Оптимизация толщины световодящего слоя из сапфира для повышения эффективности извлечения света UV-C LED

Аннотация

Учитывая обрабатываемость материала и несоответствие решеток, сапфир часто используют как подложку для ультрафиолетовых С-светодиодов (UV-C LED), но его высокий показатель преломления вызывает полное внутреннее отражение (ПВО) света, часть которого поглощается, снижая эффективность извлечения света (ЭИС). В работе предложен метод оптимизации толщины световодящего слоя сапфировой подложки через оптическое проектирование первого порядка с использованием программного обеспечения Ansys SPEOS для моделирования и оценки ЭИС. Использовали вейферы AlGaN UV-C LED со толщиной световодящего слоя 150–700 мкм. Моделирование проводили при центральной длине волны 275 нм для определения оптимальной толщины. Экспериментальные результаты: исходная толщина 150 мкм дала выходную мощность 13,53 мВт, увеличение до 600 мкм дало 20,58 мВт. ЭИС увеличена в 1,52 раза за счет оптимизации толщины световодящего слоя. Предложен метод оптимизации толщины сапфирового световодящего слоя через оптическое проектирование первого порядка. Вейферы AlGaN UV-C LED с толщиной 150–700 мкм. Экспериментально подтверждено увеличение ЭИС в 1,52 раза.

Введение

Пандемия COVID-19 увеличила глобальную смертность. Традиционные UV-C ртутные лампы стерилизуют, но их ртуть, рассеянный спектр, громоздкость и короткий срок службы ограничивают применение. UV-C LED экологичны, без ртути, не загрязняют. Стерилизующая длина волны 260–280 нм. Малый размер и долгий срок службы делают их основным источником стерилизации вместо ртутных ламп. UV-излучение разрушает ДНК/РНК бактерий, широко используется для деконтаминации поверхностей, воздуха, воды. UV-C диапазон 260–280 нм имеет наибольшее бактерицидное действие, предотвращая регенерацию микробных клеток. Документировано широкое применение UV-C LED в медицинской фоттерапии, дезинфекции воды, пищи, лекарств. Ртутные UV-лампы: долгий прогрев, короткий срок, риск взрыва, загрязнение; UV-C LED превосходят во всех аспектах. UV-C диапазон 100–280 нм, UV-C LED — 260–280 нм. Более концентрированная длина волны LED дает лучшую стерилизующую эффективность и долговременную надежность. Однако низкие внешняя квантовая эффективность (EQE) и ЭИС UV-C LED нужно улучшать. Низкие EQE и ЭИС AlGaN UV-C LED обусловлены утечкой электронов и ПВО, заставляющими фотоны поглощаться сапфировой подложкой и материалами p-GaN контактного слоя.

Подходы к улучшению ЭИС: нанопаттернированные сапфировые подложки. Wen Cheng Ke et al. предложили рост InGaN LED на микро/нанопаттернированных сапфировых подложках, встраивая нанодырки в микропаттерны для улучшения фотоэлектрических характеристик. Phillip Manley et al. использовали нанопаттернированный сапфир в глубоких UV (DUV) LED, верифицировав влияние на ЭИС сапфира. Shao Hua Huang et al. применили мокрое травление flip-chip структуры для модификации сапфира, давая скошенную текстуру, улучшающую ЭИС нитридного LED. Dong Yeong Kim предложил n-типа GaN микрозеркало с Al-покрытым скошенным барьером — sidewall emission-enhanced DUV LED для улучшения ЭИС поперечно-магнитной поляризации.

Некоторые предлагают изменять путь света для улучшения ЭИС через дизайн вторичной линзы. Renli Liang et al. использовали нанолинзовые массивы для усиления ЭИС DUV LED через литографию и мокрое травление. Bin Xie et al. предложили свободную форму линзы с пленкой усиления яркости для улучшения общей характеристики прямого освещения LED-бэклайта. UV-C LED и их характеристики, связанные с абсорбцией органических материалов, влияют на выбор упаковочных материалов. Nagasawa и Hirano продвигали p-бутилвиниловый эфир с трифторметильной конечной структурой на AlGaN подложках как инкапсулирующий материал для улучшения ЭИС. При длительном DUV облучении органические материалы подвергаются тяжелой молекулярной диссоциации и разрушению. Для более эффективного и надежного извлечения света требуются материалы с высокой устойчивостью к UV или неорганические материалы. Герметичность корпуса — ключевой фактор оценки упаковки. При полой полости высокие граничные отражения снижают ЭИС; полость можно заполнить жидкостью или органическим клеем с низким показателем преломления. Chieh-Yu Kang предложил новый тип жидкой упаковки DUV LED для улучшения ЭИС. Chien Chun Lu продемонстрировал более высокую и надежную ЭИС UV-C LED с кварцевой герметичной упаковкой.

Разные упаковочные материалы: PDMS флюид, допированный SiO₂ наночастицами, улучшает ЭИС UV LED. Zhi Ting Ye предложил наночастицами допированный PDMS флюид, улучшающий оптические характеристики AlGaN DUV LED. Yang Peng использовал инкапсулирующий материал с фторполимером на подложке из нитрида алюминия для усиления ЭИС chip-on-board структуры. Joosun Yun и Hideki Hirayama предложили разные вейферные структуры в сравнительном исследовании шести flip-chip структур, получив AlGaN метаповерхность для улучшения ЭИС.

