Otimização da Espessura da Camada Guia de Luz de Safira para Aumentar Eficiência de Extração de Luz de UV-LED

Resumo

Considerando a usinabilidade do material e descompasso de rede, a safira como substrato para diodos emissores de luz ultravioleta-C (UV-C LEDs) é comumente usada, mas seu alto índice de refração pode resultar em reflexão interna total (TIR) da luz, fazendo com que parte da luz seja absorvida, reduzindo portanto a 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 através de design óptico de primeira ordem que usou o software de simulação óptica Ansys SPEOS para simular e avaliar a eficiência de extração de luz. Wafers de AlGaN UV-C LEDs com espessura de camada guia de luz de 150-700 μm foram usados. A simulação prosseguiu sob comprimento de onda central de 275 nm para determinar o design 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 μm resultou em potência de saída de 20,58 mW. A LEE pode ser aumentada em 1,52 vezes através 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 através de design óptico de primeira ordem. Wafers de AlGaN UV-C LEDs com espessura de camada guia de luz de 150-700 μm foram usados. Finalmente, os resultados experimentais demonstraram que a LEE pode ser aumentada em 1,52 vezes através da otimização da espessura da camada guia de luz.

Introdução

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

Abordagens para melhoria de LEE envolveram uso de substrato de safira nanopadronizado como substrato para fabricação de UV-C LEDs. O crescimento de substratos de safira padronizados mistos InGaN-baseados em escala micro e nano foi proposto por Wen Cheng Ke et al., que permitiram o LED incorporar nanofuros no substrato de safira micropadronizado para melhorar suas características fotoelétricas [16]. Phillip Manley et al. empregaram substrato de safira nanopadronizado em LEDs UV profundo (DUV), verificando os efeitos de tal estrutura nanopadronizada na LEE de safira [17].

Shao Hua Huang et al. empregaram gravação úmida de estrutura flip-chip para modificar substrato de safira e dar-lhe textura chanfrada, melhorando a LEE de LED de nitreto [18]. Dong Yeong Kim propôs um micromirror n-type GaN com barreira de inclinação revestida de Al chamado LED DUV de emissão lateral aprimorada para melhorar a LEE de polarização magnética transversal [19].

Alguns estudiosos propuseram mudar o caminho da luz para melhorar LEE através do design de lente secundária. Por exemplo, Renli Liang et al. usaram arrays de nanolentes para melhorar a LEE de DUV LEDs através de tecnologia de litografia e gravação úmida. Bin Xie et al. propuseram lente de forma livre com filme de realce de brilho para melhorar o desempenho geral de backlight LED de iluminação direta [20, 21]. UV-C LEDs e suas características relacionadas à absorção de material orgânico influenciam a escolha de materiais de encapsulamento. Nagasawa e Hirano promoveram o uso de éter vinílico butílico tipo p com estrutura terminal trifluorometila em substratos AlGaN como material encapsulado para melhorar LEE [22]. Sob irradiação DUV de longo prazo, materiais orgânicos são submetidos a dissociação e destruição molecular severa. Para promover extração de luz mais eficiente e confiável, um material com alta resistência à luz UV ou materiais inorgânicos é necessário. A estanqueidade de um encapsulamento também é fator chave para avaliar capacidade de encapsulamento [23, 24]. Para contabilizar tanto alta penetração quanto confiabilidade a longo prazo, vidro de quartzo é frequentemente usado como material de encapsulamento para UV LEDs. Quando a cavidade é oca, altas reflexões de interface reduzem LEE; a cavidade pode ser preenchida com líquido ou cola orgânica com baixo índice de refração para melhoria de LEE. A este respeito, Chieh-Yu Kang propôs novo tipo de estrutura de encapsulamento líquido DUV LED que pode alcançar melhorias de LEE. Chien Chun Lu demonstrou a LEE mais alta e confiável de UV-C LEDs com pacote hermético baseado em quartzo [25, 26].

Diferentes materiais de encapsulamento como fluido de polidimetilsiloxano (PDMS) dopado com nanopartículas de SiO₂ podem melhorar a LEE de UV LEDs. Zhi Ting Ye propôs que fluido PDMS dopado com nanopartículas aprimorou o desempenho óptico de DUV LEDs baseados em AlGaN [27]. Yang Peng empregou este material de encapsulamento dopado com fluoropolímero em substrato de nitreto de alumínio para melhorar a LEE de estrutura de encapsulamento chip-on-board [28]. Joosun Yun e Hideki Hirayama propuseram diferentes estruturas de wafer em estudo comparativo com seis diferentes estruturas flip-chip, obtendo meta-superfície AlGaN para LEE aprimorada [29].

Também vale mencionar que gerenciamento de fótons tem sido demonstrado como forma eficiente de extrair e colher luz e tem sido amplamente usado em variedade de dispositivos optoeletrônicos, incluindo fotodetectores e células fotoeletroquímicas [30,31,32,33], células solares [34, 35], e micro-diodos emissores de luz em tecnologia de display [36].

