Højeffektive ultraviolette lysdioder til sterilisering af patogener, inklusive COVID-19

ECE Ph.D. studerende Ayush Pandey beskriver forskningen ledet af prof. Zetian Mi om at bruge højeffektive ultraviolette lysdioder til at sterilisere patogener. Denne forskning, "Højeffektive AlGaN/GaN/AlGaN tunnelforbindelse ultraviolette lysdioder, " vandt 2020 Editor-in-Chief Choice Award fra Photonics Research.

Hvert år, tusindvis af liv og milliarder af dollars bliver brugt over hele verden som følge af sundheds- og vandbårne sygdomme. Sterilisering er en kritisk forebyggende foranstaltning, og den kan opnås ved en række teknikker, herunder bestråling med ultraviolet (UV) lys. Dette behov er blevet større på grund af den globale coronavirus-pandemi, da effektiv steriliseringspraksis kan begrænse spredningen af ​​infektionssygdomme.

Nuværende kilder som kviksølvlamper er voluminøse, indeholder giftige kemikalier og er ikke så alsidige i applikationer som halvlederlyskilder. AlGaN er det foretrukne materiale til højeffektive dybe UV-lyskilder, som er den eneste alternative teknologi til at erstatte kviksølvlamper til vandrensning og desinfektion. Til dato, imidlertid, AlGaN-baserede mellem- og dybe UV-LED'er udviser meget lav effektivitet. En af de primære begrænsende faktorer er den dårlige hulindsprøjtning, på grund af den ineffektive p-type doping af AlGaN-legeringer ved hjælp af Mg, især for legeringer med høj Al sammensætning, som er essentielle for UV-C (200-280 nm) bølgelængdeområder.

En lovende teknik, der kan overvinde denne udfordring og forbedre hulinjektion i det aktive område af enheden, er ved at bruge en tunnelforbindelsesstruktur. Hulinjektionen i sådanne indretninger drives af interbåndtransporten af ​​elektroner fra valensbåndet af p-typelaget til ledningsbåndet af n-typelaget.

Prof. Zetian Mi's gruppe ved University of Michigan har udført en detaljeret undersøgelse af designet, epitaksi, fremstilling, og karakterisering af tunnelforbindelses UV-C LED'er, der arbejder ved ~265 nm. De store båndgab og reduceret dopingeffektivitet af AlGaN gør det vanskeligt at opnå direkte tunneling mellem p-type og n-type lag. For at overvinde dette problem, holdet har studeret unikke enhedsdesign, herunder et tyndt GaN-tunnelforbindelseslag med forskellige tykkelser, samt forskellige tykkelser af den øverste n-type AlGaN.

Denne teknik er afhængig af de store spontane og piezoelektriske polarisationsfelter af III-nitriderne, som kan manipuleres ved at lægge et lag af forskellig materialesammensætning ind mellem de doterede lag, øger tunnelsandsynligheden dramatisk. I øvrigt, en speciel metal-halvlederforbindelsesassisteret epitaksimetode blev udviklet til dramatisk at forbedre Mg-dopingen og hulkoncentrationen af ​​Al-rige AlGaN-lag.

Den optimerede tunnelforbindelsesenhed viste meget forbedrede strøm-spændingsegenskaber sammenlignet med en konventionel LED med et p-type AlGaN-kontaktlag. Den forbedrede injektion i tunnelforbindelsesanordningen blev oversat til stærkere elektroluminescens, uden tilstedeværelse af defektemissionstoppe. Emissionen blev også observeret at være ekstremt stabil med ringe variation i topposition over et bredt injektionsstrømområde. Holdet har opnået en maksimal ekstern kvanteeffektivitet på ~11% og vægstikeffektivitet på ~7,6%, som er de højeste værdier, der nogensinde er rapporteret for en dyb UV-LED, der fungerer ved ~265 nm, så vidt vi ved, giver en levedygtig vej til at bryde effektivitetsflaskehalsen ved dyb UV-fotonik.