Optimisation de l'épaisseur de la couche du guide de lumière pour l'amélioration de l'efficacité d'extraction de la lumière des diodes électroluminescentes ultraviolettes

Introduction

La pandémie de COVID-19 a entraîné une augmentation du taux de mortalité mondial. Bien que les lampes à mercure ultraviolet (UV)-C traditionnelles puissent être stérilisées, leur teneur en mercure, leur longueur d'onde spectrale dispersée, leur encombrement et leur courte durée de vie limitent leur applicabilité. Les diodes électroluminescentes (DEL) UV-C sont écologiques, sans mercure et non polluantes. La longueur d'onde de stérilisation est concentrée entre 260 et 280 nm. Parce que la source lumineuse est petite et a une longue durée de vie, elle a progressivement remplacé les lampes à mercure UV-C en tant que principale source lumineuse de stérilisation. La lumière UV détruit les structures d'ADN ou d'ARN bactérien et a été largement utilisée pour décontaminer les surfaces, l'air et l'eau. La bande d'ondes UV-C entre 260 et 280 nm a le plus grand effet bactéricide, empêchant la régénération des cellules microbiennes pour réaliser la désinfection et la stérilisation [1,2,3]. Des études ont documenté la large utilisation des LED UV-C dans la photothérapie médicale et dans la désinfection et la stérilisation de l'eau, des aliments et des médicaments pour une consommation sûre [4,5,6,7]. Les lampes UV au mercure traditionnelles sont désavantagées par leurs longs temps de préchauffage, leur courte durée de vie, le risque d'explosion et la pollution de l'environnement; Les LED UV-C sont supérieures dans tous les aspects susmentionnés [8,9,10]. La plage de longueurs d'onde UV-C est comprise entre 100 et 280 nm et la longueur d'onde de la LED UV-C se situe entre 260 et 280 nm. Parce que la longueur d'onde d'émission des LED est plus concentrée, leur efficacité de stérilisation et leur fiabilité à long terme sont également meilleures que celles des lampes UV au mercure [11, 12]. Cependant, le faible rendement quantique externe (EQE) et le faible rendement d'extraction de lumière (LEE) des LED UV-C doivent être améliorés. Les faibles EQE et LEE des LED UV-C à base d'AlGaN sont attribuables aux fuites d'électrons et à la réflexion interne totale (TIR), qui entraînent l'absorption des photons par le substrat en saphir et les matériaux de la couche de contact p-GaN [13,14 ,15].

Les approches d'amélioration de LEE ont impliqué l'utilisation d'un substrat de saphir à nanomotifs comme substrat pour la fabrication de LED UV-C. La croissance de substrats de saphir à motifs mixtes à LED à base d'InGaN à l'échelle microscopique et nanométrique a été proposée par Wen Cheng Ke et al. , qui a permis à la LED d'intégrer des nanotrous dans le substrat de saphir à micromotifs pour améliorer ses caractéristiques photoélectriques [16]. PhillipManley et al. a utilisé un substrat de saphir à nanomotifs dans des LED UV profonds (DUV), vérifiant les effets d'une telle structure à nanomotifs sur le LEE du saphir [17].

Shao Hua Huang et al. a utilisé la gravure humide d'une structure de puce retournée pour modifier un substrat de saphir et lui donner une texture en biseau, améliorant ainsi le LEE d'une LED au nitrure [18]. Dong Yeong Kim a proposé un micromiroir GaN de type n avec une barrière de pente recouverte d'Al appelée LED DUV à émission améliorée pour améliorer le LEE de la polarisation magnétique transversale [19].

