В индустрии твердотельного освещения многие исследовательские группы переключили свое внимание на более короткие длины волн в диапазоне УФ-С, что привело к потенциальному применению светодиодов УФ-С в процессах дезинфекции воздуха, воды и поверхностей, исследованиях биофотоники, биомедицинских и микробиологических приборах. и многие другие приложения. Сложность надежной работы светодиода UV-C зависит от оптической эффективности, достаточного срока службы и точности длины волны, которые касаются всех технологических приложений. Несмотря на то, что были достигнуты большие успехи в увеличении внешней квантовой эффективности (EQE) светодиодов, характеристики устройств по-прежнему очень чувствительны к температуре окружающей среды. Первые светодиоды UV-C были в основном упакованы в относительно дорогие и термически неэффективные транзисторные корпуса контурного типа.
1 Чтобы улучшить отвод тепла от перехода, большинство светодиодов UV-C монтируются в поверхностных модулях устройства (SMD), обычно в формате 3,6 x 3,6 мм 2 или 5 x 5 мм 2 для каждого светодиода. полупроводник-гетероструктура Рис. 1. Схематическое изображение полупроводниковой гетероструктуры для светодиода УФ-С с множественными квантовыми ямами (MQW) AlGaN . Справа - ключевые проблемы повышения эффективности.
Температурная зависимость оптических характеристик УФ-светодиода была изучена Kheyrandish et al. показывающий, что более высокие температуры точки пайки (TS) приводят к более низкой выходной оптической мощности, сдвигам длины волны пика и увеличению полной ширины на полувысоте (FWHM). 2 Недавно опубликованные результаты показали, что срок службы уменьшается больше при токе 350 мА, чем при токе 100 мА. 3 Это означает, что с увеличением тока светодиода температура увеличивается; т.е.
уменьшение относительной оптической выходной мощности. Отвод тепла от полупроводниковой структуры AlGaN является одной из ключевых технических проблем, которые необходимо учитывать. 4, 5 Управление температурным режимом отвод тепла Рис. 2. Схематическое изображение отвода тепла светодиода UV-C в корпусе SMD.
Относительно высокое сопротивление омических контактов, слоев оболочки p- и n-типа в полупроводниковой структуре, а также плохая теплопроводность приводят к высоким рабочим напряжениям и, как следствие, к джоулева нагреву в устройстве. 4, 5 Это вызывает самонагрев, который снижает оптимальную радиационную рекомбинацию электронных дырок в области с несколькими квантовыми ямами полупроводниковой структуры и нагружает кристаллическую структуру во время работы. Эффективное управление температурой становится критически важным для обеспечения высокой оптической эффективности и срока службы. Чтобы решить эту проблему, необходимо учитывать теплопроводность упаковки; поэтому термостойкость должна быть указана производителем. Также рекомендуются печатные платы с металлическим сердечником (MCPCB) с высокой теплопроводностью.
Еще один важный параметр - температура перехода. Производитель должен указать максимально допустимое значение температуры перехода в непрерывном режиме. Температура перехода T J и температура точки пайки T S связаны со скоростью теплопроводности между переходом и точкой пайки и тепловым сопротивлением R J-S . Можно определить температуру перехода T J, связанную с температурой припоя T S , используя следующее соотношение, включая коэффициент полезного действия настенной розетки ( WPE ), который будет определен в следующем разделе, где I LED и V LED - это электрический ток и приложено прямое напряжение, соответственно. T J = T S + R J-S (1– WPE ) I Светодиод V Светодиод (1) Это означает, что можно определить температуру перехода, чтобы контролировать ее.
Применение эффективного метода отвода тепла позволит значительно снизить температуру перехода, увеличивая световое излучение. 6 Эффективность дюбелей и температура перехода Соотношение между потребляемой электрической мощностью P LED и оптической выходной мощностью светодиодных устройств P LIGHT называется эффективностью розетки (WPE). Как показал Кнайссл, WPE пропорционален коэффициенту EQE ( η EQE ) и соотношению между оптической энергией ( h ν ) и электрической энергией ( эВ ), как показано в следующем уравнении. 7 Где h - постоянная Планка, ν - частота УФ-фотона, e - элементарный электрический заряд, V - напряжение, а η EQE - внешний квантовый коэффициент полезного действия. Внешняя квантовая эффективность (EQE) определяется как отношение количества фотонов, испускаемых светодиодом в секунду, к количеству носителей (электронов), вводимых в устройство в секунду.
