Кремнезём-наполненная PDMS инкапсуляция значительно улучшает световой выход и тепловую производительность AlGaN глубокоультрафиолетовых СИД

Аннотация

В этом исследовании представлена инновационная схема инкапсуляции для AlGaN-базированных глубокоультрафиолетовых СИД (DUV-СИД), использующая полидиметилсилоксан (PDMS) жидкость, легированную наночастицами SiO₂, и закрытую UV-прозрачным кварцевым полушарием. Инкапсулированные СИД обеспечивают заметно более высокий световой выход, чем обычные конструкции: коэффициент извлечения света (LEE) возрастает на 66,49% при 200 мА, а максимальная эффективность достигается при 0,2 масс.% SiO₂ наночастиц в PDMS. По сравнению с нелегированной жидкостью, 0,2 масс.% легированная конфигурация дает 15% прирост выходной мощности, в то время как общая производительность превосходит традиционную инкапсуляцию на 81,49%. Кроме того, структура снижает температуру интерфейса на 4 °C при 200 мА, улучшая тепловое управление.

Обзор литературы

AlGaN-базированные DUV-СИД (200–300 нм) все чаще применяются в стерилизации, водоподготовке, безопасности и сенсорике, предлагая безртутную, высоконадежную альтернативу обычным УФ лампам [1–10]. Их ограниченная выходная мощность обусловлена дефектами квантовых ям, потерями поглощения и полным внутренним отражением (ПВО) на границе сапфир-воздух [15–17]. Хотя кремниевые инкапсулянты улучшили LEE в видимых СИД [18–30], DUV устройства все еще страдают. Здесь мы предлагаем жидкую инкапсуляцию с использованием PDMS — нетоксичного, химически стабильного, с показателем преломления 1,43 и >85% пропусканием при 275 нм [31–32] — и усиливаем ее дальнейшим включением SiO₂ наночастиц для рассеяния света и повышения среднего показателя преломления.

Методы и материалы

Рис. 1 описывает последовательность фабрикации: (a) керамическая подложка с алюминиевыми электродами; (b) DUV-СИД кристалл с пиком 275 нм припаян к подложке горячим прессованием; (c) алюминиевый рефлекторный полость вокруг кристалла; (d) PDMS жидкость (опционально легированная SiO₂ наночастицами) заполняет полость; (e) 3 мм × 1,3 мм полушарие кварца помещается на внешнее кольцо; (f) диicinг по скрибам; (g) финальный DUV-СИД с наночастицами-легированной PDMS инкапсуляцией. Рис. 2a показывает обычный DUV-СИД, Рис. 2b — наш дизайн со слоем PDMS с SiO₂ наночастицами и кварцевым накрытием. Кривая пропускания PDMS (Рис. 2c) подтверждает 85% пропускания при 275 нм. Эмиссионные спектры, измеренные интегрирующей сферой SLM-20 (Isuzu Optics), подтверждают доминирующий пик 275 нм с полушириной 12 нм. Таблица 1 перечисляет спецификации всех компонентов.

Результаты и обсуждение

Оценивались четыре варианта инкапсуляции (Рис. 3). DUV-СИД (I) использует 60° алюминиевый рефлектор с воздушной полостью; (II) заменяет воздух на PDMS жидкость; (III) заполняет полость чуть меньшим количеством PDMS и добавляет кварцевое полушарие; (IV) полностью заполняет полость PDMS и включает кварцевое накрытие. Измерения интегрирующей сферой показывают, что при 200 мА (I) дает 42,07 мВт, (II) 36,11 мВт (−14,16% из-за ПВО в PDMS), (III) 48,13 мВт (+14,39%), (IV) 70,05 мВт (+66,49%). Максимальный выход достигается при полном заполнении полости PDMS, устраняя воздушный зазор и максимизируя светопропускание. Рис. 3f исследует концентрацию SiO₂ наночастиц (0, 0,1, 0,2, 0,3 масс.%). При 200 мА устройство с 0,2 масс.% достигает 80,58 мВт, 15% улучшение LEE над нелегированной жидкостью и 81,45% над базовой (I). Рассеяние света наночастицами снижает ПВО и повышает извлечение. Тепловая визуализация (Рис. 4, Таблица 2) подтверждает, что легированная PDMS структура снижает температуру интерфейса на 4 °C при 200 мА, демонстрируя превосходное рассеивание тепла.

Заключение

Мы продемонстрировали, что легирование PDMS инкапсулянта 0,2 масс.% SiO₂ наночастицами заметно повышает LEE, достигая 81,45% увеличения светового выхода и снижения температуры интерфейса на 4 °C при 200 мА. Сниженное ПВО и дополнительное рассеяние наночастицами лежат в основе этих приростов. Эта компактная, термически эффективная архитектура предлагает практический путь к высокопроизводительным AlGaN DUV-СИД.

Доступность данных и материалов

Не применимо

Аббревиатуры

DUV-СИД:

Глубокоультрафиолетовые светодиоды

NPs:

Наночастицы

PDMS:

Полидиметилсилоксан