ナノ粒子をドープしたポリジメチルシロキサン流体は、AlGaNベースの深紫外線発光ダイオードの光学性能を向上させます

要約

この論文では、窒化アルミニウムベースの深紫外線発光ダイオード（DUV-LED）と、SiO ₂をドープしたポリジメチルシロキサン（PDMS）流体を含む共晶フリップチップの新しいカプセル化構造を提案します。 UV透過石英半球ガラスカバーを備えたナノ粒子（NP）。実験結果は、提案されたカプセル化構造が従来のものよりかなり高い光出力パワーを有することを明らかにしている。 DUV-LEDの順方向電流が200mAの場合、光抽出効率は66.49％向上しました。 PDMS液にSiO ₂をドープする NPは、ドープされていない流体よりも高い光出力をもたらしました。最大効率は、0.2 wt％のドーピング濃度で達成されました。流体のNPドーピングを使用したカプセル化構造の200mA順方向電流での光出力は、NPドーピングを使用しない場合よりも15％高かった。提案されたカプセル化構造の光出力パワーは、従来のカプセル化構造のそれより81.49％高かった。増強された光出力パワーは、SiO ₂によって引き起こされた光散乱によるものでした。 NPと増加した平均屈折率。提案されたカプセル化構造を使用することにより、200mAの駆動電流でカプセル化温度を4°C下げることができます。

背景

共晶フリップチップと200〜300 nmの波長範囲を備えた窒化アルミニウムベースの深紫外線発光ダイオード（DUV-LED）は、硬化工学、通信セキュリティ、滅菌工学、化学分解、浄水、空気浄化、偽造の検出と検知[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。 DUV-LEDは、水銀を含まず、信頼性が高いため、従来のUV光源の近い将来の代替品と見なされています[11、12、13、14]。ただし、フリップチップDUV-LEDの出力電力は、主に量子井戸の欠陥、光吸収、およびサファイアと空気の界面での全反射（TIR）のために低いままです[15、16、17]。可視光LEDの光抽出効率（LEE）は、シリコンカプセル化層を使用してTIR損失を低減することにより改善されました[18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30 ]。本論文では、高屈折率（ n ）のポリジメチルシロキサン（PDMS）を用いた流体カプセル化法を提案した。 =1.43）および275nmの波長での透過率。 PDMS流体は、無毒性、酸化、化学物質、熱に対する耐性などの優れた特性を備えています[31、32]。提案されたカプセル化方法は、DUV-LEDの光出力効率を高め、人と環境へのLEDの悪影響を減らします。 SiO ₂の混合 PDMS流体へのNPは、光効率を改善することもできます。

メソッドとマテリアル

図1は、次のステップで構成される提案されたDUV-LEDカプセル化プロセスの概略図を示しています。（a）電極材料としてアルミナを使用してセラミック基板を作成します。（b）DUV-LEDチップ（ピーク波長275 nm）は、ホットプレッシャーボンディングによってセラミック基板にボンディングされます。（c）アルミニウム反射板の側壁キャビティがDUV-LEDセラミック基板に結合され、チップが開口部の中央に配置されます。（d）PDMS流体は、アルミニウム反射板の側壁キャビティに分配されます。（e）コーティングバインダーと直径3mm、高さ1.3mmの半球型UV透過ガラスをアルミニウム反射板側壁キャビティの外輪に配置します。（f）個々のDUV-LEDはスクライブラインに沿って切り取られます。（g）SiO ₂を備えた完全なDUV-LED -NPドープPDMS流体カプセル化構造が得られます。図2aは従来のDUV-LEDを示し、図2bはこの研究で提案されたPDMS流体でカプセル化されたDUV-LEDを示しています。中間層は、SiO ₂でドープされたPDMSを含みます。 NP。従来の方法では、DUV-LEDフリップチップの左側と右側に垂直のセラミック側壁、上部に平面のUV透過ガラス、DUV-LEDフリップチップとガラスの間の媒体として空気を使用します。提案された設計の中間層は、SiO ₂のカプセル化された構造でした。上記の半球形のUV透過ガラス構造を持つPDMS流体中のNP。図2cは、光学分光光度計測定システム（日立、東京、日本）を使用して得られたさまざまな波長でのPDMS流体の透過率をプロットしたものです。グラフは、PDMSの流体透過率が275 nmで85％であることを示しています。図2dは、表面積が0.78×0.75 mm ² のDUV-LEDの写真を示しています。（Dowa Co. Ltd.、Tokyo、Japan）とその発光スペクトルは、200mAの順方向電流でキャプチャされました。チップの主波長は275nmで、半値全幅は12nmでした。すべてのデータは、光学システムSLM-20積分球（Isuzu Optics、新竹、台湾）を使用して取得されました。表1に、提案されたカプセル化DUV-LEDのすべてのコンポーネントの仕様（表面および材料特性）を示します。

<図>

SiO ₂の透過型電子顕微鏡画像 NP（AEROSIL疎水性ヒュームドシリカ、フランクフルトアムマイン、ドイツ）を図2eに示します。 NPは、最初にオーブンで150°Cの水分を除去し、次にNPをN ₂に配置することによって準備されました。それらの表面を乾燥させるために48時間タンク。 NPの平均サイズは、湿気によって互いにくっつくのを防ぐために14nmに設定されました。

