Design and Optimization of Highly Efficient Light Extraction Encapsulation for Deep Ultraviolet LEDs

KANG Wenyu; YIN Jun; HUANG Jiaxin; XIANG Leilei; KANG Junyong

doi:10.37188/CJL.20240321

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Design and Optimization of Highly Efficient Light Extraction Encapsulation for Deep Ultraviolet LEDs

Cover Story | 更新时间：2025-04-21

- Design and Optimization of Highly Efficient Light Extraction Encapsulation for Deep Ultraviolet LEDs
  增强出版
- Chinese Journal of Luminescence Vol. 46, Issue 4, Pages: 553-564(2025)
- 作者机构：
  
  厦门大学厦门市未来显示技术研究院，萨本栋微米纳米科学技术研究院，物理科学与技术学院，福建厦门 361005
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Key Research and Development Program of China(2022YFB3605103);National Natural Science Foundation of China(62234001)
- DOI：10.37188/CJL.20240321
  CLC： TN312.8
- CSTR：32170. 14. CJL. 20240321
- Received：07 December 2024，
  
  Revised：28 December 2024，
  
  Published：25 April 2025
- 稿件说明：
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康闻宇,尹君,黄家新等.用于高效光提取的深紫外LED封装体设计与优化[J].发光学报,2025,46(04):553-564.

KANG Wenyu,YIN Jun,HUANG Jiaxin,et al.Design and Optimization of Highly Efficient Light Extraction Encapsulation for Deep Ultraviolet LEDs[J].Chinese Journal of Luminescence,2025,46(04):553-564.
康闻宇,尹君,黄家新等.用于高效光提取的深紫外LED封装体设计与优化[J].发光学报,2025,46(04):553-564. DOI： 10.37188/CJL.20240321. CSTR： 32170. 14. CJL. 20240321.

KANG Wenyu,YIN Jun,HUANG Jiaxin,et al.Design and Optimization of Highly Efficient Light Extraction Encapsulation for Deep Ultraviolet LEDs[J].Chinese Journal of Luminescence,2025,46(04):553-564. DOI： 10.37188/CJL.20240321. CSTR： 32170. 14. CJL. 20240321.

摘要

针对AlGaN基深紫外LED出光效率低的难题，设计了氟树脂紧密粘合的石英透镜封装结构，有效解决了倒装结构LED光子从蓝宝石衬底出射时较大内全反射损失的难题。研究表明，较薄的界面氟树脂结合层可形成相对匹配的折射率过渡，实现光子出射最大化，典型250 nm深紫外LED出光强度可提升28%。在此基础上，设计了具有反射侧壁的陶瓷封装基板，用以提高深紫外LED横磁（Transverse magnetic， TM）模式出射光的提取和汇聚。仿真结果表明，不同波长的深紫外LED均实现了显著的提升，相较于对照样品不足50%的前向出光效率，引入反射型封装基板后最高可提升至94%，且对于波长短于250 nm的LED提升更显著，这与其更高比例的TM模式发光有关。进一步优化的石英透镜曲率使得LED出射光汇聚特性获得了有效调控，可满足深紫外LED在表面灭活等不同应用场景的光场分布需求。

Abstract

To face the challenge of low light extraction in AlGaN-based deep ultraviolet （DUV） LEDs， a quartz lens encapsulation structure bonded with fluorine resin was designed to effectively resolve the significant internal total reflection （ITR） losses when photons emitted from the sapphire substrate of the flip-chip LED. This work demonstrated that the thin interfacial fluorine resin bonding layer could form a matched refractive index transition layer， maximizing light extraction. For typical 250 nm DUV LEDs， 28% light output intensity could be enhanced. Additionally， a ceramic packaging substrate with reflective sidewalls was designed to improve the extraction and convergence of transverse magnetic （TM）-mode emission from the DUV LEDs. Simulation results indicated significant improvements across different wavelengths of DUV LEDs. Compared to the reference sample （<50% forward light output efficiency）， the design of reflective packaging substrates could raise the efficiency to 94%. The efficiency enhancement was more significant for LEDs with ≤250 nm wavelengths， caused by the higher proportion of TM-mode emission. Further optimization of the quartz lens curvature was able to effectively manipulate the emission convergence characteristics for LEDs， which meet the light field distribution requirements for various applications such as surface disinfection.

关键词

Keywords

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