o índice de refração muda quando a luz entra em diferentes meios. Quando o ângulo de incidência é menor que o ângulo crítico, a luz é dividida em duas partes; uma parte da luz é refletida e a outra é refratada. Por outro lado, quando o ângulo incidente é maior do que o ângulo crítico, toda a luz é refletida internamente sem refração. O índice de refração do meio interno é n ₁ , e o índice de refração do meio externo é n ₂ . O ângulo crítico θ _c pode ser calculado usando a Eq. (1). Quando n ₁ é 1,788, o ângulo crítico θ _c do TIR é 34,136 °, conforme ilustrado na Fig. 1. O cone do triângulo vermelho representa a área de reflexão não total que pode penetrar na camada guia de luz e, em seguida, sair dela, e a área ciano restante é a área TIR, em que a luz rebate e é absorvido pelo material, reduzindo o LEE.

Reflexão total dentro da camada de guia de luz. a Esboço esquemático plano e b esboço diagramático tridimensional
$$ {\ theta} _ {C} ={\ mathrm {sin}} ^ {- 1} \ frac {{n} _ {2}} {{n} _ {1}} $$ (1)
Quando o comprimento L e largura W da camada de guia de luz são fixas, a espessura da camada de guia de luz H _LG afeta a área TIR. Conforme representado na Fig. 2, a luz sai da camada emissora de luz para a camada guia de luz e, portanto, o fenômeno TIR não ocorre na área laranja. Se o ângulo de incidência exceder esta área, TIR ocorre na área ciano da Fig. 2. A largura desta área pode ser definida como T _W , conforme expresso na Eq. (2)

Esquema do fenômeno TIR LED UV-C
$$ {T} _ {W} =\ mathrm {tan} ({\ mathrm {sin}} ^ {- 1} \ frac {{n} _ {2}} {{n} _ {1}}) \ vezes {H} _ {LG} $$ (2)

Simulação e otimização da espessura da camada do guia de luz para aumentar o LEE dos LEDs UV-C

Usamos o software de desenho 3D Solidwork e o software de simulação óptica Ansys SPEOS para construir o sistema óptico e para simular e otimizar os efeitos da espessura da camada guia de luz em LEE usando design óptico de primeira ordem. Com Al ₂ O ₃ atuando como o material da camada guia de luz, modificamos a espessura para reduzir os problemas de absorção causados ​​pelo TIR.

O comprimento de onda do chip LED UV-C era de 275 nm, o comprimento L 1,524 mm e a largura W foi de 1,524 mm, conforme apresentado na Fig. 3.

a Diagrama estrutural do chip LED UV-C, e b um diagrama de parâmetro simplificado de simulação de chip de LED UV-C

A camada do guia de luz era composta por Al ₂ O ₃ , o índice de refração N _LGL era 1,782, e a espessura da camada guia de luz (H _LG ) o intervalo foi de 150-700 μm. A camada emissora de luz (LEL) tinha uma espessura H _LE de 1,5 μm, a superfície superior da camada era uma superfície emissora de luz, a superfície inferior era uma camada parcialmente absorvente e parcialmente reflexiva e a espessura do eletrodo LED UV-C H _pd era de 1,5 μm; o material foi configurado para absorver parcialmente e refletir parcialmente. A Figura 3a ilustra a estrutura do chip LED UV-C e a Fig. 3b é um diagrama de simulação simplificado do chip. As configurações dos parâmetros estão listadas na Tabela 1.

A Figura 4a apresenta um esquema da estrutura tridimensional do LED UV-C e a Fig. 4b é um esquema do traço de luz da superfície emissora de luz simulada.

Estrutura do LED UV-C; a estrutura tridimensional da simulação de LED UV-C, e b diagrama de simulação de traço de luz

Este estudo analisou os efeitos da espessura do guia de luz de 150–700 μm no LEE; o fluxo radiante de entrada simulado foi de 1 W, e o resultado da simulação é apresentado na Fig. 5. Quando a espessura da guia de luz foi 150 μm, o fluxo radiante relativo foi de 0,41 W, e quando a espessura da guia de luz foi aumentada, o LEE aumentou por sua vez. Com uma espessura de guia de luz de 600 μm, o fluxo radiante foi de 0,62 W, ​​um aumento de 1,512 vezes. De acordo com os resultados da simulação, se a espessura for aumentada ainda mais, o LEE está próximo da saturação e não aumenta. Quando a espessura da camada guia de luz foi de 700 μm, a eficiência foi apenas 2,2% maior do que a da camada de 600 μm, conforme apresentado na Fig. 5.

