Panduan Cahaya Optimalisasi Ketebalan Lapisan untuk Peningkatan Efisiensi Ekstraksi Cahaya Ultraviolet Light–Emitting Diodes
Abstrak
Pertimbangkan machinability material dan lattice mismatch sapphire sebagai substrat untuk dioda pemancar cahaya ultraviolet-C (LED UV-C) yang umum digunakan, tetapi indeks biasnya yang tinggi dapat menghasilkan pantulan internal total (TIR) cahaya di mana sebagian cahaya diserap , oleh karena itu menyebabkan pengurangan efisiensi ekstraksi cahaya (LEE). Dalam penelitian ini, kami mengusulkan metode untuk mengoptimalkan ketebalan lapisan pemandu cahaya substrat safir melalui desain optik orde pertama yang menggunakan perangkat lunak simulasi optik Ansys SPEOS untuk mensimulasikan dan mengevaluasi efisiensi ekstraksi cahaya. Wafer LED UV-C AlGaN dengan ketebalan lapisan pemandu cahaya 150–700 μm digunakan. Simulasi dilanjutkan di bawah panjang gelombang tengah 275 nm untuk menentukan desain ketebalan optimal dari lapisan pemandu cahaya. Terakhir, hasil eksperimen menunjukkan bahwa ketebalan lapisan pemandu cahaya awal 150 m menghasilkan daya keluaran referensi 13,53 mW, dan peningkatan ketebalan 600 um menghasilkan daya keluaran 20,58 mW. LEE dapat ditingkatkan 1,52 kali melalui optimasi ketebalan lapisan pemandu cahaya. Kami mengusulkan metode untuk mengoptimalkan ketebalan lapisan pemandu cahaya substrat safir melalui desain optik orde pertama. Wafer LED UV-C AlGaN dengan ketebalan lapisan pemandu cahaya 150–700 μm digunakan. Terakhir, hasil eksperimen menunjukkan bahwa LEE dapat ditingkatkan 1,52 kali lipat melalui optimasi ketebalan lapisan pemandu cahaya.
Pengantar
Pandemi COVID-19 telah menyebabkan peningkatan angka kematian global. Meskipun lampu merkuri ultraviolet (UV)-C tradisional dapat disterilkan, kandungan merkurinya, panjang gelombang spektral terdispersi, bulkiness, dan masa pakai yang pendek membatasi penerapannya. Dioda pemancar cahaya (LED) UV-C ramah lingkungan, bebas merkuri, dan tidak menimbulkan polusi. Panjang gelombang sterilisasi terkonsentrasi antara 260 dan 280 nm. Karena sumber cahayanya kecil dan memiliki masa pakai yang lama, secara bertahap menggantikan lampu merkuri UV-C sebagai sumber cahaya sterilisasi utama. Sinar UV menghancurkan struktur DNA atau RNA bakteri dan telah banyak digunakan untuk dekontaminasi permukaan, udara, dan air. Gelombang UV-C antara 260 dan 280 nm memiliki efek bakterisida terbesar, mencegah regenerasi sel mikroba untuk mencapai desinfeksi dan sterilisasi [1,2,3]. Studi telah mendokumentasikan penggunaan luas LED UV-C dalam fototerapi medis dan dalam desinfeksi dan sterilisasi air, makanan, dan obat-obatan untuk konsumsi yang aman [4,5,6,7]. Lampu UV merkuri tradisional dirugikan oleh waktu pemanasan yang lama, masa pakai yang singkat, risiko meledak, dan pencemaran lingkungan; LED UV-C lebih unggul dalam semua aspek yang disebutkan di atas [8,9,10]. Rentang panjang gelombang UV-C adalah 100–280 nm, dan panjang gelombang LED UV-C berada di antara 260 dan 280 nm. Karena panjang gelombang emisi LED lebih terkonsentrasi, efisiensi sterilisasi dan keandalan jangka panjangnya juga lebih baik daripada lampu UV merkuri [11, 12]. Namun, efisiensi kuantum eksternal (EQE) dan efisiensi ekstraksi cahaya (LEE) LED UV-C yang buruk harus ditingkatkan. Rendahnya EQE dan LEE LED UV-C berbasis AlGaN disebabkan oleh kebocoran elektron dan refleksi internal total (TIR), yang menyebabkan foton diserap oleh substrat safir dan material pada lapisan kontak p-GaN [13,14] ,15].
