Оптимизация толщины световода для повышения эффективности извлечения света ультрафиолетовых светоизлучающих диодов

Введение

Пандемия COVID-19 привела к росту глобальной смертности. Хотя традиционные ультрафиолетовые (УФ) -C ртутные лампы можно стерилизовать, их содержание ртути, длина волны в дисперсном спектре, громоздкость и короткий срок службы ограничивают их применимость. Светоизлучающие диоды (светодиоды) UV-C безвредны для окружающей среды, не содержат ртути и не загрязняют окружающую среду. Длина волны стерилизации составляет от 260 до 280 нм. Поскольку источник света небольшой и имеет длительный срок службы, он постепенно заменил ртутные лампы УФ-С в качестве основного источника света для стерилизации. Ультрафиолетовый свет разрушает бактериальную ДНК или структуры РНК и широко используется для обеззараживания поверхностей, воздуха и воды. Диапазон волн УФ-С от 260 до 280 нм имеет наибольший бактерицидный эффект, предотвращая регенерацию микробных клеток для достижения дезинфекции и стерилизации [1,2,3]. Исследования документально подтвердили широкое использование светодиодов UV-C в медицинской фототерапии, а также при дезинфекции и стерилизации воды, продуктов питания и лекарств для безопасного потребления [4,5,6,7]. Недостатком традиционных ртутных УФ-ламп является длительное время нагрева, короткий срок службы, риск взрыва и загрязнение окружающей среды; Светодиоды UV-C превосходят все вышеупомянутые аспекты [8,9,10]. Диапазон длин волн УФ-С составляет 100–280 нм, а длина волны светодиода УФ-С находится между 260 и 280 нм. Поскольку длина волны излучения светодиодов более концентрированная, их эффективность стерилизации и долговременная надежность также лучше, чем у ртутных УФ-ламп [11, 12]. Однако необходимо улучшить низкую внешнюю квантовую эффективность (EQE) и эффективность вывода света (LEE) светодиодов UV-C. Низкий EQE и LEE светодиодов UV-C на основе AlGaN объясняется утечкой электронов и полным внутренним отражением (TIR), которые вызывают поглощение фотонов сапфировой подложкой и материалами в контактном слое p-GaN [13,14 , 15].

Подходы к усовершенствованию LEE включают использование сапфировой подложки с наноразмерным рисунком в качестве подложки для производства светодиодов UV-C. Выращивание сапфировых подложек на основе светодиодов со смешанным рисунком на основе InGaN в микромасштабе и наномасштабе было предложено Вен Ченг Ке и др. . , который позволил светодиоду встроить наноотверстия в сапфировую подложку с микрорельефом для улучшения его фотоэлектрических характеристик [16]. PhillipManley et al. использовали сапфировую подложку с наноразмерным рисунком в светодиодах глубокого УФ (DUV), проверяя влияние такой структуры с наноразмерным рисунком на LEE сапфира [17].

Шао Хуа Хуанг и др. . использовали влажное травление структуры flip-chip для модификации сапфировой подложки и придания ей скошенной текстуры, улучшая LEE нитридного светодиода [18]. Дон Ён Ким предложил микрозеркало из GaN n-типа с наклонным барьером с алюминиевым покрытием, названное DUV-светодиодом с усиленным излучением боковой стенки, для улучшения LEE поперечной магнитной поляризации [19].

Некоторые ученые предложили изменить путь света для улучшения LEE за счет конструкции вторичной линзы. Например, Ренли Лян и др. . использовала матрицы нанолинз для улучшения LEE светодиодов DUV с помощью литографической технологии и технологии влажного травления. Бин Се и другие . предложили объектив произвольной формы с пленкой для повышения яркости для улучшения общих характеристик светодиодной подсветки с прямым освещением [20, 21]. Светодиоды UV-C и их характеристики, связанные с поглощением органических материалов, влияют на выбор упаковочных материалов. Нагасава и Хирано продвигали использование бутилвинилового эфира p-типа с трифторметильной концевой структурой на подложках AlGaN в качестве инкапсулированного материала для улучшения LEE [22]. При длительном облучении DUV органические материалы подвергаются серьезной молекулярной диссоциации и разрушению. Для обеспечения более эффективного и надежного вывода света требуется материал с высокой устойчивостью к УФ-излучению или неорганическим материалам. Герметичность упаковки также является ключевым фактором при оценке возможностей упаковки [23, 24]. Для обеспечения высокой проницаемости и долговременной надежности кварцевое стекло часто используется в качестве упаковочного материала для УФ-светодиодов. Когда полость является полой, высокие отражения от поверхности раздела уменьшают LEE; полость может быть заполнена жидким или органическим клеем с низким показателем преломления для улучшения LEE. В связи с этим, Chieh-Yu Kang предложил новый тип жидкой упаковки DUV LED, позволяющий добиться улучшений LEE. Chien Chun Lu продемонстрировал более высокий и более надежный LEE УФ-C светодиодов с герметичным корпусом на основе кварца [25, 26].

