Esquemas del dispositivo de diodos emisores de luz (LED) clásico y modificado (no a escala). una caricatura en sección transversal de un LED estándar (incluidos sus contactos eléctricos), donde una lente / carcasa epoxi encapsula el chip LED semiconductor. La luz emitida por la unión p – n se escapa hacia la lente epoxi siempre que el ángulo de incidencia sea menor que el ángulo crítico θc. b Vista lateral yc Vista 3D del nuevo diseño propuesto para una extracción de luz mejorada con una matriz 2D (“meta-cuadrícula”) de nanopartículas (NP) incrustadas en el material epoxi a una altura h de la superficie del chip LED. d Modelo teórico de pila de cuatro capas para analizar la transmisión óptica a través del sistema propuesto, donde la matriz NP está representada por una película efectiva de espesor d, cuyas propiedades se derivan de la teoría del medio efectivo. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-00357-w
Se puede introducir una capa personalizada de nanopartículas plasmónicas en la carcasa de epoxi de un diodo emisor de luz (LED) para mejorar la salida de luz del dispositivo. para beneficiar el ahorro de energía y aumentar la vida útil del LED. En un nuevo informe sobre Nature Light:ciencia y aplicaciones , Debrata Sikdar y un equipo de científicos en química, electrónica y física en el Imperial College de Londres y el Instituto Indio de Tecnología, mostró los beneficios de incluir una matriz bidimensional (2-D) de nanopartículas de plata conocida como 'meta-cuadrícula' en el empaque epoxi en forma de lente. Probaron su teoría utilizando simulaciones por computadora y demostraron la capacidad de mejorar la extracción de luz del LED basado en metaredes de nanopartículas. El enfoque alternativo se puede personalizar para adaptarse a un color específico de emisión, los autores propusieron algunos esquemas adicionales para implementar la estrategia en la tecnología de fabricación de LED existente.
Extracción de luz convencional de LED
Los diodos emisores de luz (LED) son omnipresentes en el mundo moderno, desde semáforos hasta pantallas electrónicas y en aplicaciones de depuración y descontaminación de agua. Dado que los LED semiconductores típicos están encapsulados por un aislante transparente que limita la eficiencia de la extracción de luz, Los investigadores han intentado mejorar la eficiencia de extracción de luz de los LED para mejorar la salida de luz. El material que encapsula el chip en sí mismo puede ser un factor limitante junto con la pérdida de Fresnel; es decir, cuando una cantidad significativa de luz incidente se refleja desde la interfaz hacia el chip. Para mitigar tales límites, los investigadores habían introducido materiales con índices de refracción más altos que el epoxi o el plástico, aunque las enmiendas son todavía difíciles y económicamente desfavorables para la adaptación de la producción en masa. Los esquemas adicionales han incluido nanocompuestos de nanopartículas epoxi o resinas epoxi diseñadas para garantizar índices de refracción más altos sin comprometer la transparencia. Sin embargo, un índice de refracción mayor puede conducir nuevamente a que una mayor parte de la luz se refleje desde la interfaz encapsulante / aire para contribuir a la pérdida de Fresnel.
Espectros de transmisión que representan los efectos de diferentes parámetros físicos de la metarejilla NP. Espectros de transmitancia, calculado a partir del modelo teórico, que representa los efectos de diferentes parámetros físicos de la matriz hexagonal de nanoesferas de plata, como el radio R, espacio entre partículas g, y "altura" h desde la interfaz entre los materiales semiconductores típicos (n1 =3,5) y encapsulantes (n2 =1,6):una variación con g para radio fijo (R =20 nm) y altura (h =2 nm), b variación con h para radio fijo (R =20 nm) y espacio (g =40 nm), yc variación con R para espacio fijo (g =40 nm) y altura (h =2 nm). d – f Vista ampliada de los espectros basados en la teoría ("analíticos"), en los dominios resaltados por los recuadros rojos en (a – c) en comparación con los datos (curvas de puntos de colores) obtenidos de simulaciones de onda completa. Para todos los casos, sólo se considera la luz incidente normalmente. Las líneas horizontales punteadas indican transmitancia sin la capa de nanopartículas. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-00357-w 
En este trabajo, Sikdar y col. propuso cambios mínimos en el proceso de fabricación para reducir la pérdida de Fresnel en la interfaz chip / encapsulante mediante el uso de un cono de escape de fotones fijo para aumentar la transmisión de luz a través de la configuración. Para lograr esto, colocaron una monocapa de nanopartículas metálicas (NP) de sub-longitud de onda como una 'meta-rejilla' en la parte superior de un chip LED convencional dentro del empaque de encapsulación habitual del chip. La mejora resultante de la transmisión de luz LED se produjo como resultado de una interferencia destructiva entre la luz reflejada por la interfaz chip / epoxi y la luz reflejada por la metarejilla NP. Al reducir el reflejo de la interfaz chip / epoxi, aumentaron la vida útil del chip LED y minimizaron el calor residual.
