纳米粒子掺杂的聚二甲基硅氧烷流体增强基于 AlGaN 的深紫外发光二极管的光学性能

背景

具有共晶倒装芯片、波长范围为 200-300 nm 的氮化铝基深紫外发光二极管 (DUV-LED) 已应用于固化工程、通信安全、杀菌工程、化学分解、水净化、空气净化、伪造检测和传感 [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。 DUV-LED 被认为在不久的将来可以替代传统的紫外线光源，因为它们不含汞且高度可靠 [11,12,13,14]。然而，倒装芯片 DUV-LED 的输出功率仍然很低，这主要是因为蓝宝石-空气界面处的量子阱缺陷、光吸收和全内反射 (TIR) [15,16,17]。通过使用硅封装层降​​低 TIR 损耗，可见光 LED 的光提取效率 (LEE) 得到了提高 [18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30 ]。在本文中，我们提出了一种使用高折射率 (n =1.43) 和在 275 nm 波长下的透射率。 PDMS 流体具有优异的特性，例如无毒、抗氧化、耐化学品和耐热 [31, 32]。所提出的封装方法提高了 DUV-LED 的光输出效率，并减少了 LED 对人和环境的不利影响。将SiO2 NPs混合到PDMS流体中也可以提高光效。

方法和材料

图 1 显示了所提出的 DUV-LED 封装工艺的示意图，包括以下步骤： (a) 以氧化铝为电极材料制备陶瓷基板； (b) 将 DUV-LED 芯片（峰值波长 275 nm）通过热压键合方式键合到陶瓷基板上； (c)铝反射器侧壁腔与DUV-LED陶瓷基板贴合，芯片置于开口中央； (d) PDMS 流体被分配到铝反射器侧壁腔中； (e)在铝反射器侧壁腔的外环上放置涂层粘合剂和直径为3 mm、高度为1.3 mm的半球形透紫外玻璃； (f) 沿着划线切割出单独的 DUV-LED； (g) 获得具有 SiO2-NP 掺杂的 PDMS 流体封装结构的完整 DUV-LED。图 2a 显示了传统的 DUV-LED，图 2b 显示了用本研究中提出的 PDMS 流体封装的 DUV-LED。中间层包含掺杂有 SiO2 NPs 的 PDMS。传统方法在 DUV-LED 倒装芯片的左右两侧使用垂直的陶瓷侧壁，顶部为平面紫外线透射玻璃，空气作为 DUV-LED 倒装芯片和玻璃之间的介质。拟议设计的中间层是 PDMS 流体中 SiO2 NPs 的封装结构，上面有一个半球形的紫外线透射玻璃结构。图 2c 绘制了使用分光光度计测量系统（日立，东京，日本）获得的不同波长下 PDMS 流体的透射率。该图表明，PDMS 流体透射率在 275 nm 处为 85%。图 2d 显示了 DUV-LED 的照片，表面积为 0.78 × 0.75 mm ² (Dowa Co. Ltd., Tokyo, Japan) 及其发射光谱是在 200 mA 正向电流下捕获的。该芯片的主波长为 275 nm，半高全宽为 12 nm。所有数据均使用光学系统 SLM-20 积分球（五十铃光学，新竹，台湾）获得。表 1 列出了所提出的封装 DUV-LED 的所有组件的规格（表面和材料特性）。

DUV-LED封装结构制作：a 陶瓷基板，b DUV-LED 芯片（峰值波长，275 nm）通过压焊接合到陶瓷基板上，c 铝板粘合到 DUV-LED 陶瓷基板上，d 掺杂的粘合剂分配到腔体中，e 放置在结构上的石英镜头盖，f 切割完成的 DUV-LED 和 g 具有SiO2-NP掺杂PDMS流体封装结构的完整DUV-LED

DUV-LED封装结构：a 传统倒装芯片 DUV-LED 示意图，b 封装结构和 SiO2 纳米粒子 (NP) 掺杂的聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 流体 DUV-LED 封装结构，c PDMS 流体在 200-600 nm 范围内的透射率，d DUV-LED 的照片和在 200 mA 正向电流下捕获的 DUV-LED 的发射光谱照片，以及 e SiO2 NPs ²⁶ 的高分辨率透射电子显微镜图像

SiO2 NPs（AEROSIL 疏水气相二氧化硅，德国法兰克福）的透射电子显微镜图像如图 2e 所示。 NPs 的制备方法是首先在 150 °C 的烘箱中去除水分，然后将 NPs 放入 N2 罐中 48 小时以干燥其表面。纳米颗粒的平均尺寸设置为14 nm，以防止它们因水分而粘在一起。

