Enhanced light extraction and beam shaping for AlGaN-based ultraviolet light emitting diodes via encapsulation
Creators: name: Wu, Shaojun
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2023
Subjects: subject: 500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
subject: AlGaN-based DUV-LEDs
subject: light extraction efficiency
subject: beam shaping
subject: lens
subject: encapsulation
subject: AlGaN-basierte DUV-LEDs
subject: Lichtextraktionseffizienz
subject: Strahlformung
subject: Linse
subject: Verkapselung

description: Improving the light extraction efficiency (LEE) and collimating the emitted light are both crucial for realizing highly efficient and directional emitting AlGaN-based deep-ultraviolet light emitting diodes (DUV LEDs). This thesis presents a systematic study of the influence of encapsulation on the LEE and the effect of lenses on the emission pattern of UV LEDs. Monte-Carlo ray tracing simulations suggest that a properly placed hemispherical encapsulation with a refractive index (RI) of 1.4-1.8 enhances the LEE from 9.7% up to 16% for flip-chip mounted DUV LEDs without reflective contacts. The absorption coefficient (AC) of the encapsulant limits the maximum possible LEE and should be below 3 cm-1. Furthermore, the LEE of DUV LEDs is affected by the size of the encapsulation dome, with the highest LEE for a 1.5-mm-radius encapsulation hemisphere. A series of encapsulant candidates was first investigated and the most promising conditions selected accordingly. Using a polytetrafluorethylene (PTFE) mold technique, DUV LEDs encapsulated with a 1.5-mm-radius hemispherical silicone resin were successfully fabricated. For encapsulated 310 nm (265 nm) LEDs, the LEE of DUV LEDs was strongly enhanced by around 70% under 350 mA direct current operations with an EQE of 5.7% (3.5%). Additionally, the degradation behavior of encapsulated 310 nm DUV LEDs has been studied with only a 4% - 7% drop in output power after 250 hours of operation. In the second part, the influence of the application of quartz lenses on the radiant distribution of DUV LEDs was investigated. Using Monte-Carlo ray tracing simulations, lenses with different geometries have been designed. It was found that a lens with an elliptical shape could collimate the emitted light to the maximum extent. As a result, the viewing angle of LEDs with three different emission wavelengths of 310 nm, 265 nm, and 233 nm could be significantly collimated from a divergent angle of around 130° of a bare LED chip to approximately 20° with no noticeable change in LEE. In addition, the radiant intensity normal to the chip plane was 6-fold, 9-fold, and 24-fold improved, respectively. Finally, a combination of the encapsulation material with the lens was demonstrated to achieve the goal of collimation and LEE enhancement of DUV LEDs simultaneously. This combination enhanced the total emission power by a factor of 1.7 from 46 mW to 87 mW at 350 mA with corresponding EQE from 3.3% to 6.2% and a significantly narrowed viewing angle of 38° of 310 nm DUV LEDs. Finally, the degradation test showed high reliability of the packaged 310 nm DUV LEDs devices.
description: Die Verbesserung der Lichtextraktionseffizienz (LEE) und die Kollimation des emittierten Lichts sind beide entscheidend für die Realisierung hocheffizienter und gerichtet emittierender AlGaN-basierter tief-ultravioletter Leuchtdioden (DUV-LEDs). In dieser Arbeit wird eine systematische Studie über den Einfluss der Verkapselung auf die LEE und die Wirkung von Linsen auf das Emissionsmuster von UV-LEDs vorgestellt. Monte-Carlo-Strahlenverfolgungssimulationen deuten darauf hin, dass eine richtig platzierte halbkugelförmige Verkapselung mit einem Brechungsindex (RI) von 1,4-1,8 die LEE von 9,7% auf 16% für Flip-Chip montierte DUV-LEDs ohne reflektierende Kontakte erhöht. Der Absorptionskoeffizient (AC) des Verkapselungsmaterials begrenzt die maximal mögliche LEE und sollte unter 3 cm-1 liegen. Darüber hinaus wird die LEE von DUV-LEDs durch die Größe der Verkapselungskuppel beeinflusst, wobei die höchste LEE bei einer Verkapselungshalbkugel mit einem Radius von 1,5 mm erreicht wird. Zunächst wurde eine Reihe von Verkapselungskandidaten untersucht und die vielversprechendsten Bedingungen entsprechend ausgewählt. Unter Verwendung einer Polytetrafluorethylen (PTFE)-Formtechnik wurden DUV-LEDs, die mit einem halbkugelförmigen Silikonharz mit einem Radius von 1,5 mm verkapselt waren, erfolgreich hergestellt. Bei verkapselten 310 nm (265 nm)-LEDs wurde die LEE von DUV-LEDs bei 350 mA Gleichstrombetrieb mit einem Anstieg der EQE von 3.5% auf 5,7%, um etwa 70% erhöht. Darüber hinaus wurde das Degradationsverhalten von verkapselten 310 nm DUV-LEDs mit einem Leistungsabfall von nur 4 - 7% nach 250 Betriebsstunden untersucht. Im zweiten Teil wurde der Einfluss des Einsatzes von Quarzlinsen auf die Strahlungsverteilung von DUV-LEDs untersucht. Mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen wurden Linsen mit unterschiedlichen Geometrien konstruiert. Es zeigte sich, dass eine Linse mit einer elliptischen Form das emittierte Licht am stärksten kollimieren kann. So konnte der Betrachtungswinkel von LEDs mit drei verschiedenen Emissionswellenlängen von 310 nm, 265 nm und 233 nm von einem Divergenzwinkel von etwa 130° eines bloßen LED-Chips auf etwa 20° kollimiert werden, ohne dass sich die LEE merklich veränderte. Darüber hinaus wurde die Strahlungsintensität senkrecht zur Chipebene um das 6-fache, 9-fache bzw. 24-fache verbessert. Schließlich wurde eine Kombination aus dem Verkapselungsmaterial und der Linse demonstriert, um das Ziel der Kollimation und der LEE-Verbesserung von DUV-LEDs gleichzeitig zu erreichen. Diese Kombination steigerte die Gesamtemissionsleistung um einen Faktor 1,7 von 46 mW auf 87 mW bei 350 mA mit einem entsprechenden Anstieg der EQE von 3,3% auf 6,2% und einem stark verengten Abstrahlwinkel von 38° von DUV-LEDs mit 310 nm. Schließlich zeigte der Degradationstest eine hohe Zuverlässigkeit der verpackten 310 nm DUV-LEDs.