Certains chercheurs ont proposé de modifier le trajet de la lumière pour améliorer le LEE grâce à la conception d'une lentille secondaire. Par exemple, Renli Liang et al. utilisé des réseaux de nanolentilles pour améliorer le LEE des LED DUV grâce à la technologie de lithographie et de gravure humide. Bin Xie et al. a proposé une lentille de forme libre avec un film d'amélioration de la luminosité pour améliorer les performances globales d'un rétroéclairage LED à éclairage direct [20, 21]. Les LED UV-C et leurs caractéristiques liées à l'absorption des matières organiques influencent le choix des matériaux d'emballage. Nagasawa et Hirano ont promu l'utilisation de l'éther butyl vinylique de type p avec une structure terminale trifluorométhyle sur des substrats d'AlGaN comme matériau encapsulé pour améliorer le LEE [22]. Sous irradiation DUV à long terme, les matériaux organiques sont soumis à une dissociation et une destruction moléculaires sévères. Pour favoriser une extraction de la lumière plus efficace et fiable, un matériau à haute résistance à la lumière UV ou à des matériaux inorganiques est requis. L'étanchéité à l'air d'un emballage est également un facteur clé pour évaluer la capacité d'emballage [23, 24]. Pour tenir compte à la fois de la pénétration élevée et de la fiabilité à long terme, le verre de quartz est souvent utilisé comme matériau d'emballage pour les LED UV. Lorsque la cavité est creuse, des réflexions d'interface élevées réduisent le LEE ; la cavité peut être remplie de colle liquide ou organique à faible indice de réfraction pour une amélioration LEE. À cet égard, Chieh-Yu Kang a proposé un nouveau type de structure d'emballage liquide LED DUV pouvant apporter des améliorations LEE. Chien Chun Lu a démontré le LEE plus élevé et plus fiable des LED UV-C avec un boîtier hermétique à base de quartz [25, 26].

Différents matériaux d'emballage tels que le fluide polydiméthylsiloxane (PDMS) dopé au SiO₂ les nanoparticules peuvent améliorer le LEE des LED UV. Zhi Ting Ye a proposé que le fluide PDMS dopé aux nanoparticules améliore les performances optiques des LED DUV à base d'AlGaN [27]. Yang Peng a utilisé ce matériau d'encapsulation dopé avec du fluoropolymère sur un substrat de nitrure d'aluminium pour améliorer le LEE d'une structure d'encapsulation sur puce [28]. Joosun Yun et Hideki Hirayama ont proposé différentes structures de plaquettes dans une étude comparative avec six structures de flip-chip différentes, obtenant une méta-surface AlGaN pour un LEE amélioré [29].

Il convient également de mentionner que la gestion des photons a été démontrée comme un moyen efficace d'extraire et de récolter la lumière et a été largement utilisée dans une variété de dispositifs optoélectroniques, y compris les photodétecteurs et les cellules chimiques photoélectroniques [30,31,32,33], les cellules solaires [34, 35] et les microdiodes électroluminescentes dans la technologie d'affichage [36].

La recherche sur le raffinement des LED UV-C n'a pas encore examiné les effets de l'épaisseur de la couche de guide de lumière sur LEE. Lorsque le saphir est utilisé comme matériau de la couche de guidage de lumière, le taux d'absorption est relativement faible dans la bande de longueur d'onde générale du bleu de 450 nm mais relativement élevé dans la bande de longueur d'onde de la LED UV-C 260-280 nm, démontrant l'influence de l'épaisseur sur LEE. Par conséquent, dans cet article, une valeur optimale pour l'épaisseur de la couche de guide de lumière pour le LEE des LED UV-C est proposée.

Méthodes

Phénomène TIR dans la couche de guide de lumière

Le TIR est un phénomène optique par lequel l'indice de réfraction change lorsque la lumière pénètre dans différents supports. Lorsque l'angle incident est inférieur à l'angle critique, la lumière est divisée en deux parties; une partie de la lumière est réfléchie et l'autre réfractée. Inversement, lorsque l'angle incident est supérieur à l'angle critique, toute la lumière est réfléchie intérieurement sans réfraction. L'indice de réfraction du milieu interne est n₁ , et l'indice de réfraction du milieu externe est n₂ . L'angle critique θ _c peut être calculé en utilisant l'équation. (1). Quand n₁ est de 1,788, l'angle critique θ _c du TIR est de 34,136°, comme illustré sur la Fig. 1. Le cône triangulaire rouge représente la zone de réflexion non totale qui peut pénétrer dans la couche guide de lumière puis en sortir, et la zone cyan restante est la zone TIR, dans laquelle la lumière rebondit et est absorbé par le matériau, réduisant le LEE.

