Optimisation de l'épaisseur de la couche guide de lumière en saphir pour améliorer l'efficacité d'extraction de la lumière des UV-LED

Résumé

Considérant l'usinabilité des matériaux et le désaccord de réseau, le saphir est couramment utilisé comme substrat pour les diodes électroluminescentes ultraviolettes-C (UV-C LED), mais son indice de réfraction élevé peut entraîner une réflexion totale interne (RTI) de la lumière, absorbant une partie de la lumière et réduisant l'efficacité d'extraction de la lumière (LEE). Cette étude propose une méthode d'optimisation de l'épaisseur d'une couche guide de lumière en substrat saphir par conception optique du premier ordre, utilisant le logiciel de simulation optique Ansys SPEOS pour simuler et évaluer la LEE. Des wafers UV-C LED AlGaN avec épaisseur de couche guide de lumière de 150 à 700 μm ont été utilisés. La simulation a été réalisée à une longueur d'onde centrale de 275 nm pour déterminer l'épaisseur optimale de la couche guide. Les résultats expérimentaux démontrent qu'avec une épaisseur initiale de 150 μm (puissance de sortie de référence 13,53 mW), une épaisseur augmentée à 600 μm donne une puissance de sortie de 20,58 mW. La LEE peut être augmentée de 1,52 fois par optimisation de l'épaisseur de la couche guide. Nous proposons une méthode d'optimisation de l'épaisseur de la couche guide en saphir par conception optique du premier ordre. Des wafers UV-C LED AlGaN avec épaisseurs 150-700 μm ont été utilisés. Les résultats expérimentaux démontrent que la LEE peut être augmentée de 1,52 fois par cette optimisation.

Introduction

La pandémie de COVID-19 a augmenté le taux de mortalité mondial. Bien que les lampes UV-C au mercure traditionnelles puissent stériliser, leur teneur en mercure, longueur d'onde spectrale dispersée, encombrement et durée de vie courte limitent leur applicabilité. Les UV-C LED sont écologiques, sans mercure et non polluantes. La longueur d'onde de stérilisation est concentrée entre 260 et 280 nm. Grâce à leur petite taille et longue durée de vie, elles remplacent progressivement les lampes UV-C au mercure comme source principale de stérilisation. La lumière UV détruit les structures ADN/ARN bactériennes et est largement utilisée pour décontaminer surfaces, air et eau. La bande UV-C 260-280 nm a le plus grand effet bactéricide, empêchant la régénération cellulaire microbienne pour désinfection et stérilisation. Des études documentent l'utilisation large des UV-C LED en photothérapie médicale et désinfection/stérilisation de l'eau, aliments, médicaments pour consommation sûre. Les lampes UV au mercure traditionnelles sont désavantagées par longs temps de chauffe, courte durée de vie, risque d'explosion, pollution environnementale ; les UV-C LED sont supérieures sur tous ces aspects. La gamme UV-C est 100-280 nm, les UV-C LED émettent entre 260-280 nm. Comme la longueur d'onde d'émission des LED est plus concentrée, leur efficacité de stérilisation et fiabilité long terme sont meilleures que les lampes UV au mercure. Cependant, le faible rendement quantique externe (EQE) et LEE des UV-C LED doivent être améliorés. Le faible EQE et LEE des UV-C LED AlGaN sont attribuables à la fuite d'électrons et à la réflexion totale interne (RTI), qui absorbent les photons dans le substrat saphir et les matériaux de la couche de contact p-GaN.

Les approches d'amélioration de la LEE incluent l'utilisation de substrats saphir nano-structurés. La croissance d'LED InGaN sur substrats saphir à motifs mixtes micro/nano a été proposée par Wen Cheng Ke et al., permettant d'incorporer des nanor trous dans le substrat saphir micro-structuré pour améliorer les caractéristiques photoélectriques. Phillip Manley et al. ont utilisé un substrat saphir nano-structuré pour LED UV profond (DUV), vérifiant les effets sur la LEE du saphir. Shao Hua Huang et al. ont utilisé la gravure humide d'une structure flip-chip pour modifier un substrat saphir et lui donner une texture biseautée, améliorant la LEE d'LED nitrure. Dong Yeong Kim a proposé un micromiroir n-GaN avec barrière de pente Al-coatée appelé DUV LED à émission latérale améliorée pour améliorer la LEE de polarisation magnétique transversale.