结果与讨论

采用了四种类型的 DUV-LED 封装，如图 3 所示。图 3a 显示了带有 DUV-LED 芯片和铝反射器侧壁的 DUV-LED (I)，角度为 60°。图 3b 显示了 DUV-LED (II)，其中铝反射器侧壁腔充满了 PDMS 流体。图 3c 显示了 DUV-LED (III)，其中铝反射器侧壁腔填充的 PDMS 流体比 DUV-LED (II) 中的略少，并且带有半球形的紫外线透射玻璃盖。图 3d 显示了 DUV-LED (IV)，其中铝反射器侧壁腔完全充满了 PDMS 流体，并使用了半球形紫外线透射玻璃盖。对四种类型的 DUV-LED 封装进行了积分球测量（图 3e）。 DUV-LED(I)芯片的驱动电流为200 mA时，光输出功率为42.07 mW。相比之下，DUV-LED(II)芯片的驱动电流为200 mA时，光输出功率为36.11 mW，比DUV-LED(I)低14.16%。这种情况的发生主要是因为当 PDMS 流体填充铝反射器侧壁腔时会发生 TIR。耦合到 PDMS 流体中的紫外光与耦合到空气中的紫外光的提取效率比由下式给出[12]：

四种封装结构示意图及对比：a DUV-LED (I), b DUV-LED (II), c DUV-LED (III), d DUV-LED (IV), e 不同封装条件下的光输出功率，以及f PDMS流体中不同SiO2 NP浓度(%)的光输出功率

其中 θ c、PDMS流体和θ c,air 分别是 PDMS 流体 DUV-LED 和空气 UV-LED 界面处 TIR 的临界角。 DUV-LED(III)芯片驱动电流为200 mA时，光输出功率为48.126 mW，比DUV-LED(I)提高14.39%。这种情况的发生主要是因为凹透镜降低了 TIR 但增加了 LEE。然而，DUV-LED (III) 有一个气隙，这阻碍了它在所有制造的器件中具有最高的光输出功率。 DUV-LED（IV）芯片驱动电流为200 mA时，输出功率为70.045 mW，比DUV-LED（I）高66.49%。 DUV-LED (IV) 封装结构产生了最高的光输出功率，因为​​封装中不存在气隙，从而使来自 DUV-LED 的 DUV 光能够完全透射。当 PDMS 流体掺杂有 SiO2 NP 时，还确定了 DUV-LED (II)、DUV-LED (III) 和 DUV (IV) 封装的光输出功率（图 3f）。 DUV-LED (I) 结构不包含在比较中，因为它不包含 PDMS 流体。 NP 的重量百分比浓度 (%) 设置为 0、0.1、0.2 和 0.3 wt%。 DUV-LED（IV）芯片驱动电流为200 mA时，光输出功率分别为70.04、74.32、80.58、77.44 mW。因此，0.2 wt% 的 SiO2 NP 掺杂浓度导致最高的 LEE。用 SiO2 NPs 掺杂 PDMS 流体会增加散射光的量，但会降低 TIR 的量。掺杂 0.2 wt% SiO2 NP 导致的 LEE 比掺杂 0 wt% SiO2 NP 高 15%。与 DUV-LED (I) 相比，在 200 mA 的驱动电流下，LEE 提高了 81.45%。 DUV-LED 封装是使用图 3 中概述的制造方法进行的。表 2 显示了 DUV-LED (IV) 在 200 mA 驱动电流下的操作图像，PDMS 流体掺杂 0.2 wt% SiO2 NPs。图 4 提供了 DUV-LED (I) 和含有 SiO2 NP 掺杂 PDMS 流体的 DUV-LED (IV) 在不同驱动电流下的平均界面温度的比较。当驱动电流为200 mA时，DUV-LED（IV）器件的界面温度比DUV-LED（I）器件的界面温度低4 °C，表明封装结构有效减弱了热温度。表 2 显示了 DUV-LED (I) 和 DUV-LED (IV) 的温度图，该图使用红外热像仪（ChingHsing Co. Ltd.，台北，台湾）获得。在 140 mA 的驱动电流下，DUV-LED (IV) 的工作温度低于 DUV-LED (I)。对于没有 PDMS 流体的 DUV-LED (I)，芯片表面的温度最高。图4和表2的结果表明，掺杂SiO2 NPs的PDMS流体封装结构具有优异的散热能力。

<图片>

DUV-LED (I) 和 DUV-LED (IV) 的平均表面温度依赖性

结论

本文提出了一种新的封装方法，通过用 SiO2 NPs 掺杂 PDMS 流体来改善 DUV-LED 的 LEE。通过使用 SiO2 NP 掺杂的 PDMS 流体封装结构实现了相当高的光输出功率。特别是，当掺杂 0.2 wt% SiO2 NPs 的 PDMS 流体放置在腔中而不是空气中时，光输出功率高出 81.45%。这种增强归因于 TIR 降低和 PDMS 流体中额外的光散射，因为添加了 SiO2 NP。在 200 mA 的驱动电流下，平均界面温度低 4 °C。所提出的架构紧凑且适用于未来制造高LEE AlGaN基DUV-LED。

数据和材料的可用性

不适用

缩写

DUV-LED：

深紫外发光二极管

NP：

纳米粒子

PDMS：

聚二甲基硅氧烷