Pendekatan menuju peningkatan LEE telah melibatkan penggunaan substrat safir berpola nano sebagai substrat untuk pembuatan LED UV-C. Pertumbuhan substrat safir berpola campuran LED berbasis InGaN pada skala mikro dan skala nano diusulkan oleh Wen Cheng Ke et al. , yang memungkinkan LED untuk menanamkan lubang nano di substrat safir berpola mikro untuk meningkatkan karakteristik fotolistriknya [16]. Phillip Manley dkk. menggunakan substrat safir berpola nano dalam LED UV (DUV) dalam, memverifikasi efek struktur berpola nano tersebut pada LEE safir [17].
Shao Hua Huang dkk. menggunakan etsa basah dari struktur flip-chip untuk memodifikasi substrat safir dan memberikan tekstur bevel, meningkatkan LEE dari LED nitrida [18]. Dong Yeong Kim mengusulkan cermin mikro GaN tipe-n dengan penghalang kemiringan berlapis Al yang disebut LED DUV yang ditingkatkan emisi dinding samping untuk meningkatkan LEE polarisasi magnetik transversal [19].
Beberapa ahli telah mengusulkan untuk mengubah jalur cahaya untuk meningkatkan LEE melalui desain lensa sekunder. Misalnya, Renli Liang dkk. menggunakan susunan nanolens untuk meningkatkan LEE LED DUV melalui teknologi litografi dan etsa basah. Bin Xie dkk. mengusulkan lensa bentuk bebas dengan film peningkatan kecerahan untuk meningkatkan kinerja keseluruhan dari lampu latar LED yang disinari langsung [20, 21]. LED UV-C dan karakteristiknya terkait dengan penyerapan bahan organik mempengaruhi pilihan bahan kemasan. Nagasawa dan Hirano mempromosikan penggunaan butil vinil eter tipe-p dengan struktur ujung trifluorometil pada substrat AlGaN sebagai bahan yang dienkapsulasi untuk meningkatkan LEE [22]. Di bawah iradiasi DUV jangka panjang, bahan organik mengalami disosiasi dan penghancuran molekul yang parah. Untuk mempromosikan ekstraksi cahaya yang lebih efisien dan andal, diperlukan bahan dengan ketahanan tinggi terhadap sinar UV atau bahan anorganik. Kedap udara dari sebuah paket juga merupakan faktor kunci untuk mengevaluasi kemampuan pengemasan [23, 24]. Untuk memperhitungkan penetrasi tinggi dan keandalan jangka panjang, kaca kuarsa sering digunakan sebagai bahan kemasan untuk LED UV. Ketika rongga berlubang, pantulan antarmuka yang tinggi mengurangi LEE; rongga dapat diisi dengan lem cair atau organik dengan indeks bias rendah untuk peningkatan LEE. Dalam hal ini, Chieh-Yu Kang mengusulkan tipe baru struktur kemasan cair LED DUV yang dapat mencapai peningkatan LEE. Chien Chun Lu mendemonstrasikan LEE LED UV-C yang lebih tinggi dan lebih andal dengan paket kedap udara berbasis kuarsa [25, 26].
Bahan kemasan yang berbeda seperti cairan polydimethylsiloxane (PDMS) yang didoping dengan SiO2 nanopartikel dapat meningkatkan LEE LED UV. Zhi Ting Ye mengusulkan cairan PDMS yang didoping nanopartikel meningkatkan kinerja optik LED DUV berbasis AlGaN [27]. Yang Peng menggunakan bahan enkapsulasi ini yang didoping dengan fluoropolimer pada substrat aluminium nitrida untuk meningkatkan LEE dari struktur enkapsulasi chip-on-board [28]. Joosun Yun dan Hideki Hirayama mengusulkan struktur wafer yang berbeda dalam studi perbandingan dengan enam struktur flip-chip yang berbeda, memperoleh permukaan meta AlGaN untuk LEE yang lebih baik [29].
Perlu juga disebutkan bahwa manajemen foton telah ditunjukkan sebagai cara yang efisien untuk mengekstrak dan memanen cahaya dan telah banyak digunakan dalam berbagai perangkat optoelektronik, termasuk fotodetektor dan sel kimia fotoelektron [30,31,32,33], sel surya [34, 35], dan dioda pemancar cahaya mikro dalam teknologi tampilan [36].
Penelitian penyempurnaan LED UV-C belum menguji efek ketebalan lapisan pemandu cahaya pada LEE. Ketika safir digunakan sebagai bahan lapisan pemandu cahaya, tingkat penyerapannya relatif rendah pada pita panjang gelombang biru umum 450 nm tetapi relatif tinggi pada pita panjang gelombang UV-C LED 260–280 nm, yang menunjukkan pengaruh ketebalan pada LEE. Oleh karena itu, dalam makalah ini, nilai optimal untuk ketebalan lapisan pemandu cahaya untuk LEE LED UV-C diusulkan.
