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项目介绍:

CINNO Research产业资讯,最近,科学家报道可以通过在发光二极管(LED)的环氧树脂外壳内定制一种等离子体纳米粒子层(Plasmonic Nano-particle Layer)来改善器件的光取出效率,最终实现LED光源寿命延长和能耗降低的需求。在《自然光:科学与应用》的新报告中,Debrata Sikdar和来自帝国理工学院与印度理工学院的化学、电子和物理科学家团队展示了这种在LED环氧树脂封装内使用二维纳米银阵列(又称作“元网格”,Meta-grid)带来的好处。他们之前使用计算机程序模拟验证了这些理论,并展示了这种方案提升改LED的光取出效率的能力。这种方案在作适当调整后,可以用于其他特定的颜色光,另外作者还提出了一些将该方案用于现有LED制作工艺和技术的方法。

 

图1. 经典和改进版发光二极管(LED)器件的示意图(未按比例绘制)。a图为标准LED的截面图(包括其电触点),其中环氧树脂透镜/外壳内封装有半导体LED芯片。只要入射角小于临界角θc,芯片发射光就会从p–n结发出并进入环氧树脂透镜;b和c图分别为新设计LED结构的侧视图和3D视图,这种设计之所以可以提升光取出效率,是因为它在LED芯片表面高度h处的环氧树脂材料中设计了一层纳米颗粒(NP)2D阵列(“元网格”);d图展示了这种具有四个堆叠层的新结构的理论模型,它可以用来分析通过特定系统的光传输情况,其中NP阵列用厚度为d的有效膜表示,其性质是从有效介质理论推导出来的。(图片来源:光:科学与应用,doi:10.1038 / s41377-020-00357-w)

 

传统的LED光取出技术

 

发光二极管(LED)在现代世界中无处不在,从交通信号灯到电子显示器,以及水净化和去污等应用中。由于传统的半导体LED由透明的绝缘体封装而这种设计又会严重降低光取出效率,所以研究人员一直在尝试通过各种不同方案来提高LED的光取出效率。究其原因,LED发射光在封装材料和芯片接触面上存在严重的菲涅耳损耗,这一损耗和芯片封装材料的折射率有关,所以封装材料本身就是LED光取出效率提升的一个重要限制因素。

 

为了降低这种形式的能量损耗,研究人员引入了许多折射率比环氧树脂或塑料更高的材料,尽管这种设计方案非常困难且在经济上也不利于大规模生产。其他方案还包括纳米粒子-环氧树脂纳米复合材料或工程环氧树脂的使用,这些材料都具有较高的折射率和非常高的透明度。不过,较大折射率的封装材料会再次导致较大部分的光从封装材料和空气界面反射回去,这也会增加菲涅耳损耗。



图2. 上面几幅图展示了不同物理参数NP元网格对光透射谱的影响,从理论模型计算出的透射谱描述了银纳米球六边形阵列不同物理参数的影响,例如半径R,粒子间隙g和典型半导体(n1=1.35)与封装材料(n2 = 1.6)之间界面的“高度”:a图展示固定半径(R = 20nm)和高度(h = 2nm)时,透过谱随g的变化;b图展示固定半径(R = 20nm)和间隙(g = 40nm)时,透过谱随b的变化;c图展示固定间隙(g = 40nm)和高度(h = 2nm)时,R随c的变化;d–f图为基于理论计算(“解析”)获得的透过谱的放大视图,对应a~c图中红色框高亮显示的区域,同时用作比较的数据为全波模拟获得的数据(彩色虚点曲线)。所有这些情况,透过率仅考虑垂直方向,另外水平虚线表示没有纳米颗粒层的透射率。图片来源:《自然光:科学与应用》,doi:10.1038 / s41377-020-00357-w

 

改善LED发光的另一种方法

 

在这项工作中,Sikdar等人提出了一种非常小的工艺设计更改,这种设计通过固定光子逸出锥的使用增加了整个设备的光传输,从而降低芯片-封装材料(环氧树脂等)界面处的菲涅耳损耗。为此,研究人员在常规LED芯片顶部的常规封装中,设计了一种亚波长金属纳米颗粒(NPs)“元网格”结构。由于从芯片/环氧树脂界面反射的光与从NP元网格反射的光之间产生干涉相消,所以LED正向传输的光得到增强。通过减少芯片/环氧树脂界面的反射(菲涅耳损耗),研究人员提出的这种方案可以延长LED芯片的寿命,并最大限度地减少了废热。

 

