优化蓝宝石导光层厚度提升UV-LED光提取效率

摘要

考虑材料可加工性和晶格失配，蓝宝石常作为紫外-C发光二极管（UV-C LED）基底，但其高折射率会导致光全反射（TIR）使部分光被吸收，从而降低光提取效率（LEE）。本研究提出通过一阶光学设计优化蓝宝石基底导光层厚度的方法，利用光学仿真软件Ansys SPEOS仿真评估光提取效率。使用导光层厚度150-700 μm的AlGaN UV-C LED晶圆。仿真在275 nm中心波长下进行，确定导光层最佳厚度设计。最终实验结果表明：初始导光层厚度150 μm参考输出功率13.53 mW，增至600 μm时输出功率达20.58 mW。通过导光层厚度优化，LEE可提升1.52倍。本文提出通过一阶光学设计优化蓝宝石基底导光层厚度的方法。使用导光层厚度150-700 μm的AlGaN UV-C LED晶圆。最终实验结果表明通过导光层厚度优化LEE可提升1.52倍。

引言

COVID-19大流行导致全球死亡率上升。虽然传统紫外（UV）-C汞灯可消毒，但其汞含量、分散光谱波长、体积大、寿命短限制了适用性。UV-C LED环保、无汞、无污染。灭菌波长集中在260-280 nm。因光源小、寿命长，逐渐取代UV-C汞灯成为主要灭菌光源。UV光破坏细菌DNA或RNA结构，广泛用于表面、空气、水消毒。260-280 nm UV-C波段杀菌效果最强，防止微生物细胞再生实现消毒灭菌[1-3]。研究记录UV-C LED在医疗光疗、水/食品/药品消毒灭菌安全消费中广泛应用[4-7]。传统汞UV灯预热时间长、寿命短、爆炸风险、环境污染劣势；UV-C LED在上述方面均优越[8-10]。UV-C波长范围100-280 nm，UV-C LED波长在260-280 nm间。因LED发射波长更集中，灭菌效率和长期可靠性也优于汞UV灯[11,12]。然而UV-C LED较差的外量子效率（EQE）和光提取效率（LEE）必须改进。基于AlGaN的UV-C LED低EQE和LEE归因于电子泄漏和全反射（TIR），导致光子被蓝宝石基底和p-GaN接触层材料吸收[13-15]。

提升LEE方法包括使用纳米图案化蓝宝石基底制造UV-C LED。Wen Cheng Ke等提出微纳米混合图案化蓝宝石基底生长InGaN基LED，允许LED在微图案化蓝宝石基底嵌入纳米孔改善光电特性[16]。Phillip Manley等在深紫外（DUV）LED采用纳米图案化蓝宝石基底，验证此纳米图案结构对蓝宝石LEE影响[17]。

Shao Hua Huang等采用倒装芯片结构湿法刻蚀修饰蓝宝石基底赋予斜面纹理，改善氮化物LED LEE[18]。Dong Yeong Kim提出n型GaN微镜配Al涂层斜面势垒称为侧壁发射增强DUV LED改善横磁偏振LEE[19]。

一些学者提出通过二次透镜设计改变光路提升LEE。例如Renli Liang等用纳米透镜阵列通过光刻和湿法刻蚀技术增强DUV LED LEE[20]。Bin Xie等提出自由曲面透镜配亮度增强膜增强直射LED背光整体性能[21]。UV-C LED及其有机材料吸收相关特性影响封装材料选择。Nagasawa和Hirano推广在AlGaN基底用三氟甲基末端结构对叔丁基乙烯醚作为封装材料提升LEE[22]。长期DUV照射下有机材料遭受严重分子解离破坏。为促进更高效可靠光提取，需要高抗UV材料或无机材料。封装气密性也是评估封装能力关键因素[23,24]。兼顾高穿透和长期可靠性，石英玻璃常作UV LED封装材料。腔体为空时高界面反射降低LEE；可填充低折射率液体或有机胶水提升LEE。对此Chieh-Yu Kang提出新型DUV LED液体封装结构实现LEE改善[25]。Chien Chun Lu证明基于石英气密封装UV-C LED具有更高更可靠LEE[26]。

掺杂SiO₂纳米颗粒的聚二甲基硅氧烷（PDMS）流体等不同封装材料可改善UV LED LEE。Zhi Ting Ye提出纳米颗粒掺杂PDMS流体增强基于AlGaN DUV LED光学性能[27]。Yang Peng在氮化铝基底用掺杂氟聚合物封装材料增强芯片级封装结构LEE[28]。Joosun Yun和Hideki Hirayama用六种不同倒装芯片结构比较研究提出AlGaN超表面改善LEE[29]。

