Optimasi Ketebalan Lapisan Pandu Cahaya Safir untuk Meningkatkan Efisiensi Ekstraksi Cahaya UV-LED
Abstrak
Pertimbangkan kemudahan pemrosesan bahan dan ketidakcocokan jaring kristal, safir sebagai substrat untuk dioda penerbit cahaya ultraviolet-C (UV-C LED) sering digunakan, tetapi indeks bias yang tinggi dapat menghasilkan refleksi internal total (TIR) cahaya yang mengakibatkan beberapa cahaya diserap, sehingga mengurangi efisiensi ekstraksi cahaya (LEE). Dalam studi ini, kami mengusulkan metode untuk mengoptimalkan ketebalan lapisan pandu cahaya substrat safir melalui desain optik orde pertama yang menggunakan perangkat lunak simulasi optik Ansys SPEOS untuk mensimulasikan dan mengevaluasi efisiensi ekstraksi cahaya. Wafer AlGaN UV-C LED dengan ketebalan lapisan pandu cahaya 150–700 μm digunakan. Simulasi dilakukan pada panjang gelombang sentral 275 nm untuk menentukan desain ketebalan optimal lapisan pandu cahaya. Akhirnya, hasil eksperimen menunjukkan bahwa ketebalan lapisan pandu cahaya awal 150 μm dengan daya keluaran referensi 13,53 mW, dan peningkatan ketebalan menjadi 600 μm menghasilkan daya keluaran 20,58 mW. LEE dapat ditingkatkan 1,52 kali melalui optimasi ketebalan lapisan pandu cahaya. Kami mengusulkan metode untuk mengoptimalkan ketebalan lapisan pandu cahaya substrat safir melalui desain optik orde pertama. Wafer AlGaN UV-C LED dengan ketebalan lapisan pandu cahaya 150–700 μm digunakan. Akhirnya, hasil eksperimen menunjukkan bahwa LEE dapat ditingkatkan 1,52 kali melalui optimasi ketebalan lapisan pandu cahaya.
Pendahuluan
Pandemi COVID-19 telah menyebabkan peningkatan tingkat mortalitas global. Meskipun lampu merkuri ultraviolet (UV)-C tradisional dapat digunakan untuk sterilisasi, kandungan merkuri, panjang gelombang spektrum yang terpencil, ukuran besar, dan umur pendek membatasi penerapannya. Dioda penerbit cahaya ultraviolet-C (LED) ramah lingkungan, bebas merkuri, dan tidak mencemari. Panjang gelombang sterilisasi berkonsentrasi antara 260 dan 280 nm. Karena sumber cahaya kecil dan memiliki umur panjang, telah secara bertahap menggantikan lampu merkuri UV-C sebagai sumber cahaya sterilisasi utama. Cahaya UV merusak struktur DNA atau RNA bakteri dan telah banyak digunakan untuk membersihkan permukaan, udara, dan air. Pita 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 desinfeksi serta sterilisasi air, makanan, dan obat untuk konsumsi yang aman [4,5,6,7]. Lampu merkuri UV tradisional memiliki kelemahan waktu panas panjang, umur pendek, 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 jatuh antara 260 dan 280 nm. Karena panjang gelombang emisi LED lebih berkonsentrasi, efisiensi sterilisasi dan keandalan jangka panjangnya juga lebih baik dari lampu merkuri UV [11, 12]. Namun, efisiensi kuantum eksternal (EQE) dan efisiensi ekstraksi cahaya (LEE) yang buruk dari LED UV-C harus ditingkatkan. EQE dan LEE yang rendah dari LED UV-C berbasis AlGaN disebabkan oleh kebocoran elektron dan refleksi internal total (TIR), yang menyebabkan foton diserap oleh substrat safir dan bahan dalam lapisan kontak p-GaN [13,14,15].
Pendekatan untuk perbaikan LEE melibatkan penggunaan substrat safir berpolan nano sebagai substrat untuk pembuatan LED UV-C. Pertumbuhan substrat safir berpolan campuran berbasis InGaN pada skala mikron dan nano diajukan oleh Wen Cheng Ke et al., yang memungkinkan LED menyematkan lubang nano dalam substrat safir berpolan mikro untuk meningkatkan karakteristik fotoelektriknya [16]. PhillipManley et al. menggunakan substrat safir berpolan nano dalam LED UV dalam (DUV), memverifikasi efek struktur berpolan nano tersebut pada LEE safir [17].
