Doctorat de l'ECE L'étudiant Ayush Pandey détaille les recherches menées par le professeur Zetian Mi sur l'utilisation de diodes électroluminescentes ultraviolettes à haute efficacité pour stériliser les agents pathogènes. Cette recherche, "Diodes électroluminescentes ultraviolettes à jonction tunnel AlGaN/GaN/AlGaN à haut rendement, " a remporté le prix du choix du rédacteur en chef 2020 de Photonics Research.

Chaque année, des milliers de vies et des milliards de dollars sont dépensés dans le monde à cause de maladies associées aux soins de santé et d'origine hydrique. La stérilisation est une mesure préventive essentielle et elle peut être réalisée par un certain nombre de techniques, notamment l'irradiation utilisant la lumière ultraviolette (UV). Ce besoin est devenu plus urgent en raison de la pandémie mondiale de coronavirus, car des pratiques de stérilisation efficaces peuvent freiner la propagation des maladies infectieuses.

Les sources actuelles comme les lampes au mercure sont encombrantes, contiennent des produits chimiques toxiques et ne sont pas aussi polyvalents dans les applications que les sources lumineuses à semi-conducteurs. AlGaN est le matériau de choix pour les sources de lumière UV profond à haute efficacité, qui est la seule technologie alternative pour remplacer les lampes au mercure pour la purification et la désinfection de l'eau. À ce jour, cependant, Les LED UV moyennes et profondes à base d'AlGaN présentent une très faible efficacité. L'un des principaux facteurs limitants est la mauvaise injection des trous, en raison du dopage inefficace de type p des alliages AlGaN utilisant du Mg, en particulier pour les alliages à haute teneur en Al qui sont essentiels pour les gammes de longueurs d'onde UV-C (200-280 nm).

Une technique prometteuse qui peut surmonter ce défi et améliorer l'injection de trous dans la région active du dispositif consiste à utiliser une structure de jonction tunnel. L'injection de trous dans de tels dispositifs est entraînée par le transport interbande d'électrons de la bande de valence de la couche de type p à la bande de conduction de la couche de type n.

Le groupe du professeur Zetian Mi à l'Université du Michigan a effectué une étude détaillée de la conception, épitaxie, fabrication, et caractérisation des LED UV-C à jonction tunnel fonctionnant à ~265 nm. Les grandes bandes interdites et l'efficacité de dopage réduite de l'AlGaN rendent difficile l'obtention d'un effet tunnel direct entre les couches de type p et de type n. Pour surmonter ce problème, l'équipe a étudié des conceptions de dispositifs uniques comprenant une fine couche de jonction tunnel GaN avec différentes épaisseurs, ainsi que différentes épaisseurs de l'AlGaN de type n supérieur.

Cette technique repose sur les grands champs de polarisation spontanée et piézoélectrique des III-nitrures, qui peut être manipulé en prenant en sandwich une couche de composition de matériau différente entre les couches dopées, augmentant considérablement la probabilité de tunneling. De plus, une méthode spéciale d'épitaxie assistée par jonction métal-semiconducteur a été développée pour améliorer considérablement le dopage en Mg et la concentration en trous des couches d'AlGaN riches en Al.

Le dispositif de jonction tunnel optimisé a montré des caractéristiques courant-tension bien améliorées par rapport à une LED conventionnelle avec une couche de contact en AlGaN de type p. L'injection améliorée dans le dispositif de jonction tunnel s'est traduite par une électroluminescence plus forte, sans la présence de pics d'émission de défaut. L'émission s'est également avérée extrêmement stable avec peu de variation de la position de crête sur une large plage de courant d'injection. L'équipe a atteint une efficacité quantique externe maximale d'environ 11 % et une efficacité de prise murale d'environ 7,6 %, qui sont les valeurs les plus élevées jamais rapportées pour une LED UV profonde fonctionnant à ~265 nm à notre connaissance, fournissant une voie viable pour briser le goulot d'étranglement de l'efficacité de la photonique UV profonde.