为了证明上述这种基于纳米粒子结构实现的取出效率提升,研究人员使用银纳米球作为强等离子体共振器,这种结构的吸收损耗非常小。在该验证中,研究人员还研究了自底向上组装成二维(2-D)六边形阵列时,纳米粒子半径,粒子间隙以及粒子高度对其效果的影响。为了计算材料的透过率,Sikdar等人在芯片和封装介质内部分别设计光发射器和检测器。接着,研究人员又针对不同的光谱窗口(不同发光光谱)设计了多种不同的阵列,并相应作了最优化的处理。



图3. 研究人员获得的最佳光取出效率对应参数及其对入射角的依赖性,a–c图示意研究人员针对625nm,为最大化法线方向透光率所作的NP阵列参数优化:a图表示不同高度h(对应透过率≥98.5%)处获得的最大透射率,b图表示相应的最佳半径参数,c图表示相应的最佳颗粒间间距。d–f图示意a图中(1)~(3)情况下,不同(允许)入射角的s偏振(红色),p偏振(蓝色)和非偏振(绿色)光透射率,对于每种偏振,虚线表示没有NP阵列的光透射率。g图示意这三种情况下非偏振光透射率之间的比较,作为参考,图中还绘出了无NP阵列时的透过率数据。这里,AlGaInP(n1 = 3.49)是半导体材料,而环氧树脂(n2 = 1.58)是封装材料。图片来源:《自然光:科学与应用》,doi:10.1038 / s41377-020-00357-w

 

优化纳米粒子元网格

 

紧接着,该研究团队还针对特定光谱窗口的透射率最大化调整了这些元网格结构。通过实验,研究人员如期看到了LED光取出效率的提高,他们将这一结果归因于芯片/封装材料界面与NP元网格之间形成的法布里-珀罗(Fabry-Perot)效应。透过率下降(也称为消光峰)取决于高度、间隙和元网格NP的其他一些参数,这些数据和现象都说明了LED光取出效率提升的基本物理原理。根据分析,研究人员通过纳米粒子元网格的间隙、高度以及组成银纳米粒子半径的调整,如期造成了LED发射光透射率下降或光谱中消光峰的出现。

 

此外,他们还解释,由于法布里-珀罗效应的存在,从芯片/封装材料界面反射的光会和从NP阵列反射的光产生明显的干涉,这一结果会有效减少器件内光的反射。芯片/封装材料界面和NP元网格充当两个反射表面,这种设计就如同在LED内形成了一个空腔,这是法布里-珀罗效应出现的前提。研究人员还将上述元网格设计在了离芯片/封装材料界面最近的高度,这样既可以优化位置也可以减少一些潜在的光能泄漏。最后,他们还展示了一个实验结果:小NP对非偏振光表现出更好的角度平均透过率(Angle-averaged Transmittance)。



图4. 上图展示了580-700 nm光谱窗口内的优化透过率(针对低于临界角的所有允许入射角作了平均处理)和其对NP 元网格参数的敏感性:a图,不同颜色的点表示针对特定高度(Hopt height = 33 nm)但具有不同半径R和间隙g时对应透过率与最大透过率的偏差值(Tmax),其中,半径R和间隙g这两个参数都设定在了其最佳值大/小3 nm范围内,实际上这种情况下的Tmax(96.2%)对应最佳高度Hopt = 33 nm,最佳半径为13 nm,最佳间隙为13 nm(青色高亮显示)。b–g图与a类似,但是其对应hopt参数不同,不同高度包括hopt + 1,hopt-2,hopt + 2,hopt-3,hopt + 3。这里请注意,在计算时,研究人员以1nm为步长考虑了580~700 nm光谱窗口,以1°为步长考虑了0°~26°之间的角度。这里,AlGaInP(n1 = 3.49)是半导体材料,而环氧树脂(n2 = 1.58)是封装材料。图片来源:《自然光:科学与应用》,doi:10.1038 / s41377-020-00357-w

 

NP元网格中的透光率

 

科学家通过元网格的优化使用获得了极大提升的LED光取出效率,这一数据比在相同波长范围内不使用NP时获得的透过率要大得多。整个器件系统的最大透射率对制造过程中的任何缺陷都很敏感。研究人员精确地设计和调整了LED芯片上的纳米颗粒元网格,以实现最佳性能,所得到的NP元网格让从发射层到封装材料的光透过率提高了96%。

 

通过这种方式,Debrata Sikdar及其同事提出了一种方案,该方案可以通过芯片/封装材料界面处光透过率的提升最终实现整个LED光取出效率的提高。研究人员通过在LED芯片顶部引入单质等离子体纳米颗粒(NP)来减少菲涅耳损耗实现了此目的。