結果と考察

4種類のDUV-LEDカプセル化が採用され、図3に示されています。図3aは、60°の角度でDUV-LEDチップとアルミニウム反射板の側壁を備えたDUV-LED（I）を示しています。図3bは、アルミニウム反射板の側壁キャビティがPDMS流体で満たされたDUV-LED（II）を示しています。図3cは、アルミニウム反射板の側壁キャビティがDUV-LED（II）よりもわずかに少ないPDMS流体で満たされ、半球形のUV透過ガラスカバーで満たされたDUV-LED（III）を示しています。図3dは、アルミニウム反射板の側壁キャビティがPDMS流体で完全に満たされ、半球形のUV透過ガラスカバーが使用されたDUV-LED（IV）を示しています。積分球測定は、4種類のDUV-LEDカプセル化に対して実行されました（図3e）。 DUV-LED（I）チップの駆動電流が200 mAの場合、光出力は42.07mWでした。対照的に、DUV-LED（II）チップの駆動電流が200 mAの場合、光出力は36.11 mWであり、DUV-LED（I）よりも14.16％低かった。この状態は主に、PDMS流体がアルミニウム反射板の側壁キャビティを満たしたときにTIRが発生したために発生しました。 PDMS流体に結合されたUV光と空気に結合されたUV光の抽出効率比は、次の式で与えられます[12]：

$$ \ frac {\ eta_ {PDMSfluid}} {\ eta_ {air}} =\ frac {1-{\ mathit {\ cos}} _ {\ theta c、PDMS \ kern0.5em fluid}} {1- { \ mathit {\ cos}} _ {\ theta c、air}}、$$（1）

ここで、θ _{c、PDMS流体} およびθ _c、air それぞれ、PDMS流体DUV-LEDおよび空気UV-LEDインターフェースでのTIRの臨界角です。 DUV-LED（III）チップの駆動電流が200 mAの場合、光出力は48.126 mWであり、DUV-LED（I）よりも14.39％高かった。この状態は主に、凹レンズがTIRを減少させたが、LEEを増加させたために発生しました。しかし、DUV-LED（III）にはエアギャップがあり、製造されたすべてのデバイスの中で最高の光出力を得ることができませんでした。 DUV-LED（IV）チップの駆動電流が200 mAの場合、出力電力は70.045 mWであり、DUV-LED（I）より66.49％高かった。 DUV-LED（IV）カプセル化構造では、カプセル化にエアギャップが存在しないため、最高の光出力が得られ、DUV-LEDからのDUV光の完全な透過が可能になりました。光出力電力は、PDMS流体にSiO ₂をドープした場合の、DUV-LED（II）、DUV-LED（III）、およびDUV（IV）カプセル化についても決定されました。 NP（図3f）。 DUV-LED（I）構造は、PDMS流体を含まなかったため、比較には含まれていません。 NPの重量パーセント濃度（％）は、0、0.1、0.2、および0.3 wt％に設定されました。 DUV-LED（IV）チップの駆動電流が200 mAの場合、光出力は70.04、74.32、80.58、77.44mWでした。したがって、SiO ₂ 0.2 wt％のNPドーピング濃度が最高のLEEをもたらしました。 PDMS液にSiO ₂をドープする NPは散乱光の量を増やしましたが、TIRの量を減らしました。 0.2 wt％のSiO ₂でドーピング NPは、0 wt％のSiO ₂をドープするよりも15％高いLEEをもたらしました。 NP。 DUV-LED（I）と比較して、LEEは200 mAの駆動電流で81.45％高かった。 DUV-LEDカプセル化は、図3に概説されている製造方法を使用して実行されました。表2は、0.2 wt％のSiO2 NPでPDMS流体をドーピングしたDUV-LED（IV）の駆動電流200mAでの動作の画像を示しています。図4は、SiO ₂を含むDUV-LED（I）とDUV-LED（IV）の平均界面温度の比較を示しています。異なる駆動電流でのNPドープPDMS流体。駆動電流が200mAの場合、DUV-LED（IV）デバイスの界面温度はDUV-LED（I）デバイスの界面温度より4℃低く、カプセル化構造が効果的に熱温度を弱めていることがわかりました。表2に、赤外線サーマルイメージャー（ChingHsing Co. Ltd.、Taipei、Taiwan）を使用して得られたDUV-LED（I）とDUV-LED（IV）の温度マップを示します。 140 mAの駆動電流では、DUV-LED（IV）の動作温度はDUV-LED（I）よりも低かった。 PDMS液を含まないDUV-LED（I）の場合、温度はチップの表面で最も高かった。図4と表2の結果は、SiO ₂をドープしたPDMS流体によるカプセル化構造を示しています。 NPは優れた放熱能力を備えています。

<図>

結論

この論文は、PDMS流体にSiO ₂をドープすることにより、DUV-LEDのLEEを改善するための新しいカプセル化方法を提案します。 NP。 SiO ₂を使用することで、かなり高い光出力を実現しました。 NPドープPDMS流体カプセル化構造。特に、0.2 wt％のSiO ₂をドープしたPDMS流体の場合、光出力は81.45％高くなりました。 NPは空中ではなく空洞に配置されました。この強化は、SiO ₂の追加により、TIRが減少し、PDMS流体での光散乱が増加したことに起因します。 NP。平均界面温度は、200mAの駆動電流で4°C低くなりました。提案されたアーキテクチャはコンパクトで、将来的に高LEEAlGaNベースのDUV-LEDを製造するのに適していました。

データと資料の可用性

該当なし

略語

DUV-LED：: 深紫外線発光ダイオード
NP：: ナノ粒子
PDMS：: ポリジメチルシロキサン

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ナノマテリアル