Investigadores del Instituto Ferdinand-Braun (FBH) de Berlín han identificado un mecanismo de degradación que afecta a los LED ultravioleta encapsulados herméticamente y que puede provocar pérdidas adicionales de potencia óptica de hasta el 60 % después de 100 horas de funcionamiento. El estudio, publicado en la revista científica Journal of Physics D: Applied Physics, relaciona este fenómeno con la formación de una fina capa de carbono sobre la superficie de los chips y demuestra que es posible reducirlo mediante cambios en el proceso de fabricación.

Los LED que emiten radiación ultravioleta de onda corta, especialmente los de longitudes de onda inferiores a 235 nm (far-UVC), presentan interés para aplicaciones de desinfección, detección de gases, análisis de ADN y comunicaciones ópticas. Sin embargo, su utilización requiere garantizar una emisión estable y una vida útil suficientemente prolongada.

Para proteger estos dispositivos de la humedad y otros agentes ambientales se utilizan encapsulados herméticos, que aíslan el semiconductor del exterior. Investigaciones previas del FBH habían demostrado que los LED far-UVC así protegidos podían funcionar durante dos años sin experimentar fallos repentinos. No obstante, también se observó que los dispositivos herméticamente sellados perdían potencia óptica más rápidamente que aquellos que funcionaban sin esta protección.

Para investigar las causas, un equipo del FBH y de la Universidad Técnica de Berlín, dirigido por Jan Ruschel, analizó el comportamiento de LED far-UVC de 233 nm montados sobre encapsulados cerámicos, comparando dispositivos abiertos con otros sellados mediante tapas de cuarzo.

Una capa de carbono responsable de la pérdida de potencia

Los ensayos confirmaron que todos los LED experimentaban una reducción progresiva de su emisión, pero esta era considerablemente mayor en los dispositivos herméticamente encapsulados. Dependiendo de la temperatura y de la corriente de funcionamiento, la degradación adicional asociada al sellado alcanzó hasta un 60 % después de 100 horas de operación.

Los investigadores comprobaron además que el fenómeno no era exclusivo de los LED far-UVC de 233 nm, ya que también aparecía en dispositivos UV-B con una longitud de onda de emisión de 310 nm.

Para determinar su origen, analizaron mediante técnicas de caracterización de materiales la superficie de zafiro a través de la cual se extrae la radiación generada por el semiconductor. Los resultados revelaron la formación de una fina película que contenía carbono, responsable de absorber parte de la radiación ultravioleta y reducir la potencia óptica emitida al exterior.

Esta observación permitió identificar un mecanismo de degradación relacionado con la superficie de extracción de luz, independiente de otros procesos que pueden afectar al funcionamiento interno del semiconductor.

Los ensayos también mostraron que la formación de esta película estaba vinculada al funcionamiento del dispositivo. Cuando los LED permanecían a temperaturas elevadas sin corriente eléctrica, no aparecía la contaminación superficial observada durante su operación.

Una vez identificado el problema, los investigadores modificaron el proceso de montaje para reducir la presencia de materiales que pudieran actuar como fuentes de carbono dentro del encapsulado.

En concreto, sustituyeron el procedimiento de soldadura por otro basado en preformas de una aleación de oro y estaño (AuSn), que permite fijar los chips sin utilizar fundentes con componentes carbonosos.

Los LED fabricados mediante este procedimiento mostraron una reducción considerable de la degradación adicional asociada al encapsulado hermético, confirmando la importancia de controlar los materiales empleados durante el ensamblaje.

El estudio también identificó un efecto de recuperación parcial de la potencia óptica cuando determinados dispositivos sellados se abrían y continuaban funcionando. Los investigadores relacionan este comportamiento con un proceso de autolimpieza de la superficie, favorecido por la presencia de oxígeno y la propia radiación ultravioleta, que contribuiría a eliminar parte de la contaminación acumulada.

En general, los resultados muestran que el embalaje hermético puede introducir un mecanismo de degradación óptica adicional en los LED UV, pero que este efecto se puede prevenir de manera efectiva a través de un enfoque optimizado de ensamblaje de chips desarrollado en FBH. Esto permite un funcionamiento más estable a largo plazo de los LED de UVC lejano con paquetes herméticos y mejora significativamente su aplicabilidad en entornos exigentes.