Réflexion totale à l'intérieur de la couche guide de lumière. un Esquisse schématique à plat et b croquis schématique en trois dimensions

Lorsque la longueur L et largeur W de la couche de guide de lumière sont fixes, l'épaisseur de la couche de guide de lumière H_LG affecte la zone TIR. Comme le montre la figure 2, la lumière sort de la couche électroluminescente dans la couche de guidage de lumière et, par conséquent, le phénomène TIR ne se produit pas dans la zone orange. Si l'angle d'incidence dépasse cette zone, le TIR apparaît dans la zone cyan de la figure 2. La largeur de cette zone peut être définie comme T_W , tel qu'exprimé dans l'équation. (2).

Schéma du phénomène UV-C LED TIR

Simulation et optimisation de l'épaisseur de la couche de guide de lumière pour améliorer le LEE des LED UV-C

Nous avons utilisé le logiciel de dessin 3D Solidwork et le logiciel de simulation optique Ansys SPEOS pour construire le système optique et pour simuler et optimiser les effets de l'épaisseur de la couche de guide de lumière sur LEE à l'aide d'une conception optique de premier ordre. Avec Al₂ O₃ agissant comme matériau de la couche de guidage de lumière, nous avons modifié l'épaisseur pour réduire les problèmes d'absorption causés par le TIR.

La longueur d'onde de la puce LED UV-C était de 275 nm, la longueur L 1,524 mm et la largeur W était de 1,524 mm, comme le montre la figure 3.

un Schéma structurel de la puce LED UV-C, et b un schéma de paramètres simplifié de la simulation de puce LED UV-C

La couche de guide de lumière était composée d'Al₂ O₃ , l'indice de réfraction N_LGL était de 1,782, et l'épaisseur de la couche de guide de lumière (H_LG ) était de 150 à 700 μm. La couche électroluminescente (LEL) avait une épaisseur H_LE de 1,5 μm, la surface supérieure de la couche était une surface électroluminescente, la surface inférieure était une couche partiellement absorbante et partiellement réfléchissante, et l'épaisseur de l'électrode LED UV-C H_pd était de 1,5 μm ; le matériau a été réglé pour absorber partiellement et réfléchir partiellement. La figure 3a illustre la structure de la puce LED UV-C et la figure 3b est un schéma de simulation simplifié de la puce. Les réglages des paramètres sont répertoriés dans le tableau 1.

La figure 4a présente un schéma de la structure tridimensionnelle de la LED UV-C, et la figure 4b est un schéma de la trace lumineuse de la surface émettrice de lumière simulée.

Structure de la LED UV-C ; un structure tridimensionnelle de la simulation LED UV-C, et b schéma de simulation de traces lumineuses

Cette étude a analysé les effets de l'épaisseur du guide de lumière de 150 à 700 μm sur LEE ; le flux radiant d'entrée simulé était de 1 W, et le résultat de la simulation est présenté sur la Fig. 5. Lorsque l'épaisseur du guide de lumière était de 150 μm, le flux radiant relatif était de 0,41 W, et lorsque l'épaisseur du guide de lumière a été augmentée, le LEE a augmenté à son tour. À une épaisseur de guide de lumière de 600 μm, le flux radiant était de 0,62 W, soit une augmentation de 1,512 fois. D'après les résultats de la simulation, si l'épaisseur est encore augmentée, le LEE est proche de la saturation et n'augmente pas. Lorsque l'épaisseur de la couche de guide de lumière était de 700 μm, l'efficacité n'était que de 2,2 % supérieure à celle de la couche à 600 μm, comme le montre la figure 5.

