Optimización del Espesor de Capa Guía de Luz de Zafiro para Mejorar Eficiencia de Extracción de Luz en UV-LED

Resumen

Considerando la mecanizabilidad del material y el desajuste de red, el zafiro como sustrato para diodos emisores de luz ultravioleta-C (UV-C LED) se usa comúnmente, pero su alto índice de refracción puede resultar en reflexión interna total (TIR) de luz, donde parte de la luz es absorbida, reduciendo por tanto la eficiencia de extracción de luz (LEE). En este estudio, proponemos un método para optimizar el espesor de una capa guía de luz de sustrato de zafiro a través de diseño óptico de primer orden que usó el software de simulación óptica Ansys SPEOS para simular y evaluar la eficiencia de extracción de luz. Se usaron obleas AlGaN UV-C LED con espesor de capa guía de luz de 150–700 μm. La simulación procedió bajo una longitud de onda central de 275 nm para determinar el diseño óptimo de espesor de la capa guía de luz. Finalmente, los resultados experimentales demostraron que el espesor inicial de capa guía de luz de 150 μm dio una potencia de salida de referencia de 13.53 mW, y un espesor aumentado de 600 μm resultó en potencia de salida de 20.58 mW. La LEE puede aumentar 1.52 veces a través de optimización del espesor de capa guía de luz. Proponemos un método para optimizar el espesor de una capa guía de luz de sustrato de zafiro a través de diseño óptico de primer orden. Se usaron obleas AlGaN UV-C LED con espesor de capa guía de luz de 150–700 μm. Finalmente, los resultados experimentales demostraron que la LEE puede aumentar 1.52 veces a través de optimización del espesor de capa guía de luz.

Introducción

La pandemia de COVID-19 ha llevado a un aumento en la tasa de mortalidad global. Aunque las lámparas de mercurio ultravioleta (UV)-C tradicionales pueden esterilizar, su contenido de mercurio, longitud de onda espectral dispersa, volumen y vida útil corta limitan su aplicabilidad. Los diodos emisores de luz ultravioleta-C (UV-C LED) son amigables con el ambiente, libres de mercurio y no contaminantes. 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 larga, ha reemplazado gradualmente a las lámparas de mercurio UV-C como fuente de luz de esterilización primaria. La luz UV destruye estructuras de DNA o RNA bacterianos y se ha usado ampliamente para descontaminar superficies, aire y agua. La banda UV-C entre 260 y 280 nm tiene el mayor efecto bactericida, previniendo la regeneración de células microbianas para lograr desinfección y esterilización [1,2,3]. Estudios han documentado el amplio uso de UV-C LED en fototerapia médica y en desinfección y esterilización de agua, alimentos y medicinas para consumo seguro [4,5,6,7]. Las lámparas UV de mercurio tradicionales son desventajosas por sus largos tiempos de calentamiento, vida útil corta, riesgo de explosión y contaminación ambiental; los UV-C LED son superiores en todos los aspectos mencionados [8,9,10]. El rango de longitud de onda UV-C es 100–280 nm, y la longitud de onda UV-C LED cae entre 260 y 280 nm. Debido a que la longitud de onda de emisión de LED es más concentrada, su eficiencia de esterilización y fiabilidad a largo plazo también son mejores que las de lámparas UV de mercurio [11, 12]. Sin embargo, la pobre eficiencia cuántica externa (EQE) y eficiencia de extracción de luz (LEE) de UV-C LED deben mejorarse. La baja EQE y LEE de UV-C LED basados en AlGaN son atribuibles a fuga de electrones y reflexión interna total (TIR), que causan que los fotones sean absorbidos por el sustrato de zafiro y los materiales en la capa de contacto p-GaN [13,14,15].

Los enfoques hacia mejora de LEE han involucrado usar sustrato de zafiro nanopatroneado como sustrato para fabricar UV-C LED. El crecimiento de sustratos de zafiro con patrón mixto a microescala y nanoescala para LED basados en InGaN fue propuesto por Wen Cheng Ke et al., quienes permitieron al LED incrustar nanoagujeros en el sustrato de zafiro micropatroneado para mejorar sus características fotoeléctricas [16]. Phillip Manley et al. emplearon sustrato de zafiro nanopatroneado en LED UV profundo (DUV), verificando los efectos de tal estructura nanopatroneada en la LEE de zafiro [17].