Различные упаковочные материалы, такие как жидкость из полидиметилсилоксана (ПДМС), легированная SiO ₂ наночастицы могут улучшить LEE УФ-светодиодов. Zhi Ting Ye предложил жидкость PDMS, легированную наночастицами, улучшила оптические характеристики DUV-светодиодов на основе AlGaN [27]. Ян Пэн использовал этот инкапсулирующий материал, легированный фторполимером, на подложке из нитрида алюминия, чтобы улучшить LEE герметичной структуры на плате [28]. Джусун Юн и Хидеки Хираяма предложили различные структуры пластин в сравнительном исследовании с шестью различными структурами перевернутого кристалла, получив мета-поверхность AlGaN для улучшения LEE [29].

Также стоит упомянуть, что управление фотонами было продемонстрировано как эффективный способ извлечения и сбора света и широко используется в различных оптоэлектронных устройствах, включая фотодетекторы и фотоэлектронные химические элементы [30,31,32,33], солнечные элементы. [34, 35] и микросветодиоды в дисплейной технике [36].

Исследования по совершенствованию светодиодов UV-C еще предстоит изучить влияние толщины световодного слоя на LEE. Когда в качестве материала световодного слоя используется сапфир, скорость поглощения относительно низкая в общем синем диапазоне длин волн 450 нм, но относительно высока в диапазоне длин волн UV-C LED 260–280 нм, демонстрируя влияние толщины на LEE. Поэтому в этой статье предлагается оптимальное значение толщины световодного слоя для LEE светодиодов UV-C.

Методы

Явление МДП на уровне световода

ПВО - это оптическое явление, при котором показатель преломления изменяется при попадании света в различные среды. Когда угол падения меньше критического, свет делится на две части; одна часть света отражается, а другая преломляется. И наоборот, когда угол падения больше критического, весь свет отражается внутрь без преломления. Показатель преломления внутренней среды n ₁ , а показатель преломления внешней среды n ₂ . Критический угол θ _c можно рассчитать по формуле. (1). Когда n ₁ равен 1,788, критический угол θ _c TIR составляет 34,136 °, как показано на рис. 1. Красный треугольный конус представляет собой область неполного отражения, которая может проникать через световодный слой и затем выходить из него, а оставшаяся голубая область - это область TIR, в которой отражается свет. и поглощается материалом, уменьшая LEE.

Полное отражение внутри световодного слоя. а Плоский схематический эскиз и b трехмерный схематический эскиз

Когда длина L и шириной W световода фиксируются, толщина световодного слоя H _LG влияет на зону МДП. Как показано на фиг. 2, свет выходит из светоизлучающего слоя в световодный слой, и, таким образом, явление ПВО не возникает в оранжевой области. Если угол падения превышает эту область, TIR появляется в голубой области на рис. 2. Ширина этой области может быть определена как T _W , как выражено в формуле. (2).

Схема явления TIR светодиода UV-C

Моделирование и оптимизация толщины световода для улучшения LEE светодиодов UV-C

Мы использовали программу для трехмерного рисования Solidwork и программу оптического моделирования ANSYS SPEOS для создания оптической системы, а также для моделирования и оптимизации влияния толщины световодного слоя на LEE с использованием оптического дизайна первого порядка. С Al ₂ О ₃ выступая в качестве материала световодного слоя, мы изменили толщину, чтобы уменьшить проблемы поглощения, вызванные TIR.

Длина волны светодиодного чипа UV-C составляла 275 нм, длина L 1,524 мм, а шириной W составила 1,524 мм, как показано на рис. 3.

а Структурная схема светодиодного чипа UV-C и b упрощенная диаграмма параметров моделирования светодиодного чипа UV-C

Световодный слой состоял из Al ₂ . О ₃ , показатель преломления N _LGL составила 1,782, а толщина световодного слоя (H _LG ) интервал 150–700 мкм. Светоизлучающий слой (LEL) имел толщину H _LE 1,5 мкм, верхняя поверхность слоя представляла собой светоизлучающую поверхность, нижняя поверхность представляла собой частично поглощающий и частично отражающий слой, а толщина электрода УФ-С светодиода H _pd составлял 1,5 мкм; материал был настроен на частичное поглощение и частичное отражение. На рисунке 3a показана структура светодиодного чипа UV-C, а на рисунке 3b представлена ​​упрощенная схема моделирования этого чипа. Настройки параметров перечислены в таблице 1.

