紫外線発光ダイオードの光抽出効率を高めるための光ガイド層の厚さの最適化

はじめに

COVID-19のパンデミックは、世界の死亡率の増加につながりました。従来の紫外線（UV）-C水銀ランプは滅菌できますが、水銀含有量、分散スペクトル波長、かさ高さ、および寿命が短いため、適用範囲が制限されます。 UV-C発光ダイオード（LED）は、環境に優しく、水銀を含まず、汚染がありません。滅菌波長は260〜280nmに集中しています。光源は小型で寿命が長いため、主な滅菌光源として徐々にUV-C水銀灯に取って代わられています。紫外線はバクテリアのDNAやRNAの構造を破壊し、表面、空気、水を除染するために広く使用されてきました。 260〜280 nmのUV-C波長帯は、最大の殺菌効果があり、微生物細胞の再生を防ぎ、消毒と滅菌を実現します[1,2,3]。研究では、医療光線療法、および安全な消費のための水、食品、および医薬品の消毒と滅菌におけるUV-CLEDの幅広い使用が文書化されています[4、5、6、7]。従来の水銀UVランプは、ウォームアップ時間が長く、寿命が短く、爆発の危険性があり、環境汚染があるという欠点があります。 UV-C LEDは、前述のすべての側面で優れています[8、9、10]。 UV-Cの波長範囲は100〜280 nmで、UV-CLEDの波長は260〜280nmです。 LEDの発光波長はより集中しているため、その滅菌効率と長期信頼性も水銀UVランプよりも優れています[11、12]。ただし、UV-C LEDの劣った外部量子効率（EQE）と光抽出効率（LEE）を改善する必要があります。 AlGaNベースのUV-CLEDのEQEとLEEが低いのは、電子漏れと全反射（TIR）が原因で、サファイア基板とp-GaN接触層の材料に光子が吸収されるためです[13,14 、15]。

LEEの改善に向けたアプローチには、UV-CLEDを製造するための基板としてナノパターン化されたサファイア基板を使用することが含まれています。マイクロスケールおよびナノスケールでのInGaNベースのLED混合パターン化サファイア基板の成長は、Wen Cheng Ke et al によって提案されました。 、LEDがマイクロパターン化されたサファイア基板にナノホールを埋め込んで、その光電特性を改善することを可能にした[16]。 PhillipManley etal。ディープUV（DUV）LEDにナノパターン化されたサファイア基板を採用し、サファイアのLEEに対するそのようなナノパターン化された構造の影響を検証しました[17]。

Shao Hua Huang et al 。 フリップチップ構造のウェットエッチングを採用してサファイア基板を修正し、斜角のテクスチャを与えて、窒化物LEDのLEEを改善しました[18]。キム・ドンヨンは、横磁化のLEEを改善するために、側壁発光増強DUVLEDと呼ばれるAlコーティングされたスロープバリアを備えたn型GaNマイクロミラーを提案しました[19]。

一部の学者は、二次レンズの設計を通じてLEEを改善するために光路を変更することを提案しています。たとえば、Renli Liang et al 。 ナノレンズアレイを使用して、リソグラフィおよびウェットエッチング技術によりDUVLEDのLEEを強化しました。 Bin Xie et al 。 直射日光LEDバックライトの全体的な性能を向上させるために、輝度向上フィルムを備えたフリーフォームレンズを提案しました[20、21]。 UV-C LEDと有機物の吸収に関連するそれらの特性は、包装材料の選択に影響を与えます。長澤と平野は、LEEを改善するためのカプセル化された材料として、AlGaN基板上にトリフルオロメチル末端構造を持つp型ブチルビニルエーテルの使用を促進しました[22]。長期間のDUV照射下では、有機材料は深刻な分子解離と破壊にさらされます。より効率的で信頼性の高い光抽出を促進するには、UV光に対する耐性の高い材料または無機材料が必要です。パッケージの気密性も、パッケージング能力を評価するための重要な要素です[23、24]。高い浸透性と長期的な信頼性の両方を考慮して、UVLEDの包装材料として石英ガラスがよく使用されます。空洞が中空の場合、界面反射が大きいとLEEが減少します。キャビティは、LEEを改善するために、屈折率の低い液体または有機接着剤で満たすことができます。この点で、Chieh-Yu Kangは、LEEの改善を実現できる新しいタイプのDUVLED液体包装構造を提案しました。 Chien Chun Luは、石英ベースのハーメチックパッケージを使用したUV-C LEDのより高く信頼性の高いLEEを実証しました[25、26]。