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

Algunos académicos han propuesto cambiar la ruta de luz para mejorar LEE a través del diseño de una lente secundaria. Por ejemplo, Renli Liang et al. usaron arrays de nanolentes para mejorar la LEE de LED DUV a través de tecnología litográfica y grabado en húmedo. Bin Xie et al. propusieron una lente de forma libre con película de realce de brillo para mejorar el rendimiento general de un retroiluminado LED de iluminación directa [20, 21]. Los UV-C LED y sus características relacionadas con absorción de material orgánico influyen en la elección de materiales de empaque. Nagasawa y Hirano promovieron el uso de éter vinílico butilo tipo p con estructura terminal trifluorometilo en sustratos AlGaN como material encapsulado para mejorar LEE [22]. Bajo irradiación DUV a largo plazo, los materiales orgánicos son sometidos a severa disociación y destrucción molecular. Para promover extracción de luz más eficiente y confiable, se requiere un material con alta resistencia a luz UV o materiales inorgánicos. La hermeticidad de un paquete también es un factor clave para evaluar la capacidad de empaque [23, 24]. Para tener en cuenta tanto alta penetración como fiabilidad a largo plazo, el vidrio de cuarzo se usa a menudo como material de empaque para LED UV. Cuando la cavidad es hueca, las reflexiones de interfaz altas reducen LEE; la cavidad puede llenarse con líquido o pegamento orgánico con bajo índice de refracción para mejora de LEE. En este sentido, Chieh-Yu Kang propuso un nuevo tipo de estructura de empaque líquido DUV LED que puede lograr mejoras de LEE. Chien Chun Lu demostró la LEE más alta y confiable de UV-C LED con paquete hermético basado en cuarzo [25, 26].

Diferentes materiales de empaque como fluido de polidimetilsiloxano (PDMS) dopado con nanopartículas SiO₂ pueden mejorar la LEE de LED UV. Zhi Ting Ye propuso que el fluido PDMS dopado con nanopartículas mejoró el rendimiento óptico de LED DUV basados en AlGaN [27]. Yang Peng empleó este material de encapsulación dopado con fluoropolímero en sustrato de nitruro de aluminio para mejorar la LEE de una estructura de encapsulación chip-on-board [28]. Joosun Yun y Hideki Hirayama propusieron diferentes estructuras de oblea en un estudio comparativo con seis estructuras flip-chip diferentes, obteniendo una meta-superficie AlGaN para LEE mejorada [29].

También vale la pena mencionar que la gestión de fotones se ha demostrado como una forma eficiente de extraer y cosechar luz y se ha usado ampliamente en una variedad de dispositivos optoelectrónicos, incluyendo fotodetectores y celdas fotoelectroquímicas [30,31,32,33], celdas solares [34, 35], y micro-diodos emisores de luz en tecnología de visualización [36].

La investigación sobre refinamiento de UV-C LED aún no ha examinado los efectos del espesor de capa guía de luz en LEE. Cuando el zafiro se usa como material de capa guía de luz, la tasa de absorción es relativamente baja en la banda azul general de 450 nm pero relativamente alta en la banda de longitud de onda UV-C LED 260–280 nm, demostrando la influencia del espesor en LEE. Por tanto, en este artículo, se propone un valor óptimo para el espesor de la capa guía de luz para la LEE de UV-C LED.

Métodos

Fenómeno TIR en la Capa Guía de Luz

TIR es un fenómeno óptico donde el índice de refracción cambia cuando la luz entra en 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 n₁, y el índice de refracción del medio externo es n₂. El ángulo crítico θ_c se puede calcular usando la Ec. (1). Cuando n₁ es 1.788, el ángulo crítico θ_c de TIR es 34.136°, como se ilustra en la Fig. 1. El cono triangular rojo representa el área de no reflexión total que puede penetrar la capa guía de luz y luego salir de ella, y el área cian restante es el área TIR, donde la luz rebota y es absorbida por el material, reduciendo la LEE.

Reflexión total dentro de la capa guía de luz. a Esquema diagrammático plano y b esquema diagrammático tridimensional

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

Cuando la longitud L y ancho W de la capa guía de luz son fijos, el espesor de la capa guía de luz H_LG afecta el área TIR. Como se representa en la Fig. 2, la luz sale de la capa emisora de luz hacia la capa guía de luz y así, el fenómeno TIR no ocurre 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 Ec. (2).

Esquema del fenómeno TIR en UV-C LED

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

Simulación y Optimización del Espesor de Capa Guía de Luz para Mejorar LEE de UV-C LED

Usamos software de dibujo 3D Solidwork y software de simulación óptica Ansys SPEOS para construir el sistema óptico y simular y optimizar los efectos del espesor de capa guía de luz en LEE usando diseño óptico de primer orden. Con Al₂O₃ actuando como material de capa guía de luz, modificamos el espesor para reducir problemas de absorción causados por TIR.

La longitud de onda del chip UV-C LED fue 275 nm, la longitud L 1.524 mm, y el ancho W fue 1.524 mm, como se presenta en la Fig. 3.

