Avances importantes en la eficiencia luminosa de los diodos emisores de luz ultravioleta (LED UV)
Al mejorar la calidad del cristal del material, diseñar y cultivar epitaxialmente una nueva estructura de pozo cuántico de región activa e integrar monolíticamente un convertidor fotomultiplicador en la estructura tradicional del dispositivo LED, la eficiencia de conversión electro-óptica del LED ultravioleta profundo (LED DUV) de semiconductor con una longitud de onda de 280 nm se incrementó a más del 20%.
Los LED UV son una alternativa ecológica y de ahorro de energía a las lámparas de mercurio. Este dispositivo también es conocido por su pequeño tamaño y larga vida útil. Al cambiar el contenido de aluminio en el pozo cuántico de nitruro de galio y aluminio (AlGaN), un material semiconductor de banda ancha, los LED UV pueden cubrir el rango espectral de 210 nm a 360 nm. Además de reemplazar las lámparas de mercurio en las aplicaciones mencionadas, los LED UV también se pueden utilizar en otras aplicaciones debido a su pequeño tamaño, alta eficiencia y longitud de onda continuamente ajustable, lo que los hace más comercializables. Según la investigación y el análisis de mercado, el tamaño del mercado de los LED UV crecerá de 500 millones de dólares estadounidenses en 2019 a 1.000 millones de dólares estadounidenses en 2023, o incluso más.
El estudio encontró que podemos adoptar una variedad de enfoques innovadores para mejorar la eficiencia, que incluyen principalmente: reducir los defectos y dislocaciones en la capa epitaxial; mejorar la eficiencia de dopaje de tipo n y tipo p para formar una película conductora para mejorar la eficiencia de inyección de corriente; diseñar la estructura del dispositivo para mejorar la eficiencia de extracción de luz y la eficiencia de conversión; y utilizar un nuevo pozo y barrera cuánticos basados en AlGaN en el área activa de emisión de luz.
Cultivamos las heteroestructuras de nuestros LED UV sobre zafiro, un sustrato transparente de bajo costo. Evitamos el uso de sustratos de AlN monocristalino porque son demasiado caros. El inconveniente del zafiro es que tiene una desajuste de red y expansión térmica con los nitruros, lo que resulta en una mala calidad del cristal y no es propicio para la recombinación radiativa de portadores en la región activa. Para abordar este problema, recurrimos a sustratos de zafiro estampados con estructuras piramidales en la superficie y cultivamos epitaxialmente películas de AlN de alta calidad utilizando sobrecrecimiento lateral. Basándonos en el ancho medio de la curva de balanceo de difracción de rayos X, inferimos que la densidad de dislocación de la película era inferior a 3 x 108 cm-2. Además, realizamos pruebas de espacio recíproco, que mostraron que la tensión de la capa epitaxial se liberó por completo. Basándonos en estos hallazgos, sabemos que la reducción de las dislocaciones puede suprimir la recombinación no radiativa en la región activa de los LED UV y, en última instancia, mejorar la eficiencia de recombinación radiativa de estos dispositivos.
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