ECE Ph.D. o estudante Ayush Pandey detalha a pesquisa liderada pelo Prof. Zetian Mi sobre o uso de diodos emissores de luz ultravioleta de alta eficiência para esterilizar patógenos. Essa pesquisa, "Diodos emissores de luz ultravioleta de junção de túnel AlGaN / GaN / AlGaN de alta eficiência, "ganhou o Prêmio de Escolha do Editor-chefe de 2020 da Photonics Research.

Todo ano, milhares de vidas e bilhões de dólares são gastos em todo o mundo como resultado de doenças associadas aos cuidados de saúde e de veiculação hídrica. A esterilização é uma medida preventiva crítica e pode ser alcançada por uma série de técnicas, incluindo irradiação com luz ultravioleta (UV). Essa necessidade ganhou maior urgência por causa da pandemia global de coronavírus, como práticas eficazes de esterilização podem reduzir a propagação de doenças infecciosas.

Fontes atuais, como lâmpadas de mercúrio, são volumosas, contêm produtos químicos tóxicos e não são tão versáteis em aplicações como as fontes de luz de semicondutores. AlGaN é o material de escolha para fontes de luz ultravioleta profunda de alta eficiência, que é a única alternativa de tecnologia para substituir as lâmpadas de mercúrio para purificação e desinfecção de água. A data, Contudo, LEDs UV médios e profundos baseados em AlGaN exibem eficiência muito baixa. Um dos principais fatores limitantes é a injeção de orifício ruim, devido à dopagem do tipo p ineficaz de ligas AlGaN usando Mg, especialmente para as ligas de alta composição de Al que são essenciais para as faixas de comprimento de onda UV-C (200-280 nm).

Uma técnica promissora que pode superar esse desafio e melhorar a injeção do orifício na região ativa do dispositivo é a utilização de uma estrutura de junção em túnel. A injeção de orifício em tais dispositivos é conduzida pelo transporte interband de elétrons da banda de valência da camada tipo p para a banda de condução da camada tipo n.

O grupo do Prof. Zetian Mi na Universidade de Michigan realizou uma investigação detalhada do projeto, epitaxia, fabricação, e caracterização de LEDs UV-C de junção de túnel operando em ~ 265 nm. Os grandes bandgaps e eficiência reduzida de dopagem de AlGaN tornam difícil obter tunelamento direto entre as camadas do tipo p e do tipo n. Para superar esse problema, a equipe estudou designs de dispositivos exclusivos, incluindo uma fina camada de junção de túnel de GaN com diferentes espessuras, bem como diferentes espessuras do AlGaN tipo n superior.

Esta técnica se baseia nos grandes campos de polarização espontânea e piezoelétrica dos III-nitretos, que pode ser manipulado ensanduichando uma camada de composição de material diferente entre as camadas dopadas, aumentando dramaticamente a probabilidade de tunelamento. Além disso, um método especial de epitaxi assistido por junção de metal-semicondutor foi desenvolvido para melhorar drasticamente a dopagem de Mg e a concentração de orifícios de camadas de AlGaN ricas em Al.

O dispositivo de junção de túnel otimizado mostrou características de tensão de corrente muito melhoradas em comparação com um LED convencional com uma camada de contato AlGaN tipo p. A injeção aprimorada no dispositivo de junção do túnel se traduziu em eletroluminescência mais forte, sem a presença de quaisquer picos de emissão defeituosos. A emissão também foi observada como extremamente estável, com pouca variação na posição de pico em uma ampla faixa de corrente de injeção. A equipe atingiu uma eficiência quântica externa máxima de ~ 11% e eficiência de tomada de parede de ~ 7,6%, que são os valores mais altos já relatados para um LED UV profundo operando a ~ 265 nm até onde sabemos, fornecendo um caminho viável para quebrar o gargalo de eficiência da fotônica UV profunda.