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

La capa guía de luz estaba compuesta de Al₂O₃, el índice de refracción N_LGL fue 1.782, y el intervalo de espesor de capa guía de luz (H_LG) fue 150–700 μm. La capa emisora de luz (LEL) tuvo un espesor H_LE de 1.5 μm, la superficie superior de la capa fue una superficie emisora de luz, la superficie inferior fue una capa parcialmente absorbente y parcialmente reflectante, y el espesor del electrodo UV-C LED H_pd fue 1.5 μm; el material se estableció para absorber y reflejar parcialmente. La Figura 3a ilustra la estructura del chip UV-C LED, y la Fig. 3b es un diagrama de simulación simplificado del chip. Los parámetros de configuración se listan en la Tabla 1.

Estructura del UV-C LED; a estructura tridimensional de simulación UV-C LED, y b diagrama de simulación de rastro de luz

Este estudio analizó los efectos del espesor de guía de luz de 150–700 μm en LEE; el flujo radiante de entrada simulado fue 1 W, y el resultado de simulación se presenta en la Fig. 5. Cuando el espesor de la guía de luz fue 150 μm, el flujo radiante relativo fue 0.41 W, y cuando el espesor de la guía de luz aumentó, la LEE aumentó a su vez. A un espesor de guía de luz de 600 μm, el flujo radiante fue 0.62 W, un aumento de 1.512 veces. Según los resultados de simulación, si el espesor aumentaさらに, la LEE se acerca a saturación y no aumenta. Cuando el espesor de la capa guía de luz fue 700 μm, la eficiencia fue solo 2.2% mayor que la de la capa a 600 μm, como se presenta en la Fig. 5.

Diagrama LEE del UV-C LED simulado con guía de luz de espesor 150–700 μm

La Tabla 2 muestra el flujo radiante relativo de salida y su magnificación cuando el flujo radiante de entrada simulado fue 1 W. La capa guía de luz con espesor de 600 μm logró la mejor LEE, magnificación 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 espesor de capa guía de luz para mejora de LEE comparada con el método de sustrato de zafiro nano-patroneado, las ventajas del método no necesitan pasar por procesos de grabado y estampado.

Resultados y Discusión

La Figura 6 ilustra los prototipos UV-C LED con diferentes espesores de capa guía de luz (H_LG). La Figura 6a muestra un valor H_LG de 150 μm, el parámetro de espesor comúnmente usado en entornos industriales que sirvió como medición de referencia para este experimento. La Figura 6e muestra un H_LG de 600 μm, que es el espesor óptimo para LEE incrementada. En el proceso de fabricación industrial, aumentar el espesor de la capa guía de luz causará dificultad en corte y llevará a problemas de fractura. Cuando el espesor de la capa guía de luz es 600 μm, ha alcanzado el espesor límite de procesamiento en la industria.

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

La Tabla 3 lista el flujo radiante relativo de los diferentes espesores de capa 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 tendencia de crecimiento de LEE simulada y medida de prototipo UV-C LED con diferentes espesores de capa guía de luz (150–700 μm); a H_LG de 700 μm, la tasa de crecimiento ya no era obvia y se había acercado a saturación. Los resultados de simulación son similares a los de la prueba de muestra real.

LEE simulada y medida comparada de UV-C LEDs con espesor de capa guía de luz de 150–700 μm

La Tabla 4 detalla los efectos del UV-C LED simulado en LEE bajo diferentes espesores de capa guía de luz; Cuando el espesor de la guía de luz fue 150 μm, el flujo radiante relativo fue 13.53 mW, y cuando el espesor de la guía de luz aumentó, la LEE aumentó a su vez. A un espesor de guía de luz de 600 μm, el flujo radiante fue 20.58 mW, un aumento de 1.521 veces. Comparando la diferencia entre simulación y 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 usando material Al₂O₃ como capa guía de luz para reducir la absorción causada por TIR y optimizar la LEE de UV-C LED. Los efectos de capas guía de luz de diferentes espesores en la LEE de UV-C LED se simularon y analizaron usando software de simulación óptica SPEOS. Comparado 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. Esta LEE mejorada de UV-C LED es beneficiosa para el uso de tales LEDs en sistemas de esterilización y otras aplicaciones futuras.

Disponibilidad de Datos y Materiales

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

Abreviaturas

DUV:

Ultravioleta profundo

H_pd:

Espesor de electrodo

LEE:

Eficiencia de extracción de luz

L:

Longitud

LGL:

Capa guía de luz

LE:

Capa emisora de luz

TIR:

Reflexión interna total

UV-C LED:

Diodos emisores de luz ultravioleta-C

W:

Ancho