SiO ₂ をドープしたポリジメチルシロキサン（PDMS）流体などのさまざまな包装材料 ナノ粒子はUVLEDのLEEを改善することができます。 Zhi Ting Yeは、ナノ粒子をドープしたPDMS流体がAlGaNベースのDUVLEDの光学性能を向上させることを提案しました[27]。 Yang Pengは、窒化アルミニウム基板上にフルオロポリマーをドープしたこのカプセル化材料を使用して、チップオンボードカプセル化構造のLEEを強化しました[28]。 JoosunYunとHidekiHirayamaは、6つの異なるフリップチップ構造を使用した比較研究で異なるウェーハ構造を提案し、LEEを改善するためのAlGaNメタ表面を取得しました[29]。

光子管理は、光を抽出して収集する効率的な方法として実証されており、光検出器や光電子化学セル[30,31,32,33]、太陽電池など、さまざまなオプトエレクトロニクスデバイスで広く使用されていることにも言及する価値があります。 [34、35]、およびディスプレイ技術におけるマイクロ発光ダイオード[36]。

UV-C LEDの改良に関する研究では、LEEに対するライトガイド層の厚さの影響をまだ調べていません。光ガイド層の材料としてサファイアを使用した場合、吸収率は一般的な青色の波長帯域450 nmでは比較的低くなりますが、UV-C LED 260〜280 nmの波長帯域では比較的高く、LEEに対する厚さの影響を示しています。したがって、この論文では、UV-CLEDのLEEの光ガイド層の厚さの最適値を提案します。

メソッド

ライトガイドレイヤーのTIR現象

TIRは、光がさまざまな媒体に入ると屈折率が変化する光学現象です。入射角が臨界角よりも小さい場合、光は2つの部分に分割されます。光の一部は反射され、他の部分は屈折します。逆に、入射角が臨界角よりも大きい場合、すべての光は屈折せずに内部で反射されます。内部媒体の屈折率はn ₁ です。 、および外部媒体の屈折率はn ₂ です。 。臨界角θ _c 式を使用して計算できます。 （1）。 n ₁ の場合 は1.788、臨界角θです。 _c 図1に示すように、TIRの角度は34.136°です。赤い三角形の円錐は、光ガイド層を貫通してそこから出ることができる非全反射領域を表し、残りのシアンの領域は、光が跳ね返るTIR領域です。材料に吸収され、LEEを減らします。

ライトガイド層内の全反射。 a 平らな図式スケッチと b 三次元図解スケッチ

長さ L の場合 幅 W ライトガイド層の厚さは固定されており、ライトガイド層の厚さはH _LG TIRエリアに影響します。図2に示すように、光は発光層から光ガイド層に出るため、オレンジ色の領域ではTIR現象は発生しません。入射角がこの領域を超えると、TIRは図2のシアンの領域で発生します。この領域の幅はT _W として定義できます。 、式で表されるように。 （2）。

UV-C LEDTIR現象の概略図

UV-CLEDのLEEを強化するためのライトガイド層の厚さのシミュレーションと最適化

Solidwork3D描画ソフトウェアとAnsysSPEOS光学シミュレーションソフトウェアを使用して、光学システムを構築し、1次光学設計を使用してLEEに対するライトガイド層の厚さの影響をシミュレートおよび最適化しました。 Al ₂ を使用 O ₃ 光ガイド層の素材として、TIRによる吸収の問題を減らすために厚さを変更しました。

UV-CLEDチップの波長は275nm、長さは L 1.524 mm、幅 W 図3に示すように、1.524mmでした。

a UV-C LEDチップの構造図、および b UV-CLEDチップシミュレーションの簡略化されたパラメータ図

ライトガイド層はAl ₂ で構成されていました O ₃ 、屈折率N _LGL は1.782で、ライトガイド層の厚さ（H _LG ）間隔は150〜700μmでした。発光層（LEL）の厚さはH _LE 1.5μmの場合、層の上面は発光面、下面は部分的に吸収および部分的に反射する層、UV-CLED電極の厚さH _pd 1.5μmでした。材料は部分的に吸収し、部分的に反射するように設定されました。図3aはUV-CLEDチップの構造を示し、図3bはチップの簡略化されたシミュレーション図です。パラメータ設定を表1に示します。