Certains chercheurs proposent de changer le trajet lumineux pour améliorer la LEE par conception d'une lentille secondaire. Renli Liang et al. ont utilisé des réseaux de nanolentilles pour améliorer la LEE de DUV LED par lithographie et gravure humide. Bin Xie et al. ont proposé une lentille à forme libre avec film d'amélioration de luminosité pour améliorer les performances globales d'un rétroéclairage LED à illumination directe. Les UV-C LED et leurs caractéristiques liées à l'absorption des matériaux organiques influencent le choix des matériaux d'encapsulation. Nagasawa et Hirano ont promu l'utilisation d'éther vinyle butyle p-type avec structure trifluorométhyle terminale sur substrats AlGaN comme matériau d'encapsulation pour améliorer la LEE. Sous irradiation DUV long terme, les matériaux organiques subissent dissociation et destruction moléculaires sévères. Pour une extraction lumineuse plus efficace et fiable, un matériau à haute résistance UV ou inorganique est requis. L'étanchéité du boîtier est aussi un facteur clé. Le verre de quartz est souvent utilisé comme matériau d'encapsulation pour UV LED. Quand la cavité est creuse, les réflexions d'interface élevées réduisent la LEE ; la cavité peut être remplie de liquide ou colle organique à faible indice pour améliorer la LEE. Chieh-Yu Kang a proposé une nouvelle structure d'encapsulation liquide DUV LED améliorant la LEE. Chien Chun Lu a démontré la LEE plus élevée et fiable d'UV-C LED avec boîtier hermétique à base de quartz.

Différents matériaux d'encapsulation comme le fluide polydiméthylsiloxane (PDMS) dopé nanoparticules SiO₂ peuvent améliorer la LEE des UV LED. Zhi Ting Ye a proposé le fluide PDMS dopé nanoparticules améliore les performances optiques des DUV LED AlGaN. Yang Peng a utilisé ce matériau d'encapsulation dopé fluoropolymère sur substrat nitrure d'aluminium pour améliorer la LEE d'une structure chip-on-board. Joosun Yun et Hideki Hirayama ont proposé différentes structures de wafer dans étude comparative avec six structures flip-chip, obtenant une méta-surface AlGaN pour LEE améliorée.

Il est aussi notable que la gestion des photons a été démontrée comme moyen efficace d'extraire et récolter la lumière, largement utilisée dans divers dispositifs optoélectroniques : photodétecteurs, cellules photoélectrochimiques, cellules solaires, micro-LED technologie d'affichage.

La recherche sur le perfectionnement des UV-C LED n'a pas encore examiné les effets de l'épaisseur de la couche guide de lumière sur la LEE. Quand le saphir est utilisé comme matériau de couche guide, le taux d'absorption est relativement faible dans la bande bleue générale 450 nm mais relativement élevé dans la bande UV-C LED 260-280 nm, démontrant l'influence de l'épaisseur sur la LEE. Cet article propose donc une valeur optimale pour l'épaisseur de la couche guide pour la LEE des UV-C LED.

Méthodes

Phénomène RTI dans la couche guide de lumière

La RTI est un phénomène optique où l'indice de réfraction change quand la lumière entre dans différents milieux. Quand l'angle d'incidence est inférieur à l'angle critique, la lumière se divise en deux parties : une partie réfléchie, l'autre réfractée. Inversement, quand l'angle d'incidence dépasse l'angle critique, toute la lumière est réfléchie intérieurement sans réfraction. L'indice du milieu interne est n₁, du milieu externe n₂. L'angle critique θ_c se calcule par l'équation (1). Pour n₁ = 1,788, θ_c = 34,136° (figure 1). Le cône triangle rouge représente la zone de non-réflexion totale qui peut pénétrer la couche guide et en sortir ; la zone cyan restante est la zone RTI où la lumière rebondit et est absorbée, réduisant la LEE.

