Optimización del grosor de la capa de guía de luz para mejorar la eficiencia de extracción de luz de los diodos emisores de luz ultravioleta

Introducción

La pandemia de COVID-19 ha provocado un aumento de la tasa de mortalidad mundial. Aunque las lámparas tradicionales de mercurio ultravioleta (UV) -C se pueden esterilizar, su contenido de mercurio, su longitud de onda espectral dispersa, su volumen y su corta vida limitan su aplicabilidad. Los diodos emisores de luz (LED) UV-C son ecológicos, no contienen mercurio y no contaminan. La longitud de onda de esterilización se concentra entre 260 y 280 nm. Debido a que la fuente de luz es pequeña y tiene una vida útil prolongada, ha reemplazado gradualmente a las lámparas de mercurio UV-C como fuente de luz de esterilización primaria. La luz ultravioleta destruye las estructuras de ADN o ARN bacteriano y se ha utilizado ampliamente para descontaminar superficies, aire y agua. La banda de ondas UV-C entre 260 y 280 nm tiene el mayor efecto bactericida, impidiendo la regeneración de células microbianas para lograr la desinfección y esterilización [1,2,3]. Los estudios han documentado el amplio uso de LED UV-C en fototerapia médica y en la desinfección y esterilización de agua, alimentos y medicamentos para un consumo seguro [4, 5, 6, 7]. Las lámparas UV de mercurio tradicionales se ven perjudicadas por sus largos tiempos de calentamiento, su corta vida útil, el riesgo de explosión y la contaminación ambiental; Los LED UV-C son superiores en todos los aspectos antes mencionados [8,9,10]. El rango de longitud de onda de UV-C es de 100 a 280 nm, y la longitud de onda del LED de UV-C cae entre 260 y 280 nm. Debido a que la longitud de onda de emisión de los LED está más concentrada, su eficiencia de esterilización y confiabilidad a largo plazo también son mejores que las de las lámparas UV de mercurio [11, 12]. Sin embargo, se debe mejorar la baja eficiencia cuántica externa (EQE) y la eficiencia de extracción de luz (LEE) de los LED UV-C. El bajo EQE y LEE de los LED UV-C basados ​​en AlGaN son atribuibles a la fuga de electrones y la reflexión interna total (TIR), que hacen que los fotones sean absorbidos por el sustrato de zafiro y los materiales en la capa de contacto de p-GaN [13,14 , 15].

Los enfoques hacia la mejora de LEE han implicado el uso de un sustrato de zafiro con nano patrones como sustrato para la fabricación de LED UV-C. El crecimiento de sustratos de zafiro con patrones mixtos LED basados ​​en InGaN a microescala y nanoescala fue propuesto por Wen Cheng Ke et al . , que permitió que el LED incrustara nanoagujeros en el sustrato de zafiro con micropatrones para mejorar sus características fotoeléctricas [16]. PhillipManley y col. empleó un sustrato de zafiro con nanopatrones en LED de UV profundo (DUV), verificando los efectos de dicha estructura con nanopatrones en el LEE del zafiro [17].

Shao Hua Huang y otros . empleó el grabado en húmedo de una estructura flip-chip para modificar un sustrato de zafiro y darle textura biselada, mejorando el LEE de un LED de nitruro [18]. Dong Yeong Kim propuso un microespejo de GaN de tipo n con una barrera de pendiente recubierta de Al llamado LED DUV de emisión de pared lateral mejorada para mejorar el LEE de la polarización magnética transversal [19].

