二氧化硅纳米颗粒增强PDMS封装显著提升AlGaN深紫外LED光输出与热性能
摘要
本研究提出一种创新的AlGaN基深紫外LED(DUV-LED)封装方案：采用掺杂SiO₂纳米颗粒(NPs)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)流体，并用透紫外石英半球封顶。与传统设计相比，封装LED光输出显著提升：200 mA下光提取效率(LEE)提高66.49%，PDMS含0.2 wt% SiO₂ NPs时效率最大。与未掺杂流体相比，0.2 wt%掺杂配置输出功率提升15%，整体性能超越传统封装81.49%。此外，该结构在200 mA下将界面温度降低4°C，增强热管理。
背景
AlGaN基DUV-LED(200-300 nm)在灭菌、水处理、安防、传感等领域日益应用，提供无汞、高可靠性的替代传统UV灯方案。其输出功率受限于量子阱缺陷、吸收损耗和蓝宝石-空气界面全反射(TIR)。硅封装虽提升可见光LED的LEE，但DUV器件仍面临挑战。我们提出用PDMS流体封装——无毒、化学稳定、折射率1.43、275 nm处透过率>85%——并掺入SiO₂ NPs散射光线、提高平均折射率以进一步增强性能。
方法与材料
图1展示制备序列：(a)氧化铝电极陶瓷基底；(b)275 nm峰值DUV-LED芯片热压键合；(c)芯片周围定位铝反射腔；(d)注入PDMS流体(可选掺杂SiO₂ NPs)；(e)外环放置3 mm×1.3 mm半球石英透镜；(f)沿划线切割；(g)最终NP掺杂PDMS封装DUV-LED。图2a为传统DUV-LED，图2b为本设计含SiO₂-NP掺杂PDMS层和石英盖。PDMS透射曲线(图2c)确认275 nm处85%透过率。积分球(SLM-20, Isuzu Optics)测得发射光谱确认主峰275 nm，半高全宽12 nm。表1列出所有组件规格。
图示：制备步骤：(a)陶瓷基底，(b)DUV-LED芯片键合基底，(c)铝板键合芯片，(d)掺杂粘结剂注入腔内，(e)石英透镜盖，(f)切割成品LED，(g)SiO₂-NP掺杂PDMS封装最终器件
图示：封装细节：(a)常规倒装芯片，(b)本NP掺杂PDMS设计，(c)PDMS透射率(200-600 nm)，(d)200 mA下照片和发射光谱，(e)14 nm SiO₂ NPs TEM图像
图示：SiO₂ NP制备：150°C脱水，48 h N₂干燥，平均尺寸14 nm避免团聚
结果与讨论
评估四种封装变体(图3)。DUV-LED(I)用60°铝反射腔含气腔；(II)气腔替换为PDMS流体；(III)腔内注入略少PDMS并加石英半球；(IV)腔内完全填充PDMS并含石英盖。积分球测量显示200 mA下：(I) 42.07 mW，(II) 36.11 mW(-14.16%，因PDMS中TIR)，(III) 48.13 mW(+14.39%)，(IV) 70.05 mW(+66.49%)。完全填充PDMS腔消除气隙、最大化光透射，输出最高。图3f探究SiO₂ NP掺杂量(0、0.1、0.2、0.3 wt%)。200 mA下0.2 wt%掺杂器件达80.58 mW，比未掺杂流体提升15% LEE，比基线(I)提升81.45%。NP光散射减少TIR、提升提取效率。热成像(图4、表2)证实掺杂PDMS结构在200 mA下将界面温度降低4°C，展示优越散热能力。
图示：封装对比：(a)DUV-LED(I)，(b)DUV-LED(II)，(c)DUV-LED(III)，(d)DUV-LED(IV)，(e)各配置输出功率，(f)输出功率随SiO₂ NP浓度变化
图示：DUV-LED(I)和(IV)不同电流下平均表面温度对比
结论
我们证明以0.2 wt% SiO₂ NPs掺杂PDMS封装剂显著提升LEE，实现光输出增强81.45%和200 mA下界面温度降低4°C。NP提供的TIR减少和额外散射支撑了这些增益。这种紧凑、热效率高的架构为高性能AlGaN DUV-LED提供了实用路径。
数据与材料可用性
不适用
缩略语
- DUV-LEDs:
- 深紫外发光二极管
- NPs:
- 纳米颗粒
- PDMS:
- 聚二甲基硅氧烷
纳米材料