나노 입자가 도핑된 폴리디메틸실록산 유체는 AlGaN 기반 심자외선 발광 다이오드의 광학 성능을 향상시킵니다.

초록

이 논문은 SiO₂로 도핑된 PDMS(폴리디메틸실록산) 유체를 포함하는 질화알루미늄 기반의 심자외선 발광 다이오드(DUV-LED) 및 공융 플립 칩을 위한 새로운 캡슐화 구조를 제안합니다. UV 투명 석영 반구형 유리 덮개가 있는 나노 입자(NP). 실험 결과 제안된 캡슐화 구조가 기존 구조보다 훨씬 높은 광출력을 가짐을 알 수 있다. DUV-LED의 순방향 전류가 200mA일 때 광추출 효율은 66.49% 증가하였다. SiO₂로 PDMS 유체 도핑 NP는 도핑되지 않은 유체보다 더 높은 광 출력을 나타냅니다. 최대 효율은 0.2 wt%의 도핑 농도에서 달성되었습니다. 유체의 NP 도핑이 있는 캡슐화 구조의 200 mA 순방향 전류에서의 광 출력은 NP 도핑이 없는 것보다 15% 더 높았다. 제안된 캡슐화 구조의 광출력은 기존 캡슐화 구조보다 81.49% 더 높았다. 향상된 광 출력은 SiO₂에 의한 광산란으로 인한 것입니다. NP 및 증가된 평균 굴절률. 제안된 캡슐화 구조를 사용하여 200 mA의 구동 전류에서 캡슐화 온도를 4 °C 낮출 수 있습니다.

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

공융 플립 칩과 파장 범위가 200–300 nm인 질화알루미늄 기반 심자외선 발광 다이오드(DUV-LED)는 경화 엔지니어링, 통신 보안, 살균 엔지니어링, 화학 분해, 수질 정화, 공기 정화, 위조 감지 및 감지 [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]. DUV-LED는 수은이 없고 신뢰성이 높기 때문에 기존의 UV 광원을 가까운 미래에 대체할 것으로 간주됩니다[11,12,13,14]. 그러나 플립 칩 DUV-LED의 출력 전력은 주로 양자 우물 결함, 광 흡수 및 사파이어-공기 계면에서의 내부 전반사(TIR)로 인해 낮게 유지됩니다[15,16,17]. 가시광 LED의 광추출 효율(LEE)은 실리콘 봉지층을 사용하여 TIR 손실을 줄임으로써 향상되었습니다[18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30 ]. 본 논문에서는 고굴절률(n =1.43) 및 275 nm의 파장에서 투과율. PDMS 유체는 무독성, 내산화성, 내화학성, 내열성 등의 특성이 우수합니다[31, 32]. 제안된 캡슐화 방법은 DUV-LED의 광출력 효율을 높이고 LED가 사람과 환경에 미치는 악영향을 줄인다. 혼합 SiO₂ PDMS 유체로의 NP는 또한 광 효율을 향상시킬 수 있습니다.

방법 및 자료

그림 1은 다음 단계로 구성된 제안된 DUV-LED 캡슐화 프로세스의 개략도를 보여줍니다. (a) 전극 재료로 알루미나를 사용하여 세라믹 기판을 준비합니다. (b) DUV-LED 칩(피크 파장 275 nm)을 고온 압착을 통해 세라믹 기판에 접합합니다. (c) 알루미늄 반사판 측벽 공동이 DUV-LED 세라믹 기판에 접합되고 칩이 개구부의 중앙에 배치됩니다. (d) PDMS 유체가 알루미늄 반사기 측벽 공동으로 분배됩니다. (e) 코팅 바인더와 직경 3 mm, 높이 1.3 mm의 반구형 UV 투과 유리를 알루미늄 반사기 측벽 공동의 외부 링에 배치합니다. (f) 개별 DUV-LED는 스크라이브 라인을 따라 절단됩니다. 및 (g) SiO₂를 포함하는 완전한 DUV-LED -NP가 도핑된 PDMS 유체 캡슐화 구조를 얻습니다. 그림 2a는 기존의 DUV-LED를 나타내고, 그림 2b는 본 연구에서 제안한 PDMS 유체로 캡슐화된 DUV-LED를 나타낸다. 중간층은 SiO₂로 도핑된 PDMS를 포함합니다. NP. 전통적인 방법은 DUV-LED 플립 칩의 왼쪽과 오른쪽에 수직 세라믹 측벽을 사용하고 상단에 평면 UV 투과 유리를 사용하고 DUV-LED 플립 칩과 유리 사이의 매개체로 공기를 사용합니다. 제안된 디자인의 중간층은 SiO₂의 캡슐화된 구조였습니다. 위의 반구형 UV 투과 유리 구조를 가진 PDMS 유체의 NP. 그림 2c는 광학 분광 광도계 측정 시스템(Hitachi, Tokyo, Japan)을 사용하여 얻은 다양한 파장에서 PDMS 유체의 투과율을 표시합니다. 그래프는 PDMS 유체 투과율이 275 nm에서 85%임을 보여줍니다. 그림 2d는 표면적이 0.78 × 0.75 mm² 인 DUV-LED의 사진을 보여줍니다. (Dowa Co. Ltd., Tokyo, Japan) 및 그 방출 스펙트럼은 200 mA 순방향 전류에서 캡처되었습니다. 칩의 지배적인 파장은 275 nm이었고 반치폭은 12 nm였습니다. 모든 데이터는 광학 시스템 SLM-20 적분구(Isuzu Optics, Hsinchu, Taiwan)를 사용하여 얻었습니다. 표 1은 제안된 캡슐화된 DUV-LED의 모든 구성 요소에 대한 사양(표면 및 재료 속성)을 나열합니다.

