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高効率UV LED、COVID-19を含む殺菌

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September, 2, 2021, Premstaetten--ミシガン大学、電気&コンピュータ工学(ECE) Ph.D学生、Ayush Pandeyは、Zetian Mi 教授主導の研究で、高効率UV LEDを使う殺菌について詳細を説明している。この研究は、2020 Photonics Research編集長賞を受賞した。

毎年、世界で数千の人命、数十億ドルが費やされる。ヘルスケア関連、水系感染症の結果である。殺菌は、重要な予防措置であり、UV光照射を含む多くの技術で達成可能である。世界的なコロナパンデミックにより、この必要性が緊要になっている。効果的な殺菌により、感染病拡大を抑制できる。

水銀ランプのような現在の光源は、大きく、有毒化学物質を含み、半導体光源ほどアプリケーションに多様性がない。AlGaNは、高効率DUV光源に選択すべき材料であり、これが浄水、殺菌用の水銀ランプの唯一の代替技術。しかし、今日まで、AlGaNベースミッドおよびディープUV LEDsは、非常に効率が低い。主要な制限要因の一つは、ホールの注入が不十分なこと。これは、Mgを使用するAlGaNアロイのp-タイプドーピングが効果的でないためである。特にUV-C (200-280 nm)波長で重要な高Al成分アロイの場合である。

この課題を克服し、デバイスの活性層へのホール注入を増強する有望な技術は、トネル注入構造の利用。そのようなデバイスでのホール注入は、p-タイプ層の価電子帯からnタイプ層の伝導帯への電子のバンド間遷移により促進される。

ミシガン大学Zetian Mi 教授のグループは、~265nmで動作するUV-C LEDsトネルジャンクションの設計、エピタキシ、製造、特性を詳細に調べた。AlGaNの大きなバンドギャップとドーピング効果低下によりp-タイプとnタイプ層間の直接的トネリングが難しくなる。この問題を克服するためにチームは、様々な厚さの薄いGaNトネルジャンクション層、トップnタイプAlGaNの様々な厚さを含め、独自のデバイス設計を調べた。

この技術は、Ⅲ-窒化の大きな自発的圧電性双曲場に依存している。これは、ドープ層間に多様な材料成分層を挟むことで操作可能であり、これによりトネリング確率を飛躍的に高めることができる。さらに、特殊な金属-半導体ジャンクションアシストエピタキシ法を開発し、AlリッチAlGaN層のMgドーピングとホール濃度を飛躍的に改善した。

最適化されたトネルジャンクションデバイスは、従来のpタイプAlGaNコンタクト層LEDと比較して、電流-電圧特性の著しい改善を示した。トネルジャンクションデバイスの改善された注入は、強力なエレクトロルミネセンスとなり、欠陥放出ピークは存在しない。発光も極めて安定しているように見え、ブロードな注入電流範囲でピーク位置の変動はほとんどなかった。チームは、~11%の最大外部量子光率、電力変換効率~7.6%を達成した。これは~265nm動作DUV LEDでは報告されているなかで最高値であり、DUVフォトニクスの効率ボトルネックを破る実行可能な道となる。

この研究は、AlGaN UV LEDsに観察される効率低下で電流オーバーフローの役割の重要性を説明している。また高効率DUV LEDsの設計と開発に大きなインパクトとなる。これは、水/空気の浄化、食品保存、表面殺菌にとって重要な技術である。

(詳細は、https://ece.engin.umich.edu/)
画像(scource: OSA論文)