サファイア導光層厚の最適化によるUV-LED光取り出し効率の向上

要旨

材料加工性と格子ミスマッチを考慮し、サファイアは紫外線C発光ダイオード（UV-C LED）の基板として一般的に用いられるが、その高い屈折率により全反射（TIR）が生じ、一部の光が吸収されるため光取り出し効率（LEE）が低下する。本研究では、一次光学設計を用いてサファイア基板導光層の厚みを最適化する手法を提案し、光学シミュレーションソフトウェアAnsys SPEOSを用いてシミュレーション評価を行った。導光層厚150-700 μmのAlGaN UV-C LEDウェハを用い、中心波長275 nmでシミュレーションを実施し、導光層の最適厚み設計を決定した。最終的に実験結果は、初期導光層厚150 μmで基準出力13.53 mW、厚みを600 μmに増加させると出力20.58 mWとなり、導光層厚の最適化によりLEEを1.52倍向上させられることを実証した。一次光学設計を用いたサファイア基板導光層厚の最適化手法を提案する。導光層厚150-700 μmのAlGaN UV-C LEDウェハを用い、最終的にLEEが導光層厚最適化により1.52倍向上することを実験で実証した。

はじめに

COVID-19パンデミックにより世界死亡率が増加した。従来の紫外線（UV）C水銀ランプは殺菌可能だが、水銀含有、分散スペクトル波長、大型、短寿命が適用性を制限する。UV-C LEDは環境に優しく、水銀フリー、無公害である。殺菌波長は260-280 nmに集中。光源が小さく長寿命であるため、徐々にUV-C水銀ランプに代わって主要殺菌光源となっている。UV光は細菌のDNAやRNA構造を破壊し、表面、空気、水の汚染除去に広く用いられてきた。260-280 nmのUV-C波長帯が最も高い殺菌効果を持ち、微生物細胞の再生を防ぎ消毒・滅菌を実現する[1-3]。UV-C LEDが医療光療法、水・食品・医薬品の消毒滅菌で広く用いられていることが報告されている[4-7]。従来の水銀UVランプは長いウォームアップ時間、短寿命、爆発リスク、環境汚染という欠点があり、UV-C LEDはこれらすべての面で優れている[8-10]。UV-C波長範囲は100-280 nm、UV-C LED波長は260-280 nmの間にある。LEDの発光波長がより集中しているため、殺菌効率と長期信頼性も水銀UVランプより優れている[11,12]。しかし、UV-C LEDの外部量子効率（EQE）と光取り出し効率（LEE）の低さは改善必須である。AlGaNベースUV-C LEDの低EQEとLEEは、電子漏れと全反射（TIR）に起因し、光子がサファイア基板とp-GaNコンタクト層材料に吸収されるためである[13-15]。

LEE向上アプローチには、ナノパターンサファイア基板をUV-C LED製造基板として使用するものがある。Wen Cheng Keらは、マイクロ/ナノスケール混合パターンサファイア基板上でのInGaNベースLED成長を提案し、LEDがマイクロパターンサファイア基板にナノホールを埋め込むことで光電特性を改善した[16]。Phillip Manleyらは、深紫外（DUV）LEDにナノパターンサファイア基板を採用し、そのようなナノパターン構造がサファイアのLEEに与える影響を検証した[17]。

Shao Hua Huangらは、フリップチップ構造のウェットエッチングでサファイア基板を修正しベベルテクスチャを与え、窒化物LEDのLEEを改善した[18]。Dong Yeong Kimは、Alコート傾斜バリアを持つn型GaNマイクロミラーをサイドウォール放出強化DUV LEDと称し、横磁偏光のLEEを改善した[19]。

