三維結(jié)構(gòu)石英透鏡提高DUV-LED的發(fā)光效率

深紫外LED（DUV-LED）具有環(huán)保無汞、壽命長、功耗低等優(yōu)勢，在殺菌消毒、生化檢測、醫(yī)療健康等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。然而，由于光提取效率（LEE）的限制，DUV-LED出光效率較低（外量子效率不足10%），嚴(yán)重影響了DUV-LED的應(yīng)用效能。此外，AlGaN基DUV-LED出光沿著垂直芯片表面的方向傳播，導(dǎo)致大量光子需要從芯片側(cè)壁提取，易被封裝基板腔體（圍壩）吸收，嚴(yán)重降低了DUV-LED封裝的光提取效率。因此，增強(qiáng)DUV-LED側(cè)壁光提取仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。

華中科技大學(xué)陳明祥教授團(tuán)隊(duì)（先進(jìn)電子封裝技術(shù)團(tuán)隊(duì)）和深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院王新中教授團(tuán)隊(duì)（信息技術(shù)研究所）合作，采用三維結(jié)構(gòu)石英透鏡封裝DUV-LED，增強(qiáng)了DUV-LED的光提取能力，提高了DUV-LED器件的出光效率，三維結(jié)構(gòu)石英透鏡封裝DUV-LED制備工藝流程如圖1所示。通過建立三維石英透鏡封裝的DUV-LED光學(xué)模型，模擬分析了DUV-LED的輸出光功率、輸出光分布曲線、輸出光能密度分布等；接著開展了DUV-LED三維結(jié)構(gòu)石英透鏡封裝實(shí)驗(yàn)和性能測試。在140 mA下，與現(xiàn)有平面石英透鏡封裝相比，三維石英透鏡封裝使DUV-LED輸出光功率提高了25.93%，且光輸出角度提高到了153.2°。研究表明，采用三維結(jié)構(gòu)石英透鏡封裝能夠顯著增強(qiáng)DUV-LED的側(cè)壁光提取，為提高DUV-LED的出光效率開辟了新思路。

圖1 三維結(jié)構(gòu)石英透鏡封裝DUV-LED制備工藝流程

為了評價(jià)三維結(jié)構(gòu)石英透鏡對DUV-LED發(fā)光性能的影響，仿真模擬了三維石英透鏡和平面石英透鏡封裝DUV-LED的側(cè)壁發(fā)射和頂側(cè)發(fā)射的輸出光功率。結(jié)果表明，三維石英透鏡可以更高效地提取DUV-LED側(cè)壁發(fā)光，且2種結(jié)構(gòu)的頂部發(fā)光提取非常接近。由于獨(dú)特的三維透鏡結(jié)構(gòu)，DUV-LED側(cè)壁發(fā)光可以通過三維石英透鏡從封裝體中逸出，達(dá)到近180°的發(fā)射，而平面石英透鏡封裝DUV-LED僅從封裝體頂部提取發(fā)射，光輸出角度較小。此外，在10～140 mA驅(qū)動(dòng)電流下測量了2種封裝結(jié)構(gòu)DUV-LED的輸出光功率，發(fā)現(xiàn)DUV-LED輸出光功率均隨著驅(qū)動(dòng)電流的升高而增加，但三維石英透鏡封裝的DUV-LED輸出光功率始終高于平面石英透鏡封裝DUV-LED。在驅(qū)動(dòng)電流為140 mA時(shí)，三維石英透鏡封裝DUV-LED的平均輸出光功率為12.76 mW，比平面石英透鏡封裝DUV-LED的10.13 mW提高了25.93%，這主要?dú)w因于三維石英透鏡封裝對DUV-LED芯片的側(cè)壁光提取能力。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流為40 mA時(shí)，三維石英透鏡封裝DUV-LED獲得153.2°的光輸出角，比平面石英透鏡封裝DUV-LED的光輸出角（118.9°）大。三維石英透鏡提取的側(cè)壁輻射大多有較大的出光角，因此總是從DUV-LED側(cè)面逸出，導(dǎo)致三維石英透鏡封裝結(jié)構(gòu)獲得了較大的光輸出角。實(shí)際應(yīng)用過程中，可通過增加反光杯來集中DUV-LED光束角度，以獲得更高的輻照度，或者使用帶腔體結(jié)構(gòu)的自由曲面透鏡直接調(diào)節(jié)DUV-LED光束角度。（彭洋 陳明祥）

原始文獻(xiàn)：

QIU J Y,PENG Y,MIN X H,et al.Enhanced light extraction of DUV LEDs by using a quartz lens with three-dimensional structure[J].IEEE Photonics Technology Letters,2021,33(24):1403-1406.