Para demostrar la transmisión mejorada asistida por nanopartículas, usaron nanoesferas de plata como fuertes resonadores plasmónicos, con mínima pérdida por absorción. El equipo estudió los roles del radio NP, los espacios entre partículas formados por las nanoesferas durante el ensamblaje de abajo hacia arriba en una matriz hexagonal bidimensional (2-D) y la influencia de la altura de las nanopartículas (NP). Para calcular la transmitancia de luz, Sikdar y col. usó un emisor de luz y un detector colocados dentro del chip y el medio de encapsulación, respectivamente. Diversos conjuntos de matrices NP proporcionaron una mejora máxima en la transmisión de luz a través de diferentes ventanas espectrales y, por lo tanto, la 'meta-cuadrícula' podría optimizarse para cada LED en relación con su rango espectral de emisión.
Obtención de parámetros para una transmisión óptima y su dependencia del ángulo de incidencia. a – c Optimización de la transmitancia óptica (T) a 625 nm para incidencia normal mediante el ajuste de los parámetros de la matriz NP. a Máxima transmitancia obtenida a cada altura h (donde T ≥ 98,5%), y el correspondiente radio óptimo (b) Ropt, y (c) intervalo entre partículas gopt. d – f Transmitancia a diferentes ángulos de incidencia permitidos para s-polarizado (rojo), p-polarizado (azul), y luz no polarizada (verde) para los casos (1) - (3) [marcados en (a)]; para cada polarización, las curvas de puntos muestran la transmisión de luz sin la matriz NP. g Comparación entre la transmitancia de luz no polarizada en esos tres casos. La línea punteada obtenido sin la matriz NP, sirve como referencia. Aquí, AlGaInP (n1 =3.49) es el material semiconductor y epoxi (n2 =1.58) es el material encapsulante. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-00357-w 
Luego, el equipo maximizó la transmitancia en un rango espectral específico utilizando una estructura optimizada de la meta-cuadrícula. Los científicos observaron una transmisión de luz mejorada con la configuración, y atribuyó el resultado al efecto Fabry-Perot entre la interfaz chip / encapsulante y la meta-cuadrícula NP. La caída de la transmisión, también conocido como el pico de extinción, dependía de la altura, brecha, y otros parámetros de NP de meta-cuadrícula, e ilustró la física subyacente del dispositivo. Como resultado, variando el espacio y la altura de la meta-cuadrícula de nanopartículas y el radio de las nanopartículas de plata constituyentes, los científicos influyeron en la caída de la transmisión o el pico de extinción durante la emisión de LED.
Es más, la luz reflejada por la interfaz chip / encapsulante interfería claramente con la luz reflejada por la matriz NP, para reducir eficazmente la reflexión de la configuración y aumentar la transmisión debido a la mejora de la transmisión basada en el efecto Fabry-Perot. La interfaz chip / encapsulante y la meta-rejilla NP actuaron como dos superficies reflectantes para formar la cavidad entre ellas. El equipo colocó la meta-cuadrícula a la altura más cercana posible a la interfaz chip / encapsulante para optimizar su posición y restringir cualquier fuga de radiación. También mostraron cómo los NP pequeños exhibían una mejor transmitancia promediada en ángulo para la luz no polarizada.
Optimización de la transmitancia (sobre una ventana espectral de 580-700 nm promediada sobre todos los ángulos de incidencia permitidos (por debajo del ángulo crítico) y su sensibilidad a los parámetros de la meta-cuadrícula NP. A Puntos con diferentes colores de relleno que representan la desviación de la transmitancia máxima (Tmáx) para una altura fija de salto =33 nm pero con varios radios R y espacio g, donde se supone que ambos parámetros son mayores / menores que sus valores óptimos hasta en 3 nm. Tmáx (del 96,2%) se alcanza a la altura óptima de salto =33 nm, para el radio óptimo de 13 nm y el espacio de 13 nm [resaltado en cian]. b – g Igual que en (a), pero para diferentes alturas de (hopt - 1), (salto + 1), (hopt - 2), (salto + 2), (hopt - 3), (salto + 3), respectivamente. Tenga en cuenta que, para los cálculos se consideró la ventana espectral entre 580 y 700 nm en un paso de 1 nm y los ángulos entre 0 ° y 26 ° se tomaron en un paso de 1 °. Aquí, AlGaInP (n =3.49) es el material semiconductor y epoxi (n =1.58) es el material encapsulante. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-00357-w 
Los científicos obtuvieron una transmisión mejorada en presencia de la meta-cuadrícula optimizada, que fue significativamente mayor que la obtenida sin NP en el mismo rango de longitudes de onda. La transmitancia máxima del sistema fue sensible a cualquier imperfección en el proceso de fabricación. Ellos sintonizaron y ajustaron con precisión la meta-cuadrícula de nanopartículas en el chip LED para un rendimiento óptimo. La meta-rejilla NP resultante permitió un aumento del 96 por ciento en la transmisión de luz (que de otro modo es del 84 por ciento) desde la capa emisora a la capa encapsulante.
De este modo, Debrata Sikdar y sus colegas propusieron un esquema para mejorar significativamente la extracción de luz de los LED al aumentar la transmisión a través de la interfaz chip / encapsulante. Lo lograron mediante la introducción de una monocapa de nanopartículas plasmónicas (NP) en la parte superior del chip LED para reducir la pérdida de Fresnel y mejorar la transmisión de luz que se origina en el efecto Fabry-Perot. El equipo propone implementar el esquema por sí mismo o en combinación con otras estrategias disponibles para mejorar la eficiencia del LED.
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