Diagramme LEE du guide de lumière LED UV-C simulé d'une épaisseur de 150 à 700 μm

Le tableau 2 montre la sortie relative du flux radiant et son grossissement lorsque l'entrée du flux radiant simulé était de 1 W. La couche de guide de lumière d'une épaisseur de 600 μm a obtenu le meilleur LEE, le grossissement et la stabilité de traitement ; cependant, à 700 μm, cela a entraîné des difficultés de traitement et de coupe et une diminution conséquente du rendement.

Nous proposons l'optimisation de l'épaisseur de la couche de guide de lumière pour l'amélioration du LEE par rapport à la méthode du substrat de saphir à nano-motif, les avantages de la méthode n'ont pas besoin de passer par le processus de gravure et de gaufrage.

Résultats et discussion

La figure 6 illustre les prototypes de LED UV-C avec différentes épaisseurs de couche de guide de lumière (H_LG ). La figure 6a montre un H_LG valeur de 150 μm, le paramètre d'épaisseur couramment utilisé dans les paramètres de l'industrie qui a servi de mesure de référence pour cette expérience. La figure 6e montre un H_LG de 600 μm, ce qui est l'épaisseur optimale pour un LEE accru. Dans le processus de fabrication industrielle, l'augmentation de l'épaisseur de la couche de guidage de lumière entraînera des difficultés de coupe et entraînera des problèmes de division. Lorsque l'épaisseur de la couche de guide de lumière est de 600 um, elle a atteint l'épaisseur limite de traitement dans l'industrie.

Vue latérale d'échantillons de LED UV-C réels avec des épaisseurs de couche de guide de lumière (H _LG ) de a 150, b 300, c 400, d 500, e 600, et f 700 μm

Le tableau 3 répertorie le flux radiant relatif des différentes épaisseurs de couche de guide de lumière (H_LG ). Avec H_LG de 600 μm, le flux radiant était 1,52 fois plus élevé qu'avec une épaisseur de 150 μm. La figure 7 illustre la simulation du prototype de LED UV-C et la tendance de croissance LEE mesurée avec différentes épaisseurs de couche de guide de lumière (150-700 μm) ; chez H_LG de 700 μm, le taux de croissance n'était plus évident et avait approché la saturation. Les résultats de la simulation sont similaires à ceux de l'échantillon de test réel.

Le LEE simulé et mesuré par rapport améliore les temps de LED UV-C avec une épaisseur de couche de guide de lumière de 150 à 700 um

Le tableau 4 détaille les effets de la LED UV-C simulée sur LEE sous différentes épaisseurs de couche de guide de lumière ; Lorsque l'épaisseur du guide de lumière était de 150 μm, le flux radiant relatif était de 13,53 mW, et lorsque l'épaisseur du guide de lumière était augmentée, le LEE augmentait à son tour. À une épaisseur de guide de lumière de 600 µm, le flux radiant était de 20,58 mW, soit une augmentation de 1,521 fois. La comparaison de la différence entre la simulation et la mesure montre que les résultats sont similaires à ceux de l'échantillon de test réel.

Conclusions

Cet article propose une conception optique de premier ordre utilisant Al₂ O₃ matériau comme couche de guidage de lumière pour réduire l'absorption causée par le TIR et optimiser le LEE des LED UV-C. Les effets des couches de guides de lumière de différentes épaisseurs sur le LEE des LED UV-C ont été simulés et analysés à l'aide du logiciel de simulation optique SPEOS. Par rapport à l'épaisseur de couche standard de 150 μm, une épaisseur optimisée de 600 μm a entraîné une augmentation de 1,52 fois de LEE. Cette LED UV-C LEE améliorée est bénéfique pour l'utilisation de telles LED dans les systèmes de stérilisation et d'autres applications futures.

Disponible des données et des matériaux

Les ensembles de données soutenant les conclusions de cet article sont disponibles dans l'article.

Abréviations

DUV :

Ultraviolet profond

H_pd :

Épaisseur de l'électrode

LEE :

Efficacité d'extraction de la lumière

L :

Longueur

LGL :

Couche guide de lumière

LE :

Couche électroluminescente

TIR :

Réflexion interne totale

LED UV-C :

Diodes électroluminescentes Ultraviolet-C

W :

Largeur