Diagrama LEE do guia de luz LED UV-C simulado com uma espessura de 150-700 μm

A Tabela 2 mostra a saída relativa do fluxo radiante e sua ampliação quando a entrada do fluxo radiante simulado foi de 1 W. A camada guia de luz com uma espessura de 600 μm obteve o melhor LEE, ampliação e estabilidade de processamento; no entanto, a 700 μm, resultou em dificuldades de processamento e corte e uma consequente diminuição no rendimento.

Propomos a otimização da espessura da camada guia de luz para realce do LEE em comparação com o método do substrato de safira nano-padronizado, as vantagens do método não precisam passar pelo processo de ataque químico e gofragem.

Resultados e discussão

A Figura 6 ilustra os protótipos de LED UV-C com diferentes espessuras de camada guia de luz (H _LG ) A Figura 6a mostra um H _LG valor de 150 μm, o parâmetro de espessura comumente usado em configurações da indústria que serviu como uma medida de referência para este experimento. A Figura 6e mostra um H _LG de 600 μm, que é a espessura ideal para LEE intensificado. No processo de fabricação industrial, o aumento da espessura da camada guia de luz causará dificuldade no corte e levará a problemas de divisão. Quando a espessura da camada guia de luz é 600um, ela atingiu a espessura limite de processamento na indústria.

Vista lateral de amostras reais de LED UV-C com espessuras de camada guia de luz ( H _LG ) de a 150, b 300, c 400, d 500, e 600 e f 700 μm

A Tabela 3 lista o fluxo radiante relativo das diferentes espessuras da camada guia de luz (H _LG ) Com H _LG de 600 μm, o fluxo radiante foi 1,52 vezes maior do que com uma espessura de 150 μm. A Figura 7 ilustra a simulação do protótipo de LED UV-C e a tendência de crescimento LEE medida com diferentes espessuras da camada guia de luz (150–700 μm); na H _LG de 700 μm, a taxa de crescimento não era mais óbvia e se aproximou da saturação. Os resultados da simulação são semelhantes aos do teste de amostra real.

Tempos de aprimoramento de LEE simulados e medidos comparados de LEDs UV-C com uma espessura de camada guia de luz de 150-700 um

A Tabela 4 detalha os efeitos do LED UV-C simulado no LEE sob diferentes espessuras de camada de guia de luz; Quando a espessura da guia de luz era de 150 µm, o fluxo radiante relativo era de 13,53 mW, e quando a espessura da guia de luz era aumentada, o LEE aumentava por sua vez. Com uma espessura de guia de luz de 600 μm, o fluxo radiante foi de 20,58 mW, um aumento de 1,521 vezes. A comparação da diferença entre simulação e medição mostra que os resultados são semelhantes aos do teste de amostra real.

Conclusões

Este artigo propõe um projeto óptico de primeira ordem usando Al ₂ O ₃ material como a camada guia de luz para reduzir a absorção causada pelo TIR e otimizar o LEE dos LEDs UV-C. Os efeitos das camadas de guia de luz de diferentes espessuras no LEE de LEDs UV-C foram simulados e analisados ​​usando o software de simulação óptica SPEOS. Em comparação com a espessura da camada padrão de 150 μm, uma espessura otimizada de 600 μm resultou em um aumento de 1,52 vezes no LEE. Este LED LEE UV-C aprimorado é benéfico para o uso de tais LEDs em sistemas de esterilização e outras aplicações futuras.

Dados e materiais disponíveis

Os conjuntos de dados que suportam as conclusões deste artigo estão disponíveis no artigo.

Abreviações

DUV:

Ultravioleta profundo

H _pd :

Espessura do eletrodo

LEE:

Eficiência de extração leve

L:

Comprimento

LGL:

Camada guia de luz

LE:

Camada emissora de luz

TIR:

Reflexão interna total

LEDs UV-C:

Diodos emissores de luz ultravioleta-C

W:

Largura

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