Algunos académicos han propuesto cambiar la trayectoria de la luz para mejorar LEE a través del diseño de una lente secundaria. Por ejemplo, Renli Liang et al . utilizó matrices de nanolentes para mejorar el LEE de los LED DUV mediante tecnología litográfica y de grabado en húmedo. Bin Xie y otros . propuso una lente de forma libre con una película de mejora del brillo para mejorar el rendimiento general de una retroiluminación LED con iluminación directa [20, 21]. Los LED UV-C y sus características relacionadas con la absorción de material orgánico influyen en la elección de los materiales de embalaje. Nagasawa e Hirano promovieron el uso de butil vinil éter de tipo p con una estructura terminal de trifluorometilo en sustratos de AlGaN como material encapsulado para mejorar el LEE [22]. Bajo la irradiación DUV a largo plazo, los materiales orgánicos están sujetos a una severa disociación y destrucción molecular. Para promover una extracción de luz más eficiente y confiable, se requiere un material con alta resistencia a la luz UV o materiales inorgánicos. La hermeticidad de un envase también es un factor clave para evaluar la capacidad del envase [23, 24]. Para tener en cuenta tanto la alta penetración como la fiabilidad a largo plazo, el vidrio de cuarzo se utiliza a menudo como material de embalaje para los LED UV. Cuando la cavidad es hueca, los reflejos altos de la interfaz reducen el LEE; la cavidad se puede rellenar con pegamento líquido u orgánico con un índice de refracción bajo para mejorar el LEE. En este sentido, Chieh-Yu Kang propuso que un nuevo tipo de estructura de envasado de líquidos LED DUV puede lograr mejoras LEE. Chien Chun Lu demostró el LEE más alto y confiable de los LED UV-C con un paquete hermético a base de cuarzo [25, 26].

Diferentes materiales de envasado como fluido de polidimetilsiloxano (PDMS) dopado con SiO ₂ Las nanopartículas pueden mejorar el LEE de los LED UV. Zhi Ting Ye propuso que el fluido PDMS dopado con nanopartículas mejoraba el rendimiento óptico de los LED DUV basados ​​en AlGaN [27]. Yang Peng empleó este material de encapsulación dopado con fluoropolímero sobre un sustrato de nitruro de aluminio para mejorar el LEE de una estructura de encapsulación de chip a bordo [28]. Joosun Yun y Hideki Hirayama propusieron diferentes estructuras de obleas en un estudio comparativo con seis estructuras de flip-chip diferentes, obteniendo una meta-superficie de AlGaN para un LEE mejorado [29].

También vale la pena mencionar que se ha demostrado que la gestión de fotones es una forma eficiente de extraer y recolectar luz y se ha utilizado ampliamente en una variedad de dispositivos optoelectrónicos, incluidos fotodetectores y células químicas fotoelectrónicas [30,31,32,33], células solares [34, 35] y Micro diodos emisores de luz en tecnología de visualización [36].

La investigación sobre el refinamiento de los LED UV-C aún tiene que examinar los efectos del grosor de la capa de guía de luz en LEE. Cuando se usa zafiro como material de la capa de guía de luz, la tasa de absorción es relativamente baja en la banda de longitud de onda azul general de 450 nm pero relativamente alta en la banda de longitud de onda del LED UV-C 260-280 nm, lo que demuestra la influencia del espesor en LEE. Por lo tanto, en este trabajo se propone un valor óptimo para el grosor de la capa de guía de luz para el LEE de los LED UV-C.

Métodos

Fenómeno TIR en la capa de guía de luz

TIR es un fenómeno óptico por el cual el índice de refracción cambia cuando la luz ingresa a diferentes medios. Cuando el ángulo de incidencia es menor que el ángulo crítico, la luz se divide en dos partes; una parte de la luz se refleja y la otra se refracta. Por el contrario, cuando el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo crítico, toda la luz se refleja internamente sin refracción. El índice de refracción del medio interno es n ₁ , y el índice de refracción del medio externo es n ₂ . El ángulo crítico θ _c se puede calcular usando la Ec. (1). Cuando n ₁ es 1,788, el ángulo crítico θ _c del TIR es 34.136 °, como se ilustra en la Fig. 1. El cono del triángulo rojo representa el área de reflexión no total que puede penetrar la capa de guía de luz y luego salir de ella, y el área cian restante es el área de TIR, donde la luz rebota y es absorbido por el material, reduciendo el LEE.

