シリカナノ粒子強化PDMS封止によるAlGaN深紫外LEDの光出力と熱性能の大幅向上

概要

本研究では、SiO₂ナノ粒子（NPs）をドープしたポリジメチルシロキサン（PDMS）流体を用い、UV透過性石英半球でキャップするAlGaNベース深紫外LED（DUV-LED）の革新的封止スキームを導入します。封止LEDは従来設計より著しく高い光出力を実現：光取り出し効率（LEE）が200 mAで66.49%向上、PDMS中SiO₂ NPs 0.2 wt%で最大効率を達成。無ドープ流体比で0.2 wt%ドープ構成が15%出力向上、従来封止比で全体性能が81.49%向上。さらに、200 mAで界面温度を4°C低下させ、熱管理を強化します。

背景

AlGaNベースDUV-LED（200–300 nm）は、殺菌、水処理、セキュリティ、センシングで用いられ、従来UVランプに代わる水銀フリー・高信頼性選択肢として注目されています。出力制限は量子井戸欠陥、吸収損失、サファイア-空気界面での全反射（TIR）に起因します。可視LEDではシリコン封止がLEE改善に寄与してきましたが、DUVデバイスでは依然として課題が残っています。ここでは、PDMS（無毒、化学的安定、屈折率1.43、275 nmで>85%透過率）を用いた流体封止を提案し、SiO₂ NPsを組み込んで光散乱と平均屈折率向上により更なる改善を図ります。

方法と材料

図1に作製手順を示す：（a）アルミナ電極付きセラミック基板；（b）275 nmピークDUV-LEDチップをホットプレスで基板接合；（c）チップ周囲にアルミニウムリフレクターキャビティ配置；（d）PDMS流体（SiO₂ NPsドープ可）をキャビティ充填；（e）外側リングに3 mm×1.3 mm半球石英レンズ配置；（f）スクライブライン沿いダイシング；（g）NPドープPDMS封止済み最終DUV-LED。図2aに従来DUV-LED、図2bに本設計（SiO₂-NPドープPDMS層と石英カバー）を示す。PDMS透過率曲線（図2c）で275 nmでの85%透過を確認。SLM-20積分球（イスズオプティクス）測定スペクトルで、12 nm半値全幅の275 nm主ピークを確認。表1に全コンポーネント仕様を記載。

結果と考察

4種類の封止バリエーションを評価（図3）。DUV-LED（I）は60°アルミニウムリフレクターと空気キャビティ；（II）空気をPDMS流体に置換；（III）わずかに少ないPDMSでキャビティ充填し石英半球追加；（IV）PDMSでキャビティ完全充填し石英カバー含む。積分球測定で200 mA時、（I）42.07 mW、（II）36.11 mW（PDMS内TIRで−14.16%）、（III）48.13 mW（+14.39%）、（IV）70.05 mW（+66.49%）。完全PDMS充填でエアギャップを排除し光透過最大化により最高出力達成。図3fでSiO₂ NP負荷量（0、0.1、0.2、0.3 wt%）を検討。200 mAで0.2 wt%ドープデバイスが80.58 mW達成、無ドープ比15% LE向上、ベースライン（I）比81.45%向上。NPからの光散乱がTIR低減と取り出し向上をもたらします。熱画像（図4、表2）で、ドープPDMS構造が200 mAで界面温度を4°C低下、優れた放熱を実証。

結論

0.2 wt% SiO₂ NPsでPDMS封止材をドープすることで、LEEを大幅向上させ、光出力81.45%増加と200 mAで4°C界面温度低減を同時達成。NPによるTIR低減と追加散乱がこれらの利益の基盤です。このコンパクトで熱効率に優れたアーキテクチャは、高性能AlGaN DUV-LEDへの実用的道筋を提供します。

データおよび資料の入手可能性

該当なし

略語

DUV-LEDs:

深紫外発光ダイオード

NPs:

ナノ粒子

PDMS:

ポリジメチルシロキサン