図4aは、UV-C LEDの3次元構造の概略図を示し、図4bは、シミュレートされた発光面の光トレースの概略図です。

UV-CLEDの構造; a UV-C LEDシミュレーションの3次元構造、および b ライトトレースシミュレーション図

この研究では、150〜700μmのライトガイドの厚さがLEEに及ぼす影響を分析しました。シミュレートされた入力放射束は1Wであり、シミュレーション結果は図5に示されています。ライトガイドの厚さが150 µmの場合、相対放射束は0.41 Wであり、ライトガイドの厚さが増加した場合、 LEEは順番に増加しました。 600μmのライトガイドの厚さでは、放射束は0.62 Wで、1.512倍に増加しました。シミュレーション結果によると、厚さをさらに増やすと、LEEは飽和に近くなり、増加しません。図5に示すように、ライトガイド層の厚さが700 µmの場合、効率は600 µmの層の効率よりもわずか2.2％高くなりました。

厚さ150〜700μmのシミュレートされたUV-CLEDライトガイドのLEE図

表2は、シミュレートされた放射束入力が1 Wの場合の相対放射束出力とその倍率を示しています。厚さ600μmのライトガイド層は、最高のLEE、倍率、および処理安定性を実現しました。ただし、700 µmでは、処理と切断が困難になり、その結果、歩留まりが低下しました。

ナノパターンサファイア基板法と比較してLEEを強化するためのライトガイド層の厚さの最適化を提案します。この方法の利点は、エッチングやエンボス加工のプロセスを経る必要がありません。

結果とディスカッション

図6は、ライトガイド層の厚さが異なるUV-C LEDプロトタイプを示しています（H _LG ）。図6aは、H _LG を示しています。 150μmの値。この実験の参照測定として使用された業界の設定で一般的に使用される厚さパラメータ。図6eは、H _LG を示しています。 600μmの高さのLEEに最適な厚さです。工業生産工程では、ライトガイド層の厚みを増すと切断が困難になり、割れの問題が発生します。ライトガイド層の厚さが600umになると、業界の加工限界厚さに達します。

ライトガイド層の厚さ（ H ）の実際のUV-CLEDサンプルの側面図 _LG ）の a 150、 b 300、 c 400、 d 500、 e 600、および f 700μm

表3に、さまざまなライトガイド層の厚さ（H _LG ）の相対放射束を示します。 ）。 H _LG を使用 600μmの放射束は、150μmの厚さの場合の1.52倍でした。図7は、さまざまなライトガイド層の厚さ（150〜700μm）でのUV-CLEDプロトタイプシミュレーションと測定されたLEE成長傾向を示しています。 H _LG で 700 µmの場合、成長率はもはや明らかではなく、飽和に近づいていました。シミュレーション結果は、実際のサンプルテストの結果と同様です。

150〜700umの光ガイド層の厚さを持つUV-CLEDのシミュレートおよび測定されたLEEエンハンス時間の比較

表4は、さまざまなライトガイド層の厚さでのLEEに対するシミュレートされたUV-CLEDの影響の詳細を示しています。ライトガイドの厚さが150μmの場合、相対放射束は13.53 mWであり、ライトガイドの厚さが増加すると、LEEが順番に増加しました。 600μmのライトガイドの厚さでは、放射束は20.58 mWで、1.521倍に増加しました。シミュレーションと測定の違いを比較すると、結果は実際のサンプルテストの結果と類似していることがわかります。

結論

この論文は、Al ₂ を使用した一次光学設計を提案します。 O ₃ TIRによって引き起こされる吸収を減らし、UV-CLEDのLEEを最適化するための光ガイド層としての材料。 SPEOS光学シミュレーションソフトウェアを使用して、UV-C LEDのLEEに対するさまざまな厚さのライトガイド層の影響をシミュレートおよび分析しました。 150μmの標準層の厚さと比較して、600μmの最適化された厚さはLEEの1.52倍の増加をもたらしました。この改良されたUV-CLED LEEは、滅菌システムやその他の将来のアプリケーションでこのようなLEDを使用するのに役立ちます。

利用可能なデータと資料

この記事の結論を裏付けるデータセットは、記事で入手できます。

略語

DUV：

深紫外線

H _pd ：

電極の厚さ

LEE：

光抽出効率

L：

長さ

LGL：

ライトガイドレイヤー

LE：

発光層

TIR：

全反射

UV-C LED：

紫外線C発光ダイオード

W：

幅