Reflexión total dentro de la capa de guía de luz. un Croquis esquemático plano y b boceto esquemático tridimensional

$$ {\ theta} _ {C} ={\ mathrm {sin}} ^ {- 1} \ frac {{n} _ {2}} {{n} _ {1}} $$ (1)

Cuando la longitud L y ancho W de la capa de guía de luz son fijos, el grosor de la capa de guía de luz H _LG afecta el área TIR. Como se muestra en la figura 2, la luz sale de la capa emisora ​​de luz a la capa de guía de luz y, por tanto, el fenómeno TIR no se produce en el área naranja. Si el ángulo de incidencia excede esta área, TIR ocurre en el área cian de la Fig. 2. El ancho de esta área se puede definir como T _W , como se expresa en la ecuación. (2).

Esquema del fenómeno LED TIR UV-C

$$ {T} _ {W} =\ mathrm {tan} ({\ mathrm {sin}} ^ {- 1} \ frac {{n} _ {2}} {{n} _ {1}}) \ veces {H} _ {LG} $$ (2)

Simulación y optimización del grosor de la capa de la guía de luz para mejorar el LEE de los LED UV-C

Utilizamos el software de dibujo Solidwork 3D y el software de simulación óptica Ansys SPEOS para construir el sistema óptico y simular y optimizar los efectos del grosor de la capa de guía de luz en LEE utilizando un diseño óptico de primer orden. Con Al ₂ O ₃ actuando como material de la capa de guía de luz, modificamos el espesor para reducir los problemas de absorción causados ​​por TIR.

La longitud de onda del chip LED UV-C era 275 nm, la longitud L 1,524 mm, y el ancho W era de 1,524 mm, como se muestra en la Fig. 3.

un Diagrama estructural del chip LED UV-C y b un diagrama de parámetros simplificado de la simulación de chip LED UV-C

La capa de guía de luz estaba compuesta de Al ₂ O ₃ , el índice de refracción N _LGL era 1,782 y el grosor de la capa de la guía de luz (H _LG ) intervalo fue de 150 a 700 μm. La capa emisora ​​de luz (LEL) tenía un espesor H _LE de 1,5 μm, la superficie superior de la capa era una superficie emisora ​​de luz, la superficie inferior era una capa parcialmente absorbente y parcialmente reflectante, y el espesor del electrodo LED UV-C H _pd era de 1,5 µm; el material se fijó para absorber y reflejar parcialmente. La figura 3a ilustra la estructura del chip LED UV-C y la figura 3b es un diagrama de simulación simplificado del chip. La configuración de los parámetros se enumera en la Tabla 1.

La Figura 4a presenta un esquema de la estructura tridimensional del LED UV-C, y la Figura 4b es un esquema del rastro de luz de la superficie emisora ​​de luz simulada.

Estructura del LED UV-C; un estructura tridimensional de la simulación LED UV-C, y b diagrama de simulación de trazas de luz

Este estudio analizó los efectos del grosor de la guía de luz de 150 a 700 μm en LEE; el flujo radiante de entrada simulado fue de 1 W, y el resultado de la simulación se presenta en la Fig. 5. Cuando el grosor de la guía de luz fue de 150 μm, el flujo radiante relativo fue de 0,41 W, y cuando se aumentó el grosor de la guía de luz, el LEE aumentó a su vez. Con un grosor de guía de luz de 600 μm, el flujo radiante fue de 0,62 W, ​​un aumento de 1,512 veces. De acuerdo con los resultados de la simulación, si el espesor aumenta aún más, el LEE está cerca de la saturación y no aumenta. Cuando el grosor de la capa de guía de luz era de 700 μm, la eficiencia era solo un 2,2% mayor que la de la capa a 600 μm, como se muestra en la Fig. 5.