还值得一提的是，光子管理已被证明是提取和收集光的有效途径，广泛用于各类光电器件，包括光电探测器和光电化学电池[30-33]、太阳能电池[34,35]、显示技术微LED[36]。

UV-C LED改进研究尚未考察导光层厚度对LEE影响。蓝宝石作导光层材料时，一般蓝光波段450 nm吸收率较低，但在UV-C LED 260-280 nm波段吸收率较高，显示厚度对LEE影响。因此本文提出UV-C LED导光层厚度最优值以提升LEE。

方法

导光层中TIR现象

TIR是光进入不同介质时折射率变化的光学现象。入射角小于临界角时，光分两部分：一部分反射、一部分折射。反之入射角大于临界角时，全反射无折射。内部介质折射率n₁，外部介质折射率n₂。临界角θ_c按公式(1)计算。当n₁=1.788时，TIR临界角θ_c=34.136°，如图1所示。红色三角锥代表可穿透导光层并射出的非全反射区域，其余青色区域为TIR区，光在其中反射并被材料吸收，降低LEE。

当导光层长度L和宽度W固定时，导光层厚度H_LG影响TIR区域。如图2所示，光从发光层进入导光层，因此橙色区域不发生TIR。若入射角超出此区域，则在图2青色区域发生TIR。该区域宽度定义为T_W，公式(2)表达。

T_W = tan(sin⁻¹(n₂/n₁)) × H_LG

导光层厚度仿真优化提升UV-C LED LEE

使用Solidworks 3D绘图软件和Ansys SPEOS光学仿真软件构建光学系统，利用一阶光学设计仿真优化导光层厚度对LEE影响。以Al₂O₃作导光层材料，通过调整厚度减少TIR引起吸收问题。

UV-C LED芯片波长275 nm，长度L=1.524 mm，宽度W=1.524 mm，如图3所示。

导光层由Al₂O₃组成，折射率N_LGL=1.782，导光层厚度（H_LG）区间150-700 μm。发光层（LEL）厚度H_LE=1.5 μm，上表面为发光面，下表面为部分吸收部分反射层，UV-C LED电极厚度H_pd=1.5 μm，材料设为部分吸收部分反射。图3a展示UV-C LED芯片结构，图3b为芯片简化仿真图。参数设置见表1。

图4a展示UV-C LED三维结构示意图，图4b为仿真发光面光迹示意图。

本研究分析150-700 μm导光层厚度对LEE影响；仿真输入辐射通量1 W，结果见图5。导光层厚度150 μm时相对辐射通量0.41 W，厚度增加LEE随之提升。600 μm厚度时辐射通量0.62 W，增幅1.512倍。仿真结果显示厚度进一步增加LEE趋于饱和不再增加。700 μm厚度时效率仅比600 μm高2.2%，如图5所示。

表2显示仿真输入辐射通量1 W时不同厚度相对辐射通量输出及放大倍数。600 μm厚度导光层实现最佳LEE、放大倍数和加工稳定性；700 μm导致加工切割困难并降低良率。

我们提出导光层厚度优化提升LEE，相比纳米图案化蓝宝石基底法，优势在于无需经历刻蚀和压花工艺。

结果与讨论

图6展示不同导光层厚度（H_LG）UV-C LED原型。图6a H_LG=150 μm为工业常用厚度参数，作本实验参考测量。图6e H_LG=600 μm为提升LEE最优厚度。工业制造中增加导光层厚度会导致切割困难和分层问题。600 μm厚度已达工业加工极限厚度。

表3列出不同导光层厚度（H_LGLG=600 μm时辐射通量比150 μm高1.52倍。图7展示UV-C LED原型仿真与实测LEE随导光层厚度（150-700 μm）增长趋势；H_LG=700 μm时增长率不再明显已趋近饱和。仿真结果与实测样品测试相似。

表4详述不同导光层厚度下仿真UV-C LED对LEE影响：导光层厚度150 μm时相对辐射通量13.53 mW，厚度增加LEE随之提升。600 μm厚度时辐射通量20.58 mW，增幅1.521倍。仿真与实测差异对比显示结果与实际样品测试相似。

结论

本文提出利用Al₂O₃材料作为导光层，通过一阶光学设计减少TIR引起吸收，优化UV-C LED LEE。用SPEOS光学仿真软件仿真分析不同厚度导光层对UV-C LED LEE影响。与标准150 μm层厚相比，优化厚度600 μm使LEE提升1.52倍。这种改进UV-C LED LEE有利于此类LED在灭菌系统及其他未来应用中使用。