Электронно-дырочная рекомбинация и ее зависимость от температуры Согласно теории полупроводников, тепловое возбуждение электронов из валентной зоны в зону проводимости приводит к генерации электронно-дырочных пар. Тепловое равновесие требует, чтобы этот процесс генерации сопровождался одновременным обратным процессом высвечивания, называемым электронно-дырочной рекомбинацией. Это происходит, когда электрон распадается из зоны проводимости, чтобы заполнить дыру в валентной зоне. Выделяемая энергия может принимать форму испускаемого фотона. Этот процесс называется излучательной электронно-дырочной рекомбинацией.
энергетические полосы Рис. 3. Схематическое описание энергетических зон (проводимости и валентности) согласно теории полупроводников. А) Излучательная рекомбинация происходит, когда энергия, выделяемая электроном, принимает форму испускаемого фотона. Б) Безызлучательная рекомбинация может происходить путем передачи кинетической энергии колебаниям решетки (создавая фононы) или свободным электронам, также называемым горячими электронами или оже-электронами.
Безызлучательная рекомбинация электронов и дырок может происходить по ряду причин, включая передачу кинетической энергии, создание колебаний решетки (создание фононов) или другого свободного электрона (процесс Оже) 8 , как показано на рисунке 3. Механизмы падения эффективности при генерации света изучены Верзеллези. 9 Затем Ивеланд пришел к выводу, что оже-рекомбинация является наиболее актуальным безызлучательным процессом в светодиодах на основе GaN. 10 В светодиодах на основе GaN задействованы различные процессы Оже. Прямые (т.
е. бесфононные) процессы в объемных полупроводниках демонстрируют экспоненциальную зависимость скорости от температуры, которая возникает из характерной пороговой энергии, подразумеваемой законами сохранения энергии и импульса. 9 Термоэлектрический охладитель для контроля температурных характеристик модуль теплоотвода Рис. 4. Светодиодная матрица UV-C, установленная в модуле отвода тепла на основе ТЭО.
Схема представляет: а) распределение интенсивности УФ-С, б) матрицу из 4 х 4 светодиодов, в) MCPCB, г) ТЕС, д) алюминиевый рассеиватель тепла, е) вентилятор. Главный интерес - содействие излучательной рекомбинации в полупроводниковой структуре за счет отвода тепла. Чтобы решить эту проблему, предлагается использовать термоэлектрические охлаждающие устройства (ТЕС), такие как активный отвод тепла и регулятор температуры. Модуль TEC представляет собой специальную полупроводниковую матрицу, которая использует эффект Пельтье для создания температурного градиента между противоположными сторонами при приложении напряжения, что приводит к возникновению холодной и горячей стороны TEC. Можно установить MCPCB с одним светодиодом или матрицей на холодной стороне ТЕС, а алюминиевый рассеиватель тепла и вентилятор - на горячей стороне ТЕС.
В точке пайки можно значительно снизить температуру - примерно на 10 ° C. Устройство TEC позволяет использовать ПИД-регуляторы для работы при изменении температуры окружающей среды. Самым популярным коммерческим устройством TEC является TEC1-12706 с размерами 4 см x 4 см x 0,4 см. Возможно применение модели терморегулирования для светодиодных матриц. Необходимо учитывать тепловое распределение между каждым светодиодным блоком и общей площадью MCPCB.
При тепловом контакте между холодной стороной ТЭО тепло будет отводиться от светодиодных матриц, способствуя макроскопическим тепловым условиям, вызывая лучшую рекомбинацию электронных дырок и улучшая оптические характеристики. Выводы Объединение светодиода UV-C и полупроводниковых устройств TEC на одном чипе может улучшить оптические характеристики этого уникального чипа, обеспечивая при этом те же преимущества, что и два отдельных полупроводниковых устройства. Необходимы дальнейшие исследования для полного изучения этих потенциальных преимуществ.