三维结构石英透镜提高DUV-LED的发光效率

深紫外LED（DUV-LED）具有环保无汞、寿命长、功耗低等优势，在杀菌消毒、生化检测、医疗健康等领域具有重要的应用价值。然而，由于光提取效率（LEE）的限制，DUV-LED出光效率较低（外量子效率不足10%），严重影响了DUV-LED的应用效能。此外，AlGaN基DUV-LED出光沿着垂直芯片表面的方向传播，导致大量光子需要从芯片侧壁提取，易被封装基板腔体（围坝）吸收，严重降低了DUV-LED封装的光提取效率。因此，增强DUV-LED侧壁光提取仍是一个挑战。

华中科技大学陈明祥教授团队（先进电子封装技术团队）和深圳信息职业技术学院王新中教授团队（信息技术研究所）合作，采用三维结构石英透镜封装DUV-LED，增强了DUV-LED的光提取能力，提高了DUV-LED器件的出光效率，三维结构石英透镜封装DUV-LED制备工艺流程如图1所示。通过建立三维石英透镜封装的DUV-LED光学模型，模拟分析了DUV-LED的输出光功率、输出光分布曲线、输出光能密度分布等；接着开展了DUV-LED三维结构石英透镜封装实验和性能测试。在140 mA下，与现有平面石英透镜封装相比，三维石英透镜封装使DUV-LED输出光功率提高了25.93%，且光输出角度提高到了153.2°。研究表明，采用三维结构石英透镜封装能够显著增强DUV-LED的侧壁光提取，为提高DUV-LED的出光效率开辟了新思路。

图1 三维结构石英透镜封装DUV-LED制备工艺流程

为了评价三维结构石英透镜对DUV-LED发光性能的影响，仿真模拟了三维石英透镜和平面石英透镜封装DUV-LED的侧壁发射和顶侧发射的输出光功率。结果表明，三维石英透镜可以更高效地提取DUV-LED侧壁发光，且2种结构的顶部发光提取非常接近。由于独特的三维透镜结构，DUV-LED侧壁发光可以通过三维石英透镜从封装体中逸出，达到近180°的发射，而平面石英透镜封装DUV-LED仅从封装体顶部提取发射，光输出角度较小。此外，在10～140 mA驱动电流下测量了2种封装结构DUV-LED的输出光功率，发现DUV-LED输出光功率均随着驱动电流的升高而增加，但三维石英透镜封装的DUV-LED输出光功率始终高于平面石英透镜封装DUV-LED。在驱动电流为140 mA时，三维石英透镜封装DUV-LED的平均输出光功率为12.76 mW，比平面石英透镜封装DUV-LED的10.13 mW提高了25.93%，这主要归因于三维石英透镜封装对DUV-LED芯片的侧壁光提取能力。

当驱动电流为40 mA时，三维石英透镜封装DUV-LED获得153.2°的光输出角，比平面石英透镜封装DUV-LED的光输出角（118.9°）大。三维石英透镜提取的侧壁辐射大多有较大的出光角，因此总是从DUV-LED侧面逸出，导致三维石英透镜封装结构获得了较大的光输出角。实际应用过程中，可通过增加反光杯来集中DUV-LED光束角度，以获得更高的辐照度，或者使用带腔体结构的自由曲面透镜直接调节DUV-LED光束角度。（彭洋 陈明祥）

原始文献：

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.