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DUV-LED 캡슐화 구조의 제작:a 세라믹 기판, b 압력 접합을 통해 세라믹 기판에 접합된 DUV-LED 칩(피크 파장, 275 nm), c DUV-LED 세라믹 기판에 접합된 알루미늄 판, d 공동으로 분배된 도핑된 바인더, e 구조물 위에 놓인 석영 렌즈 덮개, f 컷아웃 마감 DUV-LED 및 g SiO₂로 완전한 DUV-LED -NP 도핑된 PDMS 유체 캡슐화 구조

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DUV-LED 캡슐화 구조:a 기존 플립 칩 DUV-LED의 개략도, b 캡슐화 구조 및 SiO₂ 나노입자(NP)-도핑된 폴리디메틸실록산(PDMS) 유체 DUV-LED 캡슐화 구조, c 200–600 nm에서 PDMS 유체의 투과율, d 제안된 DUV-LED에 대해 200 mA의 순방향 전류에서 캡처된 DUV-LED 및 방출 스펙트럼의 사진 및 e SiO₂의 고해상도 투과 전자 현미경 이미지 NP²⁶

SiO₂의 투과 전자 현미경 이미지 NP(AEROSIL 소수성 흄드 실리카, 독일 프랑크푸르트 암 마인)는 그림 2e에 나와 있습니다. NP는 먼저 오븐에서 150°C의 수분을 제거한 다음 N₂ 48 시간 동안 탱크 표면을 건조시킵니다. NP의 평균 크기는 습기로 인해 서로 붙는 것을 방지하기 위해 14 nm로 설정되었습니다.

결과 및 토론

4가지 유형의 DUV-LED 캡슐화가 사용되었으며 그림 3에 나와 있습니다. 그림 3a는 60° 각도에서 DUV-LED 칩과 알루미늄 반사기 측벽이 있는 DUV-LED(I)를 보여줍니다. 그림 3b는 알루미늄 반사판 측벽 공동이 PDMS 유체로 채워진 DUV-LED(II)를 보여줍니다. 그림 3c는 알루미늄 반사기 측벽 공동이 DUV-LED(II)보다 약간 적은 PDMS 유체와 반구형 UV 투과 유리 덮개로 채워진 DUV-LED(III)를 보여줍니다. 그림 3d는 알루미늄 반사경 측벽 공동이 PDMS 유체로 완전히 채워지고 반구형 UV 투과 유리 덮개가 사용된 DUV-LED(IV)를 보여줍니다. 4가지 유형의 DUV-LED 캡슐화에 대해 통합 구 측정을 수행했습니다(그림 3e). DUV-LED(I) 칩의 구동전류가 200 mA일 때 광출력은 42.07 mW였다. 이에 반해 DUV-LED(II) 칩의 구동전류가 200mA일 때 광출력은 36.11mW로 DUV-LED(I) 칩보다 14.16% 낮았다. 이 상태는 주로 PDMS 유체가 알루미늄 반사판 측벽 공동을 채울 때 TIR이 발생했기 때문에 발생했습니다. 공기에 결합된 UV 광에 대한 PDMS 유체에 결합된 UV 광의 추출 효율 비율은 다음 방정식으로 제공됩니다[12].