事宜人群:
产品详情

国外院校联合研究团队开发出用于提升LED发光器件光取出效率的纳米粒子元网格

国外院校联合研究团队开发出用于提升LED发光器件光取出效率的纳米粒子元网格

CINNO Research产业资讯,最近,科学家报道可以通过在发光二极管(LED)的环氧树脂外壳内定制一种等离子体纳米粒子层(Plasmonic Nano-particle Layer)来改善器件的光取出效率,最终实现LED光源寿命延长和能耗降低的需求。在《自然光:科学与应用》的新报告中,Debrata Sikdar和来自帝国理工学院与印度理工学院的化学、电子和物理科学家团队展示了这种在LED环氧树脂封装内使用二维纳米银阵列(又称作“元网格”,Meta-grid)带来的好处。他们之前使用计算机程序模拟验证了这些理论,并展示了这种方案提升改LED的光取出效率的能力。这种方案在作适当调整后,可以用于其他特定的颜色光,另外作者还提出了一些将该方案用于现有LED制作工艺和技术的方法。

 

国外院校联合研究团队开发出用于提升LED发光器件光取出效率的纳米粒子元网格

图1. 经典和改进版发光二极管(LED)器件的示意图(未按比例绘制)。a图为标准LED的截面图(包括其电触点),其中环氧树脂透镜/外壳内封装有半导体LED芯片。只要入射角小于临界角θc,芯片发射光就会从p–n结发出并进入环氧树脂透镜;b和c图分别为新设计LED结构的侧视图和3D视图,这种设计之所以可以提升光取出效率,是因为它在LED芯片表面高度h处的环氧树脂材料中设计了一层纳米颗粒(NP)2D阵列(“元网格”);d图展示了这种具有四个堆叠层的新结构的理论模型,它可以用来分析通过特定系统的光传输情况,其中NP阵列用厚度为d的有效膜表示,其性质是从有效介质理论推导出来的。(图片来源:光:科学与应用,doi:10.1038 / s41377-020-00357-w)

 

传统的LED光取出技术

 

发光二极管(LED)在现代世界中无处不在,从交通信号灯到电子显示器,以及水净化和去污等应用中。由于传统的半导体LED由透明的绝缘体封装而这种设计又会严重降低光取出效率,所以研究人员一直在尝试通过各种不同方案来提高LED的光取出效率。究其原因,LED发射光在封装材料和芯片接触面上存在严重的菲涅耳损耗,这一损耗和芯片封装材料的折射率有关,所以封装材料本身就是LED光取出效率提升的一个重要限制因素。

 

为了降低这种形式的能量损耗,研究人员引入了许多折射率比环氧树脂或塑料更高的材料,尽管这种设计方案非常困难且在经济上也不利于大规模生产。其他方案还包括纳米粒子-环氧树脂纳米复合材料或工程环氧树脂的使用,这些材料都具有较高的折射率和非常高的透明度。不过,较大折射率的封装材料会再次导致较大部分的光从封装材料和空气界面反射回去,这也会增加菲涅耳损耗。


国外院校联合研究团队开发出用于提升LED发光器件光取出效率的纳米粒子元网格


图2. 上面几幅图展示了不同物理参数NP元网格对光透射谱的影响,从理论模型计算出的透射谱描述了银纳米球六边形阵列不同物理参数的影响,例如半径R,粒子间隙g和典型半导体(n1=1.35)与封装材料(n2 = 1.6)之间界面的“高度”:a图展示固定半径(R = 20nm)和高度(h = 2nm)时,透过谱随g的变化;b图展示固定半径(R = 20nm)和间隙(g = 40nm)时,透过谱随b的变化;c图展示固定间隙(g = 40nm)和高度(h = 2nm)时,R随c的变化;d–f图为基于理论计算(“解析”)获得的透过谱的放大视图,对应a~c图中红色框高亮显示的区域,同时用作比较的数据为全波模拟获得的数据(彩色虚点曲线)。所有这些情况,透过率仅考虑垂直方向,另外水平虚线表示没有纳米颗粒层的透射率。图片来源:《自然光:科学与应用》,doi:10.1038 / s41377-020-00357-w

 

改善LED发光的另一种方法

 

在这项工作中,Sikdar等人提出了一种非常小的工艺设计更改,这种设计通过固定光子逸出锥的使用增加了整个设备的光传输,从而降低芯片-封装材料(环氧树脂等)界面处的菲涅耳损耗。为此,研究人员在常规LED芯片顶部的常规封装中,设计了一种亚波长金属纳米颗粒(NPs)“元网格”结构。由于从芯片/环氧树脂界面反射的光与从NP元网格反射的光之间产生干涉相消,所以LED正向传输的光得到增强。通过减少芯片/环氧树脂界面的反射(菲涅耳损耗),研究人员提出的这种方案可以延长LED芯片的寿命,并最大限度地减少了废热。

 