На рис. 4а представлена ​​схема трехмерной структуры светодиода УФ-С, а на рис. 4б схематически показан световой след моделируемой светоизлучающей поверхности.

Структура светодиода UV-C; а трехмерная структура моделирования светодиода UV-C, и b схема моделирования светового следа

В этом исследовании анализировалось влияние толщины световода от 150 до 700 мкм на LEE; смоделированный входной лучистый поток составлял 1 Вт, и результат моделирования представлен на рис. 5. Когда толщина световода составляла 150 мкм, относительный лучистый поток составлял 0,41 Вт, а когда толщина световода была увеличена, LEE, в свою очередь, увеличился. При толщине световода 600 мкм лучистый поток составил 0,62 Вт, увеличившись в 1,512 раза. Согласно результатам моделирования, при дальнейшем увеличении толщины LEE близок к насыщению и не увеличивается. Когда толщина световодного слоя составляла 700 мкм, эффективность была только на 2,2% выше, чем у слоя 600 мкм, как показано на рис. 5.

Схема LEE смоделированного светодиодного световода UV-C толщиной 150–700 мкм

Таблица 2 показывает относительный выходной поток излучения и его увеличение, когда смоделированный входной поток излучения составлял 1 Вт. Световодный слой толщиной 600 мкм достиг наилучшего LEE, увеличения и стабильности обработки; однако при размере 700 мкм это привело к затруднениям при обработке и резке и, как следствие, к снижению урожайности.

Мы предлагаем оптимизацию толщины световодного слоя для улучшения LEE по сравнению с методом сапфировой подложки с наноразмерным рисунком, преимущества метода не требуют прохождения процесса травления и тиснения.

Результаты и обсуждение

На рисунке 6 показаны прототипы светодиодов UV-C с различной толщиной световодного слоя (H _LG ). На рисунке 6а показан H _LG значение 150 мкм, параметр толщины, обычно используемый в промышленных условиях, который служил эталонным измерением для этого эксперимента. На рисунке 6e показан H _LG 600 мкм, что является оптимальной толщиной для усиленного LEE. В процессе промышленного производства увеличение толщины световодного слоя вызовет трудности при резке и приведет к проблемам с расщеплением. Когда толщина световодного слоя составляет 600 мкм, он достигает предельной толщины обработки в промышленности.

Вид сбоку реальных образцов светодиодов UV-C с толщиной световодного слоя ( H _LG ) из a 150, б 300, c 400, д 500, е 600 и f 700 мкм

В таблице 3 перечислены относительные лучистые потоки для световодных слоев различной толщины (H _LG ). С H _LG При толщине 600 мкм лучистый поток был в 1,52 раза больше, чем при толщине 150 мкм. Рисунок 7 иллюстрирует моделирование прототипа светодиода UV-C и измеренную тенденцию роста LEE с различной толщиной световодного слоя (150–700 мкм); в H _LG При 700 мкм скорость роста перестала быть очевидной и приблизилась к насыщению. Результаты моделирования аналогичны результатам реального образца теста.

Сравнение смоделированного и измеренного времени увеличения LEE светодиодов UV-C с толщиной световодного слоя 150–700 мкм

В таблице 4 подробно описано влияние смоделированного светодиода UV-C на LEE при различной толщине световодного слоя; Когда толщина световода составляла 150 мкм, относительный поток излучения составлял 13,53 мВт, а когда толщина световода увеличивалась, LEE, в свою очередь, увеличивался. При толщине световода 600 мкм лучистый поток составил 20,58 мВт, увеличившись в 1,521 раза. Сравнение разницы между моделированием и измерением показывает, что результаты аналогичны результатам фактического образца теста.

Выводы

В этой статье предлагается оптическая конструкция первого порядка с использованием Al ₂ О ₃ материал в качестве световодного слоя для уменьшения поглощения, вызванного TIR, и оптимизации LEE светодиодов UV-C. Влияние световодных слоев разной толщины на LEE светодиодов UV-C было смоделировано и проанализировано с помощью программы оптического моделирования SPEOS. По сравнению со стандартной толщиной слоя 150 мкм оптимизированная толщина 600 мкм привела к увеличению LEE в 1,52 раза. Этот улучшенный светодиодный LEE UV-C полезен для использования таких светодиодов в системах стерилизации и других применениях в будущем.

Доступно данных и материалов

Наборы данных, подтверждающие выводы этой статьи, доступны в статье.

Сокращения

DUV:

Глубокий ультрафиолет

H _pd :

Толщина электрода

LEE:

Эффективность отвода света

L:

Длина

LGL:

Световодный слой

LE:

Светоизлучающий слой

МДП:

Полное внутреннее отражение

Светодиоды UV-C:

Светодиоды ультрафиолетового диапазона C

W:

Ширина