ECE Ph.D. student Ayush Pandey beschrijft het onderzoek onder leiding van prof. Zetian Mi naar het gebruik van zeer efficiënte ultraviolette lichtdiodes om ziekteverwekkers te steriliseren. Dit onderzoek, "High-efficiency AlGaN/GaN/AlGaN tunnel junction ultraviolet light-emitting diodes, " won de 2020 Editor-in-Chief Choice Award van Photonics Research.

Elk jaar, duizenden levens en miljarden dollars worden wereldwijd uitgegeven als gevolg van ziektes die verband houden met de gezondheidszorg en door water overgedragen ziekten. Sterilisatie is een kritische preventieve maatregel en kan worden bereikt door een aantal technieken, waaronder bestraling met ultraviolet (UV) licht. Deze behoefte is urgenter geworden vanwege de wereldwijde pandemie van het coronavirus, aangezien effectieve sterilisatiepraktijken de verspreiding van infectieziekten kunnen inperken.

Huidige bronnen zoals kwiklampen zijn omvangrijk, bevatten giftige chemicaliën en zijn niet zo veelzijdig in toepassingen als halfgeleiderlichtbronnen. AlGaN is het materiaal bij uitstek voor zeer efficiënte diepe UV-lichtbronnen, wat de enige alternatieve technologie is om kwiklampen voor waterzuivering en desinfectie te vervangen. Daten, echter, Op AlGaN gebaseerde midden- en diepe UV-leds hebben een zeer laag rendement. Een van de belangrijkste beperkende factoren is de slechte gateninjectie, vanwege de ineffectieve p-type dotering van AlGaN-legeringen met Mg, vooral voor de legeringen met een hoge Al-samenstelling die essentieel zijn voor de UV-C (200-280 nm) golflengtebereiken.

Een veelbelovende techniek die deze uitdaging kan overwinnen en de injectie van gaten in het actieve gebied van het apparaat kan verbeteren, is door gebruik te maken van een tunnelovergangsstructuur. De gateninjectie in dergelijke apparaten wordt aangedreven door het interbandtransport van elektronen van de valentieband van de p-type laag naar de geleidingsband van de n-type laag.

De groep van prof. Zetian Mi aan de Universiteit van Michigan heeft een gedetailleerd onderzoek gedaan naar het ontwerp, epitaxie, fabricage, en karakterisering van UV-C-LED's van tunnelknooppunten die werken bij ~ 265 nm. De grote bandgaps en verminderde doteringsefficiëntie van AlGaN maken het moeilijk om directe tunneling tussen de p-type en n-type lagen te verkrijgen. Om dit probleem op te lossen, het team heeft unieke apparaatontwerpen bestudeerd, waaronder een dunne GaN-tunnelverbindingslaag met verschillende diktes, evenals verschillende diktes van het bovenste n-type AlGaN.

Deze techniek is gebaseerd op de grote spontane en piëzo-elektrische polarisatievelden van de III-nitriden, die kan worden gemanipuleerd door een laag van verschillende materiaalsamenstelling tussen de gedoteerde lagen te sandwichen, waardoor de kans op tunneling aanzienlijk wordt vergroot. Bovendien, een speciale door metaal-halfgeleiderovergang geassisteerde epitaxiemethode werd ontwikkeld om de Mg-doping en gatenconcentratie van Al-rijke AlGaN-lagen drastisch te verbeteren.

Het geoptimaliseerde tunnelovergangsapparaat vertoonde veel verbeterde stroom-spanningskarakteristieken in vergelijking met een conventionele LED met een p-type AlGaN-contactlaag. De verbeterde injectie in het tunnelovergangsapparaat vertaalde zich in sterkere elektroluminescentie, zonder de aanwezigheid van defecte emissiepieken. De emissie bleek ook extreem stabiel te zijn met weinig variatie in piekpositie over een breed injectiestroombereik. Het team heeft een maximale externe kwantumefficiëntie van ~11% en een efficiëntie van ~7,6% bereikt. wat de hoogste waarden zijn die ooit zijn gerapporteerd voor een diepe UV-LED die werkt bij ~ 265 nm, voor zover wij weten, een levensvatbaar pad bieden om het efficiëntieknelpunt van diepe UV-fotonica te doorbreken.