Полидиметилсилоксановая жидкость, легированная наночастицами, улучшает оптические характеристики светодиодов глубокого ультрафиолетового излучения на основе AlGaN

Фон

Глубокие УФ-излучающие диоды на основе нитрида алюминия (DUV-LEDs) с эвтектическим перевернутым кристаллом и диапазоном длин волн 200–300 нм используются в технике отверждения, обеспечении безопасности связи, стерилизации, химическом разложении, очистке воды, очистке воздуха и т. Д. обнаружение и обнаружение подделок [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]. В ближайшем будущем светодиоды DUV считаются заменой традиционных источников УФ-света, поскольку они не содержат ртути и обладают высокой надежностью [11,12,13,14]. Однако выходная мощность флип-чипа DUV-LED остается низкой в ​​основном из-за дефектов квантовых ям, поглощения света и полного внутреннего отражения (TIR) ​​на границе раздела сапфир – воздух [15,16,17]. Эффективность вывода света (LEE) светодиодов видимого света была улучшена за счет снижения потерь TIR с помощью слоя инкапсуляции кремния [18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30 ]. В этой статье мы предлагаем метод капсулирования жидкости с использованием полидиметилсилоксана (PDMS) с высоким показателем преломления ( n =1,43) и коэффициент пропускания на длине волны 275 нм. Жидкость PDMS обладает превосходными свойствами, такими как нетоксичность и устойчивость к окислению, химическим веществам и теплу [31, 32]. Предлагаемый метод инкапсуляции увеличивает светоотдачу DUV-светодиодов и снижает вредное воздействие светодиодов на людей и окружающую среду. Смешивание SiO ₂ НЧ в жидкости PDMS также могут улучшить световую отдачу.

Методы и материалы

На рисунке 1 показана схема предлагаемого процесса инкапсуляции DUV-LED, состоящего из следующих этапов:(а) готовят керамическую подложку с оксидом алюминия в качестве материала электрода; (b) чип DUV-LED (пиковая длина волны 275 нм) прикреплен к керамической подложке посредством склеивания под горячим давлением; (c) полость боковой стенки алюминиевого отражателя соединена с керамической подложкой DUV-LED, а микросхема размещена в центре отверстия; (d) жидкость PDMS подается в полость боковой стенки алюминиевого отражателя; (e) связующее для покрытия и полусферическое стекло, пропускающее УФ-излучение, диаметром 3 мм и высотой 1,3 мм помещают на внешнее кольцо полости боковой стенки алюминиевого отражателя; (е) отдельные DUV-светодиоды вырезаются по линиям разметки; и (g) полный DUV-светодиод с SiO ₂ -Получена структура инкапсуляции жидкости из PDMS, легированной НП. На рисунке 2а показан обычный светодиод DUV, а на рисунке 2b показан светодиод DUV, инкапсулированный с жидкостью PDMS, предложенной в этом исследовании. Промежуточный слой состоит из ПДМС, легированного SiO ₂ . НП. Традиционный метод использует вертикальную керамическую боковую стенку с левой и правой сторон откидного чипа DUV-LED, плоское стекло, пропускающее УФ-излучение, сверху и воздух в качестве среды между перекидным чипом DUV-LED и стеклом. Средний слой предложенной конструкции представлял собой инкапсулированную структуру SiO ₂ НЧ в жидкости PDMS с полусферической структурой стекла, пропускающей УФ-лучи, выше. На рисунке 2c показан коэффициент пропускания жидкости PDMS на разных длинах волн, полученный с помощью системы измерения оптического спектрофотометра (Hitachi, Токио, Япония). График показывает, что коэффициент пропускания жидкости PDMS составлял 85% при 275 нм. На рис. 2г представлена ​​фотография ДУВ-светодиода с площадью поверхности 0,78 × 0,75 мм ² . (Dowa Co. Ltd., Токио, Япония), и его спектр излучения регистрировали при прямом токе 200 мА. Доминирующая длина волны чипа составляла 275 нм с полной шириной на полувысоте 12 нм. Все данные были получены с помощью оптической системы интегрирующей сферы SLM-20 (Isuzu Optics, Синьчжу, Тайвань). В таблице 1 перечислены характеристики (свойства поверхности и материала) всех компонентов предлагаемого герметизированного DUV-светодиода.