Quand la longueur L et la largeur W de la couche guide sont fixes, l'épaisseur H_LG affecte la zone RTI. Figure 2 : la lumière sort de la couche émettrice vers la couche guide, donc pas de RTI dans la zone orange. Si l'angle d'incidence dépasse cette zone, RTI dans zone cyan. La largeur de cette zone T_W s'exprime par l'équation (2) : T_W = tan(sin⁻¹(n₂/n₁)) × H_LG.

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

Nous avons utilisé SolidWorks 3D et Ansys SPEOS pour construire le système optique et simuler/optimiser les effets de l'épaisseur de la couche guide sur la LEE par conception optique du premier ordre. Avec Al₂O₃ comme matériau de couche guide, nous avons modifié l'épaisseur pour réduire les problèmes d'absorption causés par la RTI.

La longueur d'onde de la puce UV-C LED était 275 nm, longueur L = 1,524 mm, largeur W = 1,524 mm (figure 3). La couche guide en Al₂O₃, indice N_LGL = 1,782, épaisseur H_LG intervalle 150-700 μm. La couche émettrice (LEL) épaisseur H_LE = 1,5 μm, surface supérieure émettrice, surface inférieure partiellement absorbante/réfléchissante, électrode UV-C LED épaisseur H_pd = 1,5 μm, matériau partiellement absorbant/réfléchissant. Figure 3a : structure puce UV-C LED ; 3b : diagramme simplifié simulation. Paramètres Tableau 1.

Figure 4a : schéma structure 3D UV-C LED ; 4b : schéma tracé lumière surface émettrice simulée.

Cette étude analyse les effets de l'épaisseur 150-700 μm sur la LEE ; flux radiant simulé entrant 1 W, résultat figure 5. Épaisseur 150 μm → flux radiant relatif 0,41 W. En augmentant l'épaisseur, la LEE augmente. À 600 μm, flux radiant 0,62 W, augmentation 1,512 fois. Selon simulations, si épaisseur augmentée davantage, LEE proche saturation. À 700 μm, efficacité seulement 2,2 % supérieure à 600 μm (figure 5).

Tableau 2 : flux radiant relatif et grossissement pour flux entrant 1 W. Épaisseur 600 μm = meilleure LEE, grossissement, stabilité traitement ; 700 μm → difficultés usinage/découpe, baisse rendement.

Nous proposons l'optimisation de l'épaisseur de la couche guide pour améliorer la LEE vs méthode substrat saphir nano-structuré : avantages = pas besoin gravure/gaufrage.

Résultats et discussion

Figure 6 : prototypes UV-C LED avec différentes épaisseurs H_LG. 6a : H_LG = 150 μm (épaisseur standard industrie, référence). 6e : H_LG = 600 μm (épaisseur optimale LEE accrue). Dans le processus industriel, augmenter l'épaisseur cause difficultés de découpe et fendillement. 600 μm = limite épaisseur usinage industrie.

Tableau 3 : flux radiant relatif différentes épaisseurs H_LG. H_LG 600 μm → flux 1,52 fois supérieur à 150 μm. Figure 7 : tendance croissance LEE simulée et mesurée UV-C LED prototypes différentes épaisseurs 150-700 μm ; à 700 μm, taux croissance plus évident, saturation approchée. Simulations similaires tests réels.

Tableau 4 : effets UV-C LED simulés sur LEE différentes épaisseurs ; 150 μm → 13,53 mW ; 600 μm → 20,58 mW, augmentation 1,521 fois. Comparaison simulation/mesure : résultats similaires tests réels.

Conclusions

Cet article propose une conception optique du premier ordre utilisant Al₂O₃ comme couche guide pour réduire l'absorption causée par RTI et optimiser la LEE des UV-C LED. Les effets de couches guide de différentes épaisseurs sur la LEE ont été simulés/analysés par SPEOS. Comparé à l'épaisseur standard 150 μm, l'épaisseur optimisée 600 μm donne une augmentation 1,52 fois de la LEE. Cette LEE améliorée est bénéfique pour l'utilisation de telles LED dans systèmes de stérilisation et autres applications futures.