高効率UV LED､COVID-19を含む殺菌

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)