Metode
Fenomena TIR di Lapisan Panduan Cahaya
TIR adalah fenomena optik dimana indeks bias berubah ketika cahaya memasuki media yang berbeda. Ketika sudut datang kurang dari sudut kritis, cahaya dibagi menjadi dua bagian; satu bagian cahaya dipantulkan dan bagian lainnya dibiaskan. Sebaliknya, ketika sudut datang lebih besar dari sudut kritis, semua cahaya dipantulkan secara internal tanpa pembiasan. Indeks bias medium internal adalah n1 , dan indeks bias medium luar adalah n2 . Sudut kritis θc dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan. (1). Ketika n1 adalah 1,788, sudut kritis θc TIR adalah 34.136°, seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 1. Kerucut segitiga merah mewakili area refleksi non-total yang dapat menembus lapisan pemandu cahaya dan kemudian keluar darinya, dan area cyan yang tersisa adalah area TIR, di mana cahaya memantul dan diserap oleh material, mengurangi LEE.
Refleksi total di dalam lapisan pemandu cahaya. a Sketsa diagram datar dan b sketsa diagram tiga dimensi
Ketika panjang L dan lebar L lapisan pemandu cahaya tetap, ketebalan lapisan pemandu cahaya HLG mempengaruhi daerah TIR. Seperti yang digambarkan pada Gambar. 2, cahaya keluar dari lapisan pemancar cahaya ke lapisan pemandu cahaya dan dengan demikian, fenomena TIR tidak terjadi di area oranye. Jika sudut datang melebihi area ini, TIR terjadi di area cyan pada Gambar 2. Lebar area ini dapat didefinisikan sebagai TW , seperti yang diungkapkan dalam Persamaan. (2).
Skema fenomena UV-C LED TIR
$${T}_{W}=\mathrm{tan}({\mathrm{sin}}^{-1}\frac{{n}_{2}}{{n}_{1}})\ kali {H}_{LG}$$ (2)
Simulasi dan Optimalisasi Ketebalan Lapisan Panduan Cahaya untuk Meningkatkan LEE LED UV-C
Kami menggunakan perangkat lunak menggambar 3D Solidwork dan perangkat lunak simulasi optik Ansys SPEOS untuk membangun sistem optik dan untuk mensimulasikan serta mengoptimalkan efek ketebalan lapisan pemandu cahaya pada LEE menggunakan desain optik orde pertama. Dengan Al2 O3 bertindak sebagai bahan lapisan pemandu cahaya, kami memodifikasi ketebalan untuk mengurangi masalah penyerapan yang disebabkan oleh TIR.
Panjang gelombang chip LED UV-C adalah 275 nm, panjangnya L 1,524 mm, dan lebar L adalah 1,524 mm, seperti yang disajikan pada Gambar. 3.
a Diagram struktural chip LED UV-C, dan b diagram parameter simulasi chip LED UV-C yang disederhanakan
Lapisan panduan cahaya terdiri dari Al2 O3 , indeks bias NLGL adalah 1,782, dan ketebalan lapisan pemandu cahaya (HLG ) intervalnya adalah 150–700 μm. Lapisan pemancar cahaya (LEL) memiliki ketebalan HLE 1,5 μm, permukaan atas lapisan adalah permukaan yang memancarkan cahaya, permukaan bawah adalah lapisan yang menyerap sebagian dan sebagian memantulkan cahaya, dan ketebalan elektroda LED UV-C Hpd adalah 1,5 μm; bahan diatur untuk menyerap sebagian dan memantulkan sebagian. Gambar 3a mengilustrasikan struktur chip LED UV-C, dan Gambar 3b adalah diagram simulasi chip yang disederhanakan. Pengaturan parameter tercantum dalam Tabel 1.
Gambar 4a menampilkan skema struktur tiga dimensi LED UV-C, dan Gambar 4b adalah skema jejak cahaya dari simulasi permukaan pemancar cahaya.
Struktur LED UV-C; a struktur tiga dimensi dari simulasi LED UV-C, dan b diagram simulasi jejak cahaya
Studi ini menganalisis efek ketebalan pemandu cahaya dari 150–700 m pada LEE; fluks radiasi masukan yang disimulasikan adalah 1 W, dan hasil simulasi disajikan pada Gambar. 5. Ketika ketebalan pemandu cahaya adalah 150 μm, fluks radiasi relatif adalah 0,41 W, dan ketika ketebalan pemandu cahaya ditingkatkan, LEE meningkat pada gilirannya. Pada ketebalan pemandu cahaya 600 m, fluks pancaran adalah 0,62 W, peningkatan 1,512 kali lipat. Menurut hasil simulasi, jika ketebalan semakin meningkat, LEE mendekati saturasi dan tidak meningkat. Ketika ketebalan lapisan pemandu cahaya adalah 700 μm, efisiensinya hanya 2,2% lebih tinggi dibandingkan dengan lapisan pada 600 μm, seperti yang disajikan pada Gambar. 5.