Shao Hua Huang et al. menggunakan etching basah dari struktur flip-chip untuk memodifikasi substrat safir dan memberikan tekstur sisi miring, meningkatkan LEE LED nitrida [18]. Dong Yeong Kim mengusulkan mikrocermin n-type GaN dengan penghalang lereng yang dilapisi Al yang disebut LED DUV emisi sisi yang ditingkatkan polarisasi magnetik lintang untuk meningkatkan LEE [19].
Beberapa pakar telah mengusulkan mengubah jalur cahaya untuk meningkatkan LEE melalui desain lensa sekunder. Misalnya, Renli Liang et al. menggunakan array lensa nano untuk meningkatkan LEE LED DUV melalui teknologi litografi dan etching basah. Bin Xie et al. mengusulkan lensa bebas bentuk dengan film peningkatan kecerahan untuk meningkatkan performa keseluruhan backlight LED penerangan langsung [20, 21]. LED UV-C dan karakteristik terkait absorpsi bahan organik mempengaruhi pilihan bahan kemasan. Nagasawa dan Hirano mendorong penggunaan etil vinil eter tipe p dengan struktur akhir trifluorometil pada substrat AlGaN sebagai bahan kapsulasi untuk meningkatkan LEE [22]. Di bawah iradiasi DUV jangka panjang, bahan organik mengalami disosiasi molekuler yang parah dan kerusakan. Untuk mendorong ekstraksi cahaya yang lebih efisien dan andal, bahan dengan resistensi tinggi terhadap cahaya UV atau bahan anorganik diperlukan. Kedap udara kemasan juga merupakan faktor kunci untuk mengevaluasi kemampuan kemasan [23, 24]. Untuk mempertimbangkan penetrasi yang tinggi dan keandalan jangka panjang, kaca kuarsa sering digunakan sebagai bahan kemasan untuk LED UV. Ketika ruang kosong, refleksi antarmuka tinggi mengurangi LEE; ruang kosong dapat diisi dengan cairan atau lem organik dengan indeks bias rendah untuk peningkatan LEE. Dalam hal ini, Chieh-Yu Kang mengusulkan struktur kemasan cair LED DUV baru yang dapat mencapai peningkatan LEE. Chien Chun Lu menunjukkan LEE yang lebih tinggi dan lebih andal dari LED UV-C dengan kemasan kedap udara berbasis kaca kuarsa [25, 26].
Bahan kemasan yang berbeda seperti cairan polydimethylsiloxane (PDMS) yang doti dengan nanopartikel SiO2 dapat meningkatkan LEE LED UV. Zhi Ting Ye mengusulkan cairan PDMS yang doti nanopartikel meningkatkan kinerja optik LED DUV berbasis AlGaN [27]. Yang Peng menggunakan bahan kapsulasi ini yang doti dengan fluoropolimer pada substrat aluminum nitrida untuk meningkatkan LEE struktur kapsulasi 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 meta-permukaan AlGaN untuk LEE yang ditingkatkan [29].
Penting juga untuk disebutkan bahwa manajemen foton telah terbukti sebagai cara yang efisien untuk mengekstraksi dan memanen cahaya dan telah banyak digunakan dalam berbagai perangkat optoelektronik, termasuk detektor cahaya dan sel fotoelektro kimia [30,31,32,33], sel surya [34, 35], dan Micro-LED dalam teknologi tampilan [36].
Penelitian dalam pengembangan LED UV-C belum memeriksa efek ketebalan lapisan pandu cahaya pada LEE. Ketika safir digunakan sebagai bahan lapisan pandu cahaya, tingkat absorpsi relatif rendah pada pita cahaya biru umum 450 nm tetapi relatif tinggi pada pita panjang gelombang LED UV-C 260–280 nm, menunjukkan pengaruh ketebalan pada LEE. Oleh karena itu, dalam makalah ini, nilai optimal untuk ketebalan lapisan pandu cahaya untuk LEE LED UV-C diusulkan.