Стоит отметить, что фотонный менеджмент демонстрирован как эффективный способ извлечения и сбора света, широко используется в оптоэлектронных приборах: фотодетекторах, фотоэлектрохимических ячейках, солнечных батареях, микро-LED дисплеях.

Исследования уточнения UV-C LED еще не рассматривали влияние толщины световодящего слоя на ЭИС. При сапфире как материале световодящего слоя коэффициент абсорбции относительно низок в общем синем диапазоне 450 нм, но относительно высок в UV-C LED диапазоне 260–280 нм, демонстрируя влияние толщины на ЭИС. В работе предложено оптимальное значение толщины световодящего слоя для ЭИС UV-C LED.

Методы

Явление ПВО в световодящем слое

ПВО — оптическое явление, при котором показатель преломления меняется при переходе света в другую среду. При угле падения меньше критического свет делится: часть отражается, часть преломляется. При угле больше критического — весь свет внутренне отражается без преломления. Внутренний показатель n₁, внешний n₂. Критический угол θ_c по уравнению (1). При n₁=1,788 критический угол 34,136° (рис. 1). Красный треугольный конус — зона неполного отражения, где свет проходит сквозь световодящий слой и выходит; голубая зона — ПВО, где свет отражается и поглощается материалом, снижая ЭИС.

Уравнение (1): θ_C = arcsin(n₂/n₁)

При фиксированных длине L и ширине W световодящего слоя его толщина H_LG влияет на площадь ПВО. Рис. 2: свет выходит из излучающего слоя в световодящий, ПВО не происходит в оранжевой зоне. Если угол падения выходит за эту зону, ПВО в голубой зоне. Ширина этой зоны T_W по уравнению (2).

Уравнение (2): T_W = tan(arcsin(n₂/n₁)) × H_LG

Моделирование и оптимизация толщины световодящего слоя для повышения ЭИС UV-C LED

Использовали SolidWorks 3D CAD и Ansys SPEOS для построения оптической системы и моделирования/оптимизации влияния толщины световодящего слоя на ЭИС через оптическое проектирование первого порядка. Материал световодящего слоя — Al₂O₃, изменяли толщину для уменьшения абсорбции, вызванной ПВО.

Параметры UV-C LED чипа: длина волны 275 нм, L=1,524 мм, W=1,524 мм (рис. 3).

Световодящий слой: Al₂O₃, показатель преломления N_LGL=1,782, толщина H_LG 150–700 мкм. Излучающий слой (LEL): толщина H_LE=1,5 мкм, верхняя поверхность — излучающая, нижняя — частично абсорбирующая и отражающая. Электрод UV-C LED: толщина H_pd=1,5 мкм, материал — частично абсорбирующий и отражающий. Рис. 3a — структура чипа, 3b — упрощенная схема моделирования. Параметры в таблице 1.

Рис. 4a — 3D структура UV-C LED, 4b — схема трассировки лучей на излучающей поверхности.

Анализ влияния толщины 150–700 мкм на ЭИС; входной светосилы 1 Вт, результат рис. 5. При 150 мкм относительный светосил 0,41 Вт; с увеличением толщины ЭИС растет. При 600 мкм — 0,62 Вт, увеличение в 1,512 раза. При дальнейшем увеличении ЭИС насыщается, не растет. При 700 мкм эффективность всего на 2,2% выше, чем при 600 мкм (рис. 5).

Таблица 2: относительный светосил и коэффициент увеличения при входе 1 Вт. Толщина 600 мкм дала лучшую ЭИС, коэффициент и технологическую стабильность; при 700 мкм — трудности резки и раскола, снижение выхода годной продукции.

Предложенная оптимизация толщины световодящего слоя для повышения ЭИС по сравнению с методом нанопаттернированного сапфира не требует травления и тиснения.

Результаты и обсуждение

Рис. 6: прототипы UV-C LED с разной толщиной световодящего слоя H_LG. Рис. 6a — 150 мкм (стандарт промышленности, эталон). Рис. 6e — 600 мкм (оптимальная для максимальной ЭИС). В промышленном производстве увеличение толщины вызывает трудности резки и раскол. 600 мкм — предельная толщина обработки в промышленности.

Таблица 3: относительный светосил при разных H_LG. При 600 мкм светосил в 1,52 раза выше, чем при 150 мкм. Рис. 7: сравнение моделируемой и измеренной ЭИС при толщинах 150–700 мкм; при 700 мкм темп роста не очевиден, насыщение. Результаты моделирования согласуются с реальными тестами.

Таблица 4: детали влияния моделируемого UV-C LED на ЭИС при разных толщинах. При 150 мкм — 13,53 мВт; при 600 мкм — 20,58 мВт, увеличение в 1,521 раза. Разница между моделированием и измерением незначительна, результаты похожи.

Заключение

Предложено оптическое проектирование первого порядка с Al₂O₃ как материалом световодящего слоя для уменьшения абсорбции, вызванной ПВО, и оптимизации ЭИС UV-C LED. Влияние толщин световодящих слоев на ЭИС смоделировано и проанализировано в SPEOS. По сравнению со стандартной толщиной 150 мкм, оптимизированная 600 мкм дала увеличение ЭИС в 1,52 раза. Улучшенная ЭИС UV-C LED полезна для стерилизационных систем и будущих приложений.