一部の研究者は、セカンダリレンズ設計により光路を変更してLEEを改善することを提案している。例えば、Renli Liangらは、ナノレンズアレイを用いてリソグラフィとウェットエッチング技術でDUV LEDのLEEを向上させた。Bin Xieらは、輝度向上フィルム付きフリーフォームレンズを提案し、直接照明LEDバックライトの全体性能を向上させた[20,21]。UV-C LEDと有機材料吸収に関連する特性が封止材料選択に影響する。NagasawaとHiranoは、AlGaN基板上でトリフルオロメチル末端構造を持つp-ブチルビニルエーテルを封止材料として使用しLEEを改善することを推奨した[22]。長期DUV照射下では有機材料は深刻な分子解離と破壊を受ける。より効率的で信頼性の高い光取り出しを促進するには、UV光に高耐性の材料または無機材料が必要である。パッケージの気密性も封止能力評価の重要因子である[23,24]。高透過率と長期信頼性の両立のため、石英ガラスがUV LED封止材料としてよく用いられる。キャビティが中空の場合、高界面反射でLEEが低下する；キャビティを低屈折率液体や有機接着剤で充填するとLEE改善可能。この点で、Chieh-Yu Kangは新タイプのDUV LED液体封止構造を提案しLEE改善を達成した。Chien Chun Luは、石英ベース気密パッケージを持つUV-C LEDのより高く信頼性の高いLEEを実証した[25,26]。

シリコーン（PDMS）流体にSiO₂ナノ粒子をドープするなど、異なる封止材料でUV LEDのLEEを改善できる。Zhi Ting Yeは、ナノ粒子ドープPDMS流体がAlGaNベースDUV LEDの光学性能を向上させることを提案した[27]。Yang Pengは、フッ素ポリマードープ封止材料を窒化アルミニウム基板上で用い、チップオンボード封止構造のLEEを向上させた[28]。Joosun YunとHideki Hirayamaは、6種類のフリップチップ構造比較研究で異なるウェハ構造を提案し、LEE改善のためのAlGaNメタサーフェスを取得した[29]。

また、フォトンマネジメントが光抽出と収集の効率的手法であり、フォトディテクタ、光電化学セル[30-33]、太陽電池[34,35]、ディスプレイ技術用マイクロLED[36]など様々な光電子デバイスで広く用いられていることも言及しておく価値がある。

UV-C LED改良研究では、導光層厚がLEEに与える影響を検討したものはまだない。サファイアを導光層材料として用いる場合、一般的な青色波長帯450 nmでは吸収率が比較的低いが、UV-C LEDの260-280 nm波長帯では比較的高く、厚みがLEEに影響することを示している。したがって、本論文ではUV-C LEDのLEE向上のための導光層最適厚み値を提案する。

方法

導光層におけるTIR現象

TIRは、光が異なる媒質に入射する際に屈折率が変化する光学現象である。入射角が臨界角未満の場合、光は反射光と屈折光の2つに分かれる。逆に入射角が臨界角を超える場合、すべての光が屈折なしで内部反射される。内部媒質の屈折率をn₁、外部媒質の屈折率をn₂とすると、臨界角θ_cは式(1)で計算できる。n₁=1.788のとき、TIRの臨界角θ_cは34.136°となる（図1参照）。赤い三角錐は導光層を貫通して出射できる非全反射領域を表し、残りのシアン領域はTIR領域で、光が跳ね返り材料に吸収されLEEを低下させる。

導光層内の全反射。a 平面概略図、b 三次元概略図

$${\theta }_{C}={\mathrm{sin}}^{-1}\frac{{n}_{2}}{{n}_{1}}$$ (1)

導光層の長さLと幅Wが固定されているとき、導光層厚H_LGはTIR領域に影響する。図2に示すように、光は発光層から導光層へ出射するため、オレンジ領域ではTIR現象は発生しない。入射角がこの領域を超えると、図2のシアン領域でTIRが発生する。この領域の幅をT_Wと定義し、式(2)で表される。

UV-C LED TIR現象の概略図

$${T}_{W}=\mathrm{tan}({\mathrm{sin}}^{-1}\frac{{n}_{2}}{{n}_{1}})\times {H}_{LG}$$ (2)

光取り出し効率向上のための導光層厚シミュレーションと最適化

Solidworks 3D CADソフトウェアとAnsys SPEOS光学シミュレーションソフトウェアを用いて光学系を構築し、一次光学設計を用いて導光層厚がLEEに与える影響をシミュレーション・最適化した。Al₂O₃を導光層材料とし、厚みを変更してTIRによる吸収問題を低減した。

