ECE Ph.D. student Ayush Pandey beskriver forskningen ledd av prof. Zetian Mi om att använda högeffektiva ultravioletta lysdioder för att sterilisera patogener. Denna forskning, "Högeffektiva AlGaN/GaN/AlGaN tunnel junction ultravioletta lysdioder, " vann 2020 års chefredaktör Choice Award från Photonics Research.

Varje år, tusentals liv och miljarder dollar spenderas över hela världen som ett resultat av sjukvårdsrelaterade och vattenburna sjukdomar. Sterilisering är en kritisk förebyggande åtgärd och den kan uppnås med ett antal tekniker inklusive bestrålning med ultraviolett (UV) ljus. Detta behov har blivit allt mer brådskande på grund av den globala coronavirus-pandemin, eftersom effektiva steriliseringsmetoder kan begränsa spridningen av infektionssjukdomar.

Nuvarande källor som kvicksilverlampor är skrymmande, innehåller giftiga kemikalier och är inte lika mångsidiga i tillämpningar som halvledarljuskällor. AlGaN är det valda materialet för högeffektiva djupa UV-ljuskällor, som är den enda alternativa tekniken för att ersätta kvicksilverlampor för vattenrening och desinfektion. Hittills, dock, AlGaN-baserade mellan- och djupa UV-lysdioder uppvisar mycket låg effektivitet. En av de primära begränsande faktorerna är den dåliga hålinsprutningen, på grund av den ineffektiva dopningen av p-typ av AlGaN-legeringar med Mg, speciellt för legeringar med hög Al sammansättning som är väsentliga för UV-C (200-280 nm) våglängdsområden.

En lovande teknik som kan övervinna denna utmaning och förbättra hålinjektion i enhetens aktiva region är genom att använda en tunnelövergångsstruktur. Hålinsprutningen i sådana anordningar drivs av interbandstransporten av elektroner från valensbandet hos p-typskiktet till ledningsbandet hos n-typskiktet.

Prof. Zetian Mis grupp vid University of Michigan har utfört en detaljerad undersökning av designen, epitaxi, tillverkning, och karakterisering av tunnelövergångs UV-C lysdioder som arbetar vid ~265 nm. AlGaNs stora bandgap och reducerade dopningseffektivitet gör det svårt att få direkt tunnling mellan skikten av p-typ och n-typ. För att övervinna detta problem, teamet har studerat unika enhetsdesigner inklusive ett tunt GaN-tunnelövergångsskikt med olika tjocklekar, samt olika tjocklekar av den översta n-typ AlGaN.

Denna teknik bygger på de stora spontana och piezoelektriska polarisationsfälten för III-nitriderna, som kan manipuleras genom att lägga ett lager av olika materialsammansättning mellan de dopade lagren, ökar dramatiskt sannolikheten för tunnling. Dessutom, en speciell metall-halvledarövergångsassisterad epitaximetod utvecklades för att dramatiskt förbättra Mg-dopningen och hålkoncentrationen i Al-rika AlGaN-skikt.

Den optimerade tunnelövergångsanordningen visade mycket förbättrade ström-spänningsegenskaper jämfört med en konventionell lysdiod med ett p-typ AlGaN-kontaktskikt. Den förbättrade injektionen i tunnelövergångsanordningen översattes till starkare elektroluminescens, utan närvaro av några defekta emissionstoppar. Emissionen observerades också vara extremt stabil med liten variation i toppläge över ett brett insprutningsströmområde. Teamet har uppnått en maximal extern kvanteffektivitet på ~11% och väggpluggeffektivitet på ~7,6%, som är de högsta värdena som någonsin rapporterats för en djup UV-LED som arbetar vid ~265 nm såvitt vi vet, ger en gångbar väg att bryta effektivitetsflaskhalsen för djup UV-fotonik.