Metode
Fenomena TIR dalam Lapisan Pandu Cahaya
TIR adalah fenomena optik di mana indeks bias berubah ketika cahaya memasuki media yang berbeda. Ketika sudut insiden lebih kecil dari sudut kritis, cahaya terbagi menjadi dua bagian; satu bagian cahaya dipantulkan dan bagian lain dibias. Sebaliknya, ketika sudut insiden lebih besar dari sudut kritis, semua cahaya dipantulkan secara internal tanpa bias. Indeks bias media internal adalah n1, dan indeks bias media eksternal adalah n2. Sudut kritis θc dapat dihitung menggunakan Eq. (1). Ketika n1 adalah 1,788, sudut kritis θc dari TIR adalah 34,136°, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1. Kerucut segitiga merah mewakili wilayah non-refleksi total yang dapat menembus lapisan pandu cahaya dan kemudian keluar darinya, dan wilayah sisa berwarna biru muda adalah wilayah TIR, di mana cahaya memantul dan diserap oleh bahan, mengurangi LEE.
Refleksi total di dalam lapisan pandu cahaya. a Sketsa diagram datar dan b sketsa diagram tiga dimensi
Ketika panjang L dan lebar W lapisan pandu cahaya tetap, ketebalan lapisan pandu cahaya HLG mempengaruhi wilayah TIR. Seperti yang digambarkan pada Gambar 2, cahaya keluar dari lapisan penerbit cahaya ke dalam lapisan pandu cahaya dan oleh karena itu, fenomena TIR tidak terjadi di wilayah oranye. Jika sudut insiden melebihi wilayah ini, TIR terjadi di wilayah biru muda pada Gambar 2. Lebar wilayah ini dapat didefinisikan sebagai TW, seperti yang dinyatakan dalam Eq. (2).
Simulasi dan Optimasi Ketebalan Lapisan Pandu Cahaya untuk Meningkatkan LEE LED UV-C
Kami menggunakan perangkat lunak gambar 3D Solidwork dan perangkat lunak simulasi optik Ansys SPEOS untuk membangun sistem optik dan mensimulasikan serta mengoptimalkan efek ketebalan lapisan pandu cahaya pada LEE menggunakan desain optik orde pertama. Dengan Al2O3 sebagai bahan lapisan pandu cahaya, kami memodifikasi ketebalan untuk mengurangi masalah absorpsi yang disebabkan oleh TIR.
Panjang gelombang chip LED UV-C adalah 275 nm, panjang L 1,524 mm, dan lebar W adalah 1,524 mm, seperti yang ditampilkan pada Gambar 3.
a Diagram struktur chip LED UV-C, dan b diagram parameter yang disederhanakan simulasi chip LED UV-C
Lapisan pandu cahaya terdiri dari Al2O3, indeks bias NLGL adalah 1,782, dan interval ketebalan lapisan pandu cahaya (HLG) adalah 150–700 μm. Lapisan penerbit cahaya (LEL) memiliki ketebalan HLE 1,5 μm, permukaan atas lapisan adalah permukaan penerbit cahaya, permukaan bawah adalah lapisan yang sebagian menyerap dan sebagian memantulkan, dan ketebalan elektrode LED UV-C Hpd adalah 1,5 μm; bahan diatur untuk sebagian menyerap dan sebagian memantulkan. Gambar 3a menggambarkan struktur chip LED UV-C, dan Gambar 3b adalah diagram simulasi yang disederhanakan dari chip. Pengaturan parameter tercantum dalam Tabel 1.
Gambar 4a menunjukkan skematis struktur tiga dimensi LED UV-C, dan Gambar 4b adalah skematis jejak cahaya dari simulasi permukaan penerbit cahaya.
Struktur LED UV-C; a struktur tiga dimensi simulasi LED UV-C, dan b diagram simulasi jejak cahaya
Studi ini menganalisis efek ketebalan lapisan pandu dari 150–700 μm pada LEE; flux radiasi masukan simulasi adalah 1 W, dan hasil simulasi ditampilkan pada Gambar 5. Ketika ketebalan lapisan pandu adalah 150 μm, flux radiasi relatif adalah 0,41 W, dan ketika ketebalan lapisan pandu ditingkatkan, LEE meningkat secara bertahap. Pada ketebalan lapisan pandu 600 μm, flux radiasi adalah 0,62 W, peningkatan 1,512 kali. Menurut hasil simulasi, jika ketebalan ditingkatkan lebih lanjut, LEE mendekati saturasi dan tidak meningkat. Ketika ketebalan lapisan pandu cahaya adalah 700 μm, efisiensi hanya 2,2% lebih tinggi daripada lapisan pada 600 μm, seperti yang ditampilkan pada Gambar 5.