Изготовление герметичной конструкции DUV-LED: a керамическая подложка, b Микросхема DUV-LED (пиковая длина волны, 275 нм), прикрепленная к керамической подложке посредством соединения под давлением, c алюминиевая пластина, прикрепленная к керамической подложке DUV-LED, d легированное связующее, дозируемое в полость, e крышка кварцевой линзы, помещенная на конструкцию, f вырезанные готовые DUV-светодиоды, и g полный DUV-LED с SiO ₂ Инкапсулирующая жидкость из ПДМС, легированного НП

Структура инкапсуляции DUV-LED: a Схема обычного флип-чипа DUV-LED, б структура инкапсуляции и SiO ₂ Жидкий полидиметилсилоксан (PDMS), легированный наночастицами (NP), герметичная структура DUV-LED, c коэффициент пропускания жидкости PDMS от 200 до 600 нм, d фотография DUV-светодиода и спектр излучения, снятый при прямом токе 200 мА для предлагаемого DUV-светодиода, и e изображение SiO ₂ , полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения НП ²⁶

Изображение SiO ₂ , полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии. НЧ (гидрофобный коллоидный диоксид кремния AEROSIL, Франкфурт-на-Майне, Германия) представлены на рис. 2д. НЧ получали, сначала удаляя влагу при 150 ° C в печи, а затем помещая НЧ в N ₂ резервуар на 48 часов, чтобы высушить их поверхности. Средний размер наночастиц был установлен на уровне 14 нм, чтобы предотвратить их слипание из-за влаги.

Результаты и обсуждение

Были использованы четыре типа инкапсуляции DUV-LED, которые показаны на рис. 3. На рис. 3a показаны DUV-LED (I) с микросхемой DUV-LED и боковыми стенками алюминиевого отражателя под углом 60 °. На рис. 3b показан DUV-LED (II), в котором полость боковой стенки алюминиевого отражателя была заполнена жидкостью PDMS. На рисунке 3c показан DUV-LED (III), в котором полость боковой стенки алюминиевого отражателя была заполнена немного меньшим количеством жидкости PDMS, чем в DUV-LED (II), и с полусферической стеклянной крышкой, пропускающей УФ-излучение. На рисунке 3d показан DUV-LED (IV), в котором полость боковой стенки алюминиевого отражателя была полностью заполнена жидкостью PDMS, и использовалась полусферическая стеклянная крышка, пропускающая УФ-излучение. Измерение интегрирующей сферы было выполнено для четырех типов инкапсуляции DUV-LED (рис. 3e). Когда управляющий ток микросхемы DUV-LED (I) составлял 200 мА, выходная мощность света составляла 42,07 мВт. Напротив, когда ток возбуждения микросхемы DUV-LED (II) составлял 200 мА, выходная мощность света составляла 36,11 мВт, что на 14,16% ниже, чем у DUV-LED (I). Это состояние возникло в основном из-за того, что ПДП произошло, когда жидкость ПДМС заполнила полость боковой стенки алюминиевого отражателя. Отношение эффективности экстракции ультрафиолетового света, попадающего в жидкость PDMS, к ультрафиолетовому свету, связанному с воздухом, определяется следующим уравнением [12]:

Схема и сравнение четырех структур инкапсуляции: a DUV-LED (I), b DUV-LED (II), c DUV-LED (III), d DUV-LED (IV), е выходная мощность света при различных условиях инкапсуляции и f выходная мощность света с разными SiO ₂ Концентрации NP (%) в жидкости PDMS