Pesquisa no refinamento de UV-C LEDs ainda não examinou os efeitos da espessura da camada guia de luz na LEE. Quando safira é usada como material de 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 UV-C LED 260-280 nm, demonstrando a influência da espessura na LEE. Portanto, neste artigo, um valor ótimo para a espessura da camada guia de luz para a LEE de UV-C LEDs é proposto.

Métodos

Fenômeno TIR na Camada Guia de Luz

TIR é um fenômeno óptico onde 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. Inversamente, quando o ângulo de incidência é maior que o ângulo crítico, toda a luz é internamente refletida sem refração. O índice de refração do meio interno é n₁, e o índice de refração do meio externo é n₂. O ângulo crítico θ_c pode ser calculado usando Eq. (1). Quando n₁ é 1,788, o ângulo crítico θ_c do TIR é 34,136°, como ilustrado na Fig. 1. O cone triangular vermelho representa a área de não reflexão total que pode penetrar a camada guia de luz e então sair dela, e a área ciano restante é a área TIR, onde a luz ricocheteia e é absorvida pelo material, reduzindo a LEE.

$${\theta }_{C}={\mathrm{sin}}^{-1}\frac{{n}_{2}}{{n}_{1}}$$ (1)

Quando o comprimento L e largura W da camada guia de luz são fixos, a espessura da camada guia de luz H_LG afeta a área TIR. Como representado na Fig. 2, a luz sai da camada emissora de luz para a camada guia de luz e assim, 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, como expresso na Eq. (2).

$$T_{W}=\mathrm{tan}({\mathrm{sin}}^{-1}\frac{{n}_{2}}{{n}_{1}})\times {H}_{LG}$$ (2)

Simulação e Otimização da Espessura da Camada Guia de Luz para Aumentar LEE de UV-C LEDs

Usamos software de desenho 3D Solidwork e software de simulação óptica Ansys SPEOS para construir o sistema óptico e simular e otimizar os efeitos da espessura da camada guia de luz na LEE usando design óptico de primeira ordem. Com Al₂O₃ atuando como material da camada guia de luz, modificamos a espessura para reduzir problemas de absorção causados por TIR.

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

A camada guia de luz era composta de Al₂O₃, o índice de refração N_LGL era 1,782, e o intervalo de espessura da camada guia de luz (H_LG) era 150-700 μm. A camada emissora de luz (LEL) tinha 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 UV-C LED H_pd era 1,5 μm; o material foi definido para parcialmente absorver e parcialmente refletir. A Figura 3a ilustra a estrutura do chip UV-C LED, e Fig. 3b é um diagrama simplificado de simulação do chip. As configurações de parâmetros estão listadas na Tabela 1.

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

Este estudo analisou os efeitos da espessura da camada guia de 150-700 μm na LEE; o fluxo radiante de entrada simulado era 1 W, e o resultado da simulação é apresentado na Fig. 5. Quando a espessura da camada guia era 150 μm, o fluxo radiante relativo era 0,41 W, e quando a espessura da camada guia foi aumentada, a LEE aumentou por sua vez. Em espessura de camada guia de 600 μm, o fluxo radiante era 0,62 W, um aumento de 1,512 vezes. De acordo com os resultados de simulação, se a espessura for aumentada ainda mais, a LEE está próxima de saturação e não aumenta. Quando a espessura da camada guia era 700 μm, a eficiência era apenas 2,2% maior que a da camada a 600 μm, como apresentado na Fig. 5.

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

Propomos a otimização da espessura da camada guia de luz para aumento da LEE comparada ao método de substrato de safira nanopadronizado, as vantagens do método não precisam passar pelo processo de gravação e relevo.

Resultados e Discussão

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

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

A Tabela 4 detalha os efeitos do UV-C LED simulado na LEE sob diferentes espessuras de camada guia de luz; Quando a espessura da camada guia era 150 μm, o fluxo radiante relativo era 13,53 mW, e quando a espessura da camada guia foi aumentada, a LEE aumentou por sua vez. Em espessura de camada guia de 600 μm, o fluxo radiante era 20,58 mW, um aumento de 1,521 vezes. Comparando a diferença entre simulação e medição mostra que os resultados são semelhantes aos do teste de amostra real.

Conclusões

Este artigo propõe um design óptico de primeira ordem usando material Al₂O₃ como camada guia de luz para reduzir a absorção causada por TIR e otimizar a LEE de UV-C LEDs. Os efeitos de camadas guia de luz de diferentes espessuras na LEE de UV-C LEDs foram simulados e analisados usando software de simulação óptica SPEOS. Comparado com a espessura padrão de camada de 150 μm, uma espessura otimizada de 600 μm resultou em aumento de 1,52 vezes na LEE. Esta LEE aprimorada de UV-C LED é benéfica para o uso de tais LEDs em sistemas de esterilização e outras aplicações futuras.