Diagram LEE dari simulasi lapisan pandu cahaya LED UV-C dengan ketebalan 150–700 μm
Tabel 2 menunjukkan flux radiasi relatif keluaran dan perkaliannya ketika flux radiasi masukan simulasi adalah 1 W. Lapisan pandu cahaya dengan ketebalan 600 μm mencapai LEE terbaik, perkalian, dan stabilitas pemrosesan; namun, pada 700 μm, menghasilkan kesulitan pemrosesan dan pemotongan dan konsekuensi penurunan hasil produksi.
Kami mengusulkan optimasi ketebalan lapisan pandu cahaya untuk peningkatan LEE dibandingkan dengan metode substrat safir berpolan nano, keuntungan metode ini tidak perlu melalui proses etching dan embossing.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 6 ilustrasi prototipe LED UV-C dengan berbagai ketebalan lapisan pandu cahaya (HLG). Gambar 6a menunjukkan nilai HLG 150 μm, parameter ketebalan yang sering digunakan dalam pengaturan industri yang berfungsi sebagai pengukuran referensi untuk eksperimen ini. Gambar 6e menunjukkan HLG 600 μm, yang merupakan ketebalan optimal untuk peningkatan LEE. Dalam proses manufaktur industri, peningkatan ketebalan lapisan pandu cahaya akan menyebabkan kesulitan pemotongan dan menyebabkan masalah pecah. Ketika ketebalan lapisan pandu cahaya adalah 600 μm, telah mencapai batas ketebalan pemrosesan dalam industri.
Tampilan samping sampel LED UV-C nyata dengan ketebalan lapisan pandu cahaya (HLG) a 150, b 300, c 400, d 500, e 600, dan f 700 μm
Tabel 3 mencantumkan flux radiasi relatif dari berbagai ketebalan lapisan pandu cahaya (HLG). Dengan HLG 600 μm, flux radiasi 1,52 kali lebih tinggi dibandingkan dengan ketebalan 150 μm. Gambar 7 ilustrasi tren pertumbuhan simulasi dan ukuran LEE prototipe LED UV-C dengan berbagai ketebalan lapisan pandu cahaya (150–700 μm); pada HLG 700 μm, laju pertumbuhan tidak lagi jelas dan telah mendekati saturasi. Hasil simulasi serupa dengan yang ada dalam tes sampel sebenarnya.
Perbandingan LEE yang ditingkatkan simulasi dan pengukuran LED UV-C dengan ketebalan lapisan pandu cahaya 150–700 μm
Tabel 4 mendetail efek simulasi LED UV-C pada LEE di bawah berbagai ketebalan lapisan pandu cahaya; Ketika ketebalan lapisan pandu adalah 150 μm, flux radiasi relatif adalah 13,53 mW, dan ketika ketebalan lapisan pandu ditingkatkan, LEE meningkat secara bertahap. Pada ketebalan lapisan pandu 600 μm, flux radiasi adalah 20,58 mW, peningkatan 1,521 kali. Membandingkan perbedaan antara simulasi dan pengukuran menunjukkan bahwa hasilnya serupa dengan yang ada dalam tes sampel sebenarnya.
Kesimpulan
Makalah ini mengusulkan desain optik orde pertama menggunakan bahan Al2O3 sebagai lapisan pandu cahaya untuk mengurangi absorpsi yang disebabkan oleh TIR dan mengoptimalkan LEE LED UV-C. Efek lapisan pandu cahaya dengan berbagai ketebalan pada LEE LED UV-C disimulasikan dan dianalisis menggunakan perangkat lunak simulasi optik SPEOS. Dibandingkan dengan ketebalan lapisan standar 150 μm, ketebalan yang dioptimalkan 600 μm menghasilkan peningkatan LEE sebesar 1,52 kali. Peningkatan LEE LED UV-C ini bermanfaat untuk penggunaan LED tersebut dalam sistem sterilisasi dan aplikasi masa depan lainnya.
Ketersediaan Data dan Bahan
Dataset yang mendukung kesimpulan artikel ini tersedia dalam artikel.
