Dottorato ECE lo studente Ayush Pandey descrive in dettaglio la ricerca condotta dal Prof. Zetian Mi sull'utilizzo di diodi a emissione di luce ultravioletta ad alta efficienza per sterilizzare gli agenti patogeni. Questa ricerca, "Diodi emettitori di luce ultravioletta a giunzione tunnel AlGaN/GaN/AlGaN ad alta efficienza, " ha vinto il premio Editor-in-Chief Choice 2020 di Photonics Research.

Ogni anno, migliaia di vite e miliardi di dollari vengono spesi in tutto il mondo a causa di malattie associate all'assistenza sanitaria e trasmesse dall'acqua. La sterilizzazione è una misura preventiva fondamentale e può essere ottenuta mediante una serie di tecniche, inclusa l'irradiazione mediante luce ultravioletta (UV). Questa necessità ha acquisito maggiore urgenza a causa della pandemia globale di coronavirus, poiché pratiche di sterilizzazione efficaci possono ridurre la diffusione delle malattie infettive.

Le sorgenti attuali come le lampade al mercurio sono ingombranti, contengono sostanze chimiche tossiche e non sono versatili nelle applicazioni come le sorgenti luminose a semiconduttore. AlGaN è il materiale d'elezione per sorgenti di luce UV profonda ad alta efficienza, che è l'unica tecnologia alternativa per sostituire le lampade al mercurio per la purificazione e la disinfezione dell'acqua. Ad oggi, però, I LED UV medi e profondi a base di AlGaN mostrano un'efficienza molto bassa. Uno dei principali fattori limitanti è la scarsa iniezione del foro, a causa dell'inefficace drogaggio di tipo p delle leghe di AlGaN che utilizzano Mg, soprattutto per le leghe ad alta composizione di Al che sono essenziali per gli intervalli di lunghezze d'onda UV-C (200-280 nm).

Una tecnica promettente che può superare questa sfida e migliorare l'iniezione di fori nella regione attiva del dispositivo consiste nell'utilizzare una struttura di giunzione a tunnel. L'iniezione di lacune in tali dispositivi è guidata dal trasporto interbanda di elettroni dalla banda di valenza dello strato di tipo p alla banda di conduzione dello strato di tipo n.

Il gruppo del Prof. Zetian Mi presso l'Università del Michigan ha condotto un'indagine dettagliata sul design, epitassia, fabbricazione, e caratterizzazione di LED UV-C a giunzione tunnel operanti a ~265 nm. I grandi gap di banda e la ridotta efficienza di drogaggio di AlGaN rendono difficile ottenere un tunneling diretto tra gli strati di tipo p e di tipo n. Per superare questo problema, il team ha studiato design di dispositivi unici tra cui un sottile strato di giunzione del tunnel GaN con diversi spessori, così come diversi spessori dell'AlGaN di tipo n superiore.

Questa tecnica si basa sui grandi campi di polarizzazione spontanea e piezoelettrica dei III-nitruri, che può essere manipolato inserendo uno strato di diversa composizione di materiale tra gli strati drogati, aumentando drasticamente la probabilità di tunneling. Inoltre, è stato sviluppato uno speciale metodo di epitassia assistita da giunzione metallo-semiconduttore per migliorare notevolmente il drogaggio di Mg e la concentrazione di fori di strati di AlGaN ricchi di Al.

Il dispositivo di giunzione a tunnel ottimizzato ha mostrato caratteristiche di tensione di corrente molto migliorate rispetto a un LED convenzionale con uno strato di contatto AlGaN di tipo p. L'iniezione migliorata nel dispositivo di giunzione del tunnel si è tradotta in una maggiore elettroluminescenza, senza la presenza di picchi di emissione del difetto. È stato inoltre osservato che l'emissione è estremamente stabile con poche variazioni nella posizione di picco su un ampio intervallo di correnti di iniezione. Il team ha raggiunto un'efficienza quantica esterna massima del ~11% e un'efficienza della presa a muro del ~7,6%, che sono i valori più alti mai riportati per un LED UV profondo che opera a ~265 nm a nostra conoscenza, fornendo un percorso praticabile per rompere il collo di bottiglia dell'efficienza della fotonica UV profonda.