Diagram LEE dari panduan lampu LED UV-C yang disimulasikan dengan ketebalan 150–700 μm
Tabel 2 menunjukkan keluaran fluks pancaran relatif dan perbesarannya ketika masukan fluks pancaran yang disimulasikan adalah 1 W. Lapisan pemandu cahaya dengan ketebalan 600 μm mencapai LEE, perbesaran, dan stabilitas pemrosesan terbaik; namun, pada 700 μm, hal ini mengakibatkan kesulitan pemrosesan dan pemotongan dan akibatnya menurunkan hasil.
Kami mengusulkan optimasi ketebalan lapisan pemandu cahaya untuk peningkatan LEE dibandingkan dengan metode substrat safir berpola nano, keunggulan metode ini tidak perlu melalui proses etsa dan emboss.
Hasil dan Diskusi
Gambar 6 mengilustrasikan prototipe LED UV-C dengan ketebalan lapisan pemandu cahaya yang berbeda (HLG ). Gambar 6a menunjukkan HLG nilai 150 μm, parameter ketebalan yang biasa digunakan dalam setelan industri yang berfungsi sebagai pengukuran referensi untuk eksperimen ini. Gambar 6e menunjukkan HLG 600 μm, yang merupakan ketebalan optimal untuk LEE yang ditingkatkan. Dalam proses manufaktur industri, peningkatan ketebalan lapisan pemandu cahaya akan menyebabkan kesulitan dalam pemotongan dan menyebabkan masalah pemisahan. Ketika ketebalan lapisan pemandu cahaya adalah 600um, itu telah mencapai batas ketebalan pemrosesan di industri.
Tampilan samping sampel LED UV-C asli dengan ketebalan lapisan pemandu cahaya (HLG ) dari a 150, b 300, c 400, h 500, e 600, dan f 700 μm
Tabel 3 mencantumkan fluks pancaran relatif dari ketebalan lapisan pemandu cahaya yang berbeda (HLG ). Dengan HLG 600 μm, fluks radiasi 1,52 kali lebih tinggi dibandingkan dengan ketebalan 150 μm. Gambar 7 mengilustrasikan simulasi prototipe LED UV-C dan tren pertumbuhan LEE terukur dengan ketebalan lapisan pemandu cahaya yang berbeda (150–700 μm); di HLG 700 m, laju pertumbuhannya tidak lagi terlihat jelas dan mendekati kejenuhan. Hasil simulasi serupa dengan yang ada di uji sampel sebenarnya.
Membandingkan waktu peningkatan LEE yang disimulasikan dan diukur dari LED UV-C dengan ketebalan lapisan pemandu cahaya 150–700 um
Tabel 4 merinci efek dari LED UV-C yang disimulasikan pada LEE di bawah ketebalan lapisan pemandu cahaya yang berbeda; Ketika ketebalan pemandu cahaya adalah 150 m, fluks pancaran relatif adalah 13,53 mW, dan ketika ketebalan pemandu cahaya ditingkatkan, LEE meningkat pada gilirannya. Pada ketebalan pemandu cahaya 600 m, fluks radiasi adalah 20,58 mW, peningkatan 1,521 kali lipat. Membandingkan perbedaan antara simulasi dan pengukuran menunjukkan bahwa hasilnya serupa dengan pengujian sampel yang sebenarnya.
Kesimpulan
Makalah ini mengusulkan desain optik orde pertama menggunakan Al2 O3 sebagai lapisan pemandu cahaya untuk mengurangi penyerapan yang disebabkan oleh TIR dan mengoptimalkan LEE LED UV-C. Efek lapisan pemandu cahaya dengan ketebalan berbeda pada LEE LED UV-C disimulasikan dan dianalisis menggunakan perangkat lunak simulasi optik SPEOS. Dibandingkan dengan ketebalan lapisan standar 150 μm, ketebalan 600 m yang dioptimalkan menghasilkan peningkatan LEE 1,52 kali lipat. LEE LED UV-C yang ditingkatkan ini bermanfaat untuk penggunaan LED semacam itu dalam sistem sterilisasi dan aplikasi masa depan lainnya.
Tersedia data dan materi
Kumpulan data yang mendukung kesimpulan artikel ini tersedia di artikel.