где θ _{c, жидкость PDMS} и θ _{c, воздух} являются критическими углами для TIR на интерфейсах PDMS fluid DUV-LED и air UV-LED соответственно. Когда управляющий ток микросхемы DUV-LED (III) составлял 200 мА, выходная оптическая мощность составляла 48,126 мВт, что на 14,39% выше, чем у DUV-LED (I). Это произошло в основном из-за того, что вогнутая линза уменьшила TIR, но увеличила LEE. Однако у DUV-LED (III) был воздушный зазор, который мешал ему иметь самую высокую светоотдачу среди всех изготовленных устройств. Когда управляющий ток микросхемы DUV-LED (IV) составлял 200 мА, выходная мощность составляла 70,045 мВт, что на 66,49% выше, чем у DUV-LED (I). Инкапсулирующая структура DUV-LED (IV) обеспечивала самую высокую выходную мощность света, поскольку в капсуле не было воздушного зазора, что позволяло полностью пропускать DUV-свет от DUV-LED. Выходная мощность света была также определена для инкапсуляции DUV-LED (II), DUV-LED (III) и DUV (IV), когда жидкость PDMS была легирована SiO ₂ НЧ (рис. 3е). Структура DUV-LED (I) не была включена в сравнение, потому что она не содержала жидкости PDMS. Массовые процентные концентрации (%) NP были установлены равными 0, 0,1, 0,2 и 0,3 мас.%. Когда управляющий ток микросхемы DUV-LED (IV) составлял 200 мА, выходная мощность света составляла 70,04, 74,32, 80,58 и 77,44 мВт. Таким образом, SiO ₂ Концентрация легирования НЧ 0,2 мас.% Дает самый высокий LEE. Легирование жидкости PDMS SiO ₂ НЧ увеличили количество рассеянного света, но уменьшили количество TIR. Легирование 0,2 мас.% SiO ₂ NP привел к получению LEE на 15% выше, чем при легировании 0 мас.% SiO ₂ Н.П. По сравнению с DUV-LED (I), LEE был на 81,45% выше при токе возбуждения 200 мА. Инкапсуляция DUV-LED была выполнена с использованием методов производства, представленных на рис. 3. В таблице 2 показаны изображения работы DUV-LED (IV) при токе возбуждения 200 мА с жидким легированием PDMS при 0,2 мас.% Наночастиц SiO2. На рисунке 4 представлено сравнение средних температур интерфейса DUV-LED (I) и DUV-LED (IV), содержащих SiO ₂ . Жидкость PDMS, легированная NP, при различных токах возбуждения. Когда управляющий ток составлял 200 мА, температура интерфейса в устройстве DUV-LED (IV) была на 4 ° C ниже, чем в устройстве DUV-LED (I), что свидетельствует о том, что герметичная структура эффективно снижает тепловую температуру. В таблице 2 показана температурная карта DUV-LED (I) и DUV-LED (IV), полученная с использованием инфракрасного тепловизора (ChingHsing Co. Ltd., Тайбэй, Тайвань). При управляющем токе 140 мА DUV-LED (IV) имел более низкую рабочую температуру, чем DUV-LED (I). Для DUV-LED (I) без жидкости PDMS температура была самой высокой на поверхности кристалла. Результаты на рис. 4 и в таблице 2 показывают, что структура инкапсуляции с жидкостью PDMS, легированной SiO ₂ NPs обладают превосходной способностью рассеивать тепло.

Зависимость средней температуры поверхности DUV-LED (I) и DUV-LED (IV)

Выводы

В этой статье предлагается новый метод инкапсуляции для улучшения LEE DUV-светодиодов путем легирования жидкости PDMS SiO ₂ НП. Значительно высокая светоотдача была достигнута при использовании SiO ₂ Инкапсулирующая жидкость из ПДМС, легированного НЧ. В частности, выходная мощность света была на 81,45% выше, когда жидкость PDMS легирована 0,2 мас.% SiO ₂ НЧ размещались в полости, а не в воздухе. Это улучшение объясняется уменьшенным ПВО и дополнительным светорассеянием в жидкости PDMS из-за добавления SiO ₂ НП. Средняя температура интерфейса была на 4 ° C ниже при токе возбуждения 200 мА. Предложенная архитектура была компактной и пригодной для производства в будущем DUV-светодиодов на основе AlGaN с высоким содержанием LEE.

Доступность данных и материалов

Не применимо

Сокращения

Светодиоды DUV:

Светодиоды глубокого ультрафиолета

НП:

Наночастицы

PDMS:

Полидиметилсилоксан