Diagrama LEE de la guía de luz LED UV-C simulada con un grosor de 150–700 μm

La Tabla 2 muestra la salida de flujo radiante relativo y su aumento cuando la entrada de flujo radiante simulado fue de 1 W. La capa de guía de luz con un espesor de 600 μm logró el mejor LEE, aumento y estabilidad de procesamiento; sin embargo, a 700 μm, resultó en dificultades de procesamiento y corte y una consiguiente disminución en el rendimiento.

Proponemos la optimización del grosor de la capa de la guía de luz para mejorar el LEE en comparación con el método de sustrato de zafiro con patrón nano, las ventajas del método no necesitan pasar por el proceso de grabado y estampado.

Resultados y discusión

La Figura 6 ilustra los prototipos de LED UV-C con diferentes espesores de capa de guía de luz (H _LG ). La Figura 6a muestra un H _LG valor de 150 μm, el parámetro de espesor comúnmente utilizado en entornos industriales que sirvió como medida de referencia para este experimento. La Figura 6e muestra un H _LG de 600 μm, que es el espesor óptimo para LEE elevado. En el proceso de fabricación industrial, el aumento del grosor de la capa de guía de luz provocará dificultades en el corte y provocará problemas de división. Cuando el grosor de la capa de guía de luz es 600um, ha alcanzado el grosor límite de procesamiento en la industria.

Vista lateral de muestras de LED UV-C reales con espesores de capa de guía de luz ( H _LG ) de a 150, b 300, c 400, d 500, e 600 y f 700 micras

La Tabla 3 enumera el flujo radiante relativo de los diferentes espesores de capa de guía de luz (H _LG ). Con H _LG de 600 μm, el flujo radiante fue 1,52 veces mayor que con un espesor de 150 μm. La Figura 7 ilustra la simulación del prototipo de LED UV-C y la tendencia de crecimiento de LEE medido con diferentes espesores de capa de guía de luz (150–700 μm); en H _LG de 700 μm, la tasa de crecimiento ya no era obvia y se había acercado a la saturación. Los resultados de la simulación son similares a los de la prueba de muestra real.

El LEE simulado y medido comparado mejora los tiempos de los LED UV-C con un espesor de capa de guía de luz de 150 a 700 um

La Tabla 4 detalla los efectos del LED UV-C simulado en LEE bajo diferentes espesores de capa de guía de luz; Cuando el grosor de la guía de luz era de 150 μm, el flujo radiante relativo era de 13,53 mW, y cuando se aumentaba el grosor de la guía de luz, el LEE aumentaba a su vez. Con un grosor de guía de luz de 600 μm, el flujo radiante fue de 20,58 mW, un aumento de 1,521 veces. La comparación de la diferencia entre la simulación y la medición muestra que los resultados son similares a los de la prueba de muestra real.

Conclusiones

Este artículo propone un diseño óptico de primer orden utilizando Al ₂ O ₃ material como la capa de guía de luz para reducir la absorción causada por TIR y optimizar el LEE de los LED UV-C. Los efectos de las capas de guía de luz de diferentes espesores en el LEE de los LED UV-C se simularon y analizaron utilizando el software de simulación óptica SPEOS. En comparación con el espesor de capa estándar de 150 μm, un espesor optimizado de 600 μm resultó en un aumento de 1,52 veces en LEE. Este LED LEE UV-C mejorado es beneficioso para el uso de dichos LED en sistemas de esterilización y otras aplicaciones futuras.

Disponible de datos y materiales

Los conjuntos de datos que respaldan las conclusiones de este artículo están disponibles en el artículo.

Abreviaturas

DUV:

Ultravioleta profundo

H _pd :

Espesor del electrodo

LEE:

Eficiencia de extracción de luz

L:

Longitud

LGL:

Capa de guía de luz

LE:

Capa emisora ​​de luz

TIR:

Reflexión interna total

LED UV-C:

Diodos emisores de luz ultravioleta-C

W:

Ancho

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