Doctorado en ECE El estudiante Ayush Pandey detalla la investigación dirigida por el profesor Zetian Mi sobre el uso de diodos emisores de luz ultravioleta de alta eficiencia para esterilizar patógenos. Esta investigación, Diodos emisores de luz ultravioleta de unión de túnel AlGaN / GaN / AlGaN de alta eficiencia, "ganó el premio Editor-in-Chief Choice Award 2020 de Photonics Research.

Todos los años, Se gastan miles de vidas y miles de millones de dólares en todo el mundo como resultado de enfermedades relacionadas con la atención médica y enfermedades transmitidas por el agua. La esterilización es una medida preventiva crítica y se puede lograr mediante varias técnicas, incluida la irradiación con luz ultravioleta (UV). Esta necesidad ha cobrado mayor urgencia debido a la pandemia mundial de coronavirus, ya que las prácticas de esterilización eficaces pueden reducir la propagación de enfermedades infecciosas.

Las fuentes de corriente como las lámparas de mercurio son voluminosas, contienen productos químicos tóxicos y no son tan versátiles en aplicaciones como las fuentes de luz semiconductoras. AlGaN es el material de elección para fuentes de luz ultravioleta profunda de alta eficiencia, que es la única tecnología alternativa para reemplazar las lámparas de mercurio para la purificación y desinfección del agua. Hasta la fecha, sin embargo, Los LED UV medios y profundos basados ​​en AlGaN exhiben una eficiencia muy baja. Uno de los principales factores limitantes es la mala inyección del orificio, debido al dopaje ineficaz de tipo p de las aleaciones de AlGaN que utilizan Mg, especialmente para las aleaciones de alta composición de Al que son esenciales para los rangos de longitud de onda de UV-C (200-280 nm).

Una técnica prometedora que puede superar este desafío y mejorar la inyección de agujeros en la región activa del dispositivo es utilizando una estructura de unión de túnel. La inyección de huecos en tales dispositivos es impulsada por el transporte entre bandas de electrones desde la banda de valencia de la capa de tipo p a la banda de conducción de la capa de tipo n.

El grupo del profesor Zetian Mi en la Universidad de Michigan ha realizado una investigación detallada del diseño, epitaxia, fabricación, y caracterización de LED UV-C de unión de túnel que operan a ~ 265 nm. Los grandes huecos de banda y la reducción de la eficacia del dopaje de AlGaN dificultan la obtención de un túnel directo entre las capas de tipo py de tipo n. Para superar este problema, el equipo ha estudiado diseños de dispositivos únicos que incluyen una capa delgada de unión de túnel de GaN con diferentes espesores, así como diferentes espesores de la tapa AlGaN tipo n.

Esta técnica se basa en los grandes campos de polarización espontánea y piezoeléctrica de los nitruros III, que se puede manipular intercalando una capa de diferente composición de material entre las capas dopadas, aumentando drásticamente la probabilidad de tunelización. Es más, Se desarrolló un método especial de epitaxia asistida por unión metal-semiconductor para mejorar drásticamente el dopaje de Mg y la concentración de huecos de las capas de AlGaN ricas en Al.

El dispositivo de unión de túnel optimizado mostró características de corriente-voltaje muy mejoradas en comparación con un LED convencional con una capa de contacto AlGaN tipo p. La inyección mejorada en el dispositivo de unión del túnel se tradujo en una electroluminiscencia más fuerte, sin presencia de picos de emisión de defectos. También se observó que la emisión era extremadamente estable con poca variación en la posición del pico en un amplio rango de corriente de inyección. El equipo ha logrado una eficiencia cuántica externa máxima de ~ 11% y una eficiencia de enchufe de pared de ~ 7,6%, que son los valores más altos jamás reportados para un LED UV profundo que opera a ~ 265 nm, según nuestro conocimiento, proporcionando un camino viable para romper el cuello de botella de eficiencia de la fotónica ultravioleta profunda.