为了证明上述这种基于纳米粒子结构实现的取出效率提升,研究人员使用银纳米球作为强等离子体共振器,这种结构的吸收损耗非常小。在该验证中,研究人员还研究了自底向上组装成二维(2-D)六边形阵列时,纳米粒子半径,粒子间隙以及粒子高度对其效果的影响。为了计算材料的透过率,Sikdar等人在芯片和封装介质内部分别设计光发射器和检测器。接着,研究人员又针对不同的光谱窗口(不同发光光谱)设计了多种不同的阵列,并相应作了最优化的处理。


国外院校联合研究团队开发出用于提升LED发光器件光取出效率的纳米粒子元网格


图3. 研究人员获得的最佳光取出效率对应参数及其对入射角的依赖性,a–c图示意研究人员针对625nm,为最大化法线方向透光率所作的NP阵列参数优化:a图表示不同高度h(对应透过率≥98.5%)处获得的最大透射率,b图表示相应的最佳半径参数,c图表示相应的最佳颗粒间间距。d–f图示意a图中(1)~(3)情况下,不同(允许)入射角的s偏振(红色),p偏振(蓝色)和非偏振(绿色)光透射率,对于每种偏振,虚线表示没有NP阵列的光透射率。g图示意这三种情况下非偏振光透射率之间的比较,作为参考,图中还绘出了无NP阵列时的透过率数据。这里,AlGaInP(n1 = 3.49)是半导体材料,而环氧树脂(n2 = 1.58)是封装材料。图片来源:《自然光:科学与应用》,doi:10.1038 / s41377-020-00357-w

 

优化纳米粒子元网格

 

紧接着,该研究团队还针对特定光谱窗口的透射率最大化调整了这些元网格结构。通过实验,研究人员如期看到了LED光取出效率的提高,他们将这一结果归因于芯片/封装材料界面与NP元网格之间形成的法布里-珀罗(Fabry-Perot)效应。透过率下降(也称为消光峰)取决于高度、间隙和元网格NP的其他一些参数,这些数据和现象都说明了LED光取出效率提升的基本物理原理。根据分析,研究人员通过纳米粒子元网格的间隙、高度以及组成银纳米粒子半径的调整,如期造成了LED发射光透射率下降或光谱中消光峰的出现。

 

此外,他们还解释,由于法布里-珀罗效应的存在,从芯片/封装材料界面反射的光会和从NP阵列反射的光产生明显的干涉,这一结果会有效减少器件内光的反射。芯片/封装材料界面和NP元网格充当两个反射表面,这种设计就如同在LED内形成了一个空腔,这是法布里-珀罗效应出现的前提。研究人员还将上述元网格设计在了离芯片/封装材料界面最近的高度,这样既可以优化位置也可以减少一些潜在的光能泄漏。最后,他们还展示了一个实验结果:小NP对非偏振光表现出更好的角度平均透过率(Angle-averaged Transmittance)。


国外院校联合研究团队开发出用于提升LED发光器件光取出效率的纳米粒子元网格


图4. 上图展示了580-700 nm光谱窗口内的优化透过率(针对低于临界角的所有允许入射角作了平均处理)和其对NP 元网格参数的敏感性:a图,不同颜色的点表示针对特定高度(Hopt height = 33 nm)但具有不同半径R和间隙g时对应透过率与最大透过率的偏差值(Tmax),其中,半径R和间隙g这两个参数都设定在了其最佳值大/小3 nm范围内,实际上这种情况下的Tmax(96.2%)对应最佳高度Hopt = 33 nm,最佳半径为13 nm,最佳间隙为13 nm(青色高亮显示)。b–g图与a类似,但是其对应hopt参数不同,不同高度包括hopt + 1,hopt-2,hopt + 2,hopt-3,hopt + 3。这里请注意,在计算时,研究人员以1nm为步长考虑了580~700 nm光谱窗口,以1°为步长考虑了0°~26°之间的角度。这里,AlGaInP(n1 = 3.49)是半导体材料,而环氧树脂(n2 = 1.58)是封装材料。图片来源:《自然光:科学与应用》,doi:10.1038 / s41377-020-00357-w

 

NP元网格中的透光率

 

科学家通过元网格的优化使用获得了极大提升的LED光取出效率,这一数据比在相同波长范围内不使用NP时获得的透过率要大得多。整个器件系统的最大透射率对制造过程中的任何缺陷都很敏感。研究人员精确地设计和调整了LED芯片上的纳米颗粒元网格,以实现最佳性能,所得到的NP元网格让从发射层到封装材料的光透过率提高了96%。

 

通过这种方式,Debrata Sikdar及其同事提出了一种方案,该方案可以通过芯片/封装材料界面处光透过率的提升最终实现整个LED光取出效率的提高。研究人员通过在LED芯片顶部引入单质等离子体纳米颗粒(NP)来减少菲涅耳损耗实现了此目的。

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