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

4가지 캡슐화 구조의 도식 및 비교:a DUV-LED(I), b DUV-LED(II), c DUV-LED(III), d DUV-LED(IV), e 다양한 캡슐화 조건에서의 광 출력 및 f 다른 SiO₂의 광 출력 PDMS 유체의 NP 농도(%)

여기서 θ _{c,PDMS 유체} 및 θ _c,에어 PDMS 유체 DUV-LED 및 공기 UV-LED 인터페이스에서 각각 TIR에 대한 임계각입니다. DUV-LED(III) 칩의 구동 전류가 200mA일 때 광출력은 48.126mW로 DUV-LED(I) 칩보다 14.39% 더 높았다. 이 상태는 주로 오목 렌즈가 TIR을 감소시키지만 LEE를 증가시켰기 때문에 발생했습니다. 그러나 DUV-LED(III)는 에어갭이 있어 제작된 모든 소자 중 가장 높은 광출력을 발휘하는 데 걸림돌이 됐다. DUV-LED(IV) 칩의 구동 전류가 200mA일 때 출력 전력은 70.045 mW로 DUV-LED(I) 칩의 구동 전류보다 66.49% 높았다. DUV-LED(IV) 인캡슐레이션 구조는 인캡슐레이션에 에어 갭이 존재하지 않아 DUV-LED에서 DUV 빛의 완전한 투과를 가능하게 하기 때문에 가장 높은 광 출력을 산출했습니다. PDMS 유체가 SiO2로 도핑되었을 때 DUV-LED(II), DUV-LED(III) 및 DUV(IV) 캡슐화에 대한 광 출력도 결정되었습니다. NP(그림 3f). DUV-LED(I) 구조는 PDMS 유체를 포함하지 않았기 때문에 비교에 포함되지 않았습니다. NP의 중량 백분율 농도(%)는 0, 0.1, 0.2 및 0.3 wt%로 설정하였다. DUV-LED(IV) 칩의 구동전류가 200mA일 때 광출력은 70.04, 74.32, 80.58, 77.44 mW였다. 따라서 SiO₂ 0.2 wt%의 NP 도핑 농도가 가장 높은 LEE를 나타냈다. SiO₂로 PDMS 유체 도핑 NP는 산란광의 양을 증가시켰지만 TIR의 양은 감소시켰다. 0.2 wt% SiO₂로 도핑 NP는 0 wt% SiO₂로 도핑하는 것보다 15% 더 높은 LEE를 생성했습니다. NP. DUV-LED(I)와 비교하여 LEE는 200 mA의 구동 전류에서 81.45% 더 높았다. DUV-LED 캡슐화는 그림 3에 요약된 제조 방법을 사용하여 수행되었습니다. 표 2는 0.2wt% SiO2 NPs에서 PDMS 유체 도핑이 있는 DUV-LED(IV)의 200 mA 구동 전류에서 작동 이미지를 보여줍니다. 그림 4는 SiO₂를 포함하는 DUV-LED(I)와 DUV-LED(IV)의 평균 인터페이스 온도를 비교한 것입니다. 다른 구동 전류에서 NP가 도핑된 PDMS 유체. 구동 전류가 200mA일 때 DUV-LED(IV) 소자의 계면 온도는 DUV-LED(I) 소자보다 4 °C 낮아져 봉지 구조가 열 온도를 효과적으로 약화시키는 것으로 나타났다. 표 2는 적외선 열화상 카메라(ChingHsing Co. Ltd., Taipei, Taiwan)를 사용하여 얻은 DUV-LED(I) 및 DUV-LED(IV)의 온도 맵을 보여줍니다. 140 mA의 구동 전류에서 DUV-LED(IV)는 DUV-LED(I)보다 작동 온도가 더 낮았다. PDMS 유체가 없는 DUV-LED(I)의 경우 칩 표면의 온도가 가장 높았습니다. 그림 4 및 표 2의 결과는 SiO₂로 도핑된 PDMS 유체의 캡슐화 구조를 나타냅니다. NP는 우수한 방열 능력을 가지고 있습니다.

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DUV-LED(I) 및 DUV-LED(IV)의 평균 표면 온도 의존성

결론

이 논문은 SiO₂로 PDMS 유체를 도핑하여 DUV-LED의 LEE를 개선하기 위한 새로운 캡슐화 방법을 제안합니다. NP. SiO₂를 사용하여 상당히 높은 광 출력을 달성했습니다. NP 도핑된 PDMS 유체 캡슐화 구조. 특히, PDMS 유체가 0.2wt% SiO₂로 도핑된 경우 광 출력 전력이 81.45% 더 높았습니다. NP는 공기가 아닌 공동에 배치되었습니다. 이러한 향상은 SiO₂의 추가로 인한 PDMS 유체의 감소된 TIR 및 추가 광산란에 기인합니다. NP. 평균 인터페이스 온도는 200 mA의 구동 전류에서 4 °C 낮았습니다. 제안된 아키텍처는 소형이며 미래에 높은 LEE AlGaN 기반 DUV-LED를 제작할 수 있습니다.

데이터 및 자료의 가용성

해당 없음

약어

DUV-LED:: 심자외선 발광 다이오드
NP:: 나노입자
PDMS:: 폴리디메틸실록산

용량과 수명이 향상된 리튬 이온 배터리용 MOF 파생 ZnSe/N-도핑 탄소 복합재 광촉매를 위한 단층 인-탄소 나노튜브 이종구조:밀도 기능 이론에 의한 분석

나노물질