UV-C LEDチップ波長は275 nm、長さL1.524 mm、幅W1.524 mmとした（図3参照）。

a UV-C LEDチップ構造図、b UV-C LEDチップシミュレーション簡略パラメータ図

導光層はAl₂O₃で構成され、屈折率N_LGLは1.782、導光層厚（H_LG）区間は150-700 μmとした。発光層（LEL）は厚みH_LE1.5 μm、上面が発光面、下面は部分吸収・部分反射層、UV-C LED電極厚H_pdは1.5 μm、材料は部分吸収・部分反射に設定。図3aはUV-C LEDチップ構造、図3bはチップ簡略シミュレーション図。パラメータ設定は表1に示す。

UV-C LED三次元構造概略図（a）とシミュレーション発光面光線トレース図（b）

本研究では、導光層厚150-700 μmのLEEへの影響を解析した。シミュレーション入力放射束は1 Wとし、結果を図5に示す。導光層厚150 μmでは相対放射束0.41 W、厚み増加に伴いLEEは順次増加。600 μm厚では放射束0.62 Wとなり、1.512倍増加。シミュレーション結果によれば、厚みをさらに増やしてもLEEは飽和に近づき増加しない。700 μm厚では600 μm比で効率向上はわずか2.2%であった（図5参照）。

UV-C LED導光層厚150-700 μmシミュレーションLEE図

表2は、シミュレーション入力放射束1 W時の相対放射束出力と倍率を示す。600 μm厚導光層が最高LEE、倍率、加工安定性を達成；700 μmでは加工・切断困難となり歩留まり低下を招く。

ナノパターンサファイア基板法と比較して、本手法の利点はエッチングとエンボス加工プロセスを必要としないことである。

結果と考察

図6は、異なる導光層厚（H_LG）を持つUV-C LED試作例を示す。図6aはH_LG=150 μmで、業界で一般的に用いられる厚みパラメータであり、本実験の基準測定値とした。図6eはH_LG=600 μmで、LEE向上の最適厚みである。工業製造プロセスでは、導光層厚を増やすと切断困難や割れ問題が生じる。導光層厚600 μmでは業界での加工限界厚に達している。

実物UV-C LED試料側面図：導光層厚（H_LG）a 150、b 300、c 400、d 500、e 600、f 700 μm

表3は、異なる導光層厚（H_LG）での相対放射束を示す。H_LG=600 μmでは、150 μm厚比で放射束が1.52倍高かった。図7は、UV-C LED試作例のシミュレーションと実測LEE成長トレンドを、導光層厚150-700 μmで示す；H_LG=700 μmでは成長率がもはや明確ではなく飽和に近づいた。シミュレーション結果は実測試験結果と類似している。

UV-C LEDのシミュレーションと実測LEE向上倍率比較：導光層厚150-700 μm

表4は、異なる導光層厚でのシミュレーションUV-C LEDのLEEへの影響を詳細に示す。導光層厚150 μmでは相対放射束13.53 mW、厚み増加に伴いLEE順次増加。600 μm厚では放射束20.58 mW、1.521倍増加。シミュレーションと実測の差異比較では、結果は実測試験と類似している。

結論

本論文では、Al₂O₃材料を導光層とする一次光学設計を提案し、TIRによる吸収を低減してUV-C LEDのLEEを最適化した。SPEOS光学シミュレーションソフトウェアを用いて、異なる厚みの導光層がUV-C LEDのLEEに与える影響をシミュレーション解析した。標準層厚150 μmと比較して、最適化厚み600 μmでLEEが1.52倍向上した。この改善されたUV-C LED LEEは、滅菌システムや他の将来応用での使用に有益である。

データおよび資料の入手可能性

本記事の結論を支持するデータセットは記事内で入手可能です。

略語

DUV:

深紫外

H_pd:

電極厚

LEE:

光取り出し効率

L:

長さ

LGL:

導光層

LE:

発光層

TIR:

全反射

UV-C LEDs:

紫外線C発光ダイオード

W:

幅