La actual situación de pandemia provocada por el COVID-19 ha hecho que las tecnologías de desinfección a través de luz ultravioleta se hayan convertido en tendencia, ofreciendo una potente herramienta para la desactivación de virus, e impulsando el mercado de las fuentes de luz ultravioleta (UV).
Mientras que la mayoría de estos sistemas utilizan lámparas convencionales de descarga, los LED UV son el futuro de la tecnología ya que permite realizar nuevos e innovadores desarrollos que marcarán el mercado en los próximos años. Los diodos emisores de luz ultravioleta basados en AlGaN, con longitudes de onda de emisión entre los 260 y 280 nm, están llamados a reemplazar la vieja tecnología de lámparas de descarga en muchas aplicaciones. En particular, su corta longitud de onda de emisión permite inactivar eficazmente virus, bacterias y hongos, lo que los hace adecuados para la desinfección de superficies, agua y aire
Sin embargo, esto requiere no solo disponer de LEDs UV de alta potencia óptica, sino también con una larga vida útil. A pesar de que se ha avanzado mucho, la vida útil de los LED UV-C de última generación todavía se ve limitada. Además, los mecanismos de degradación física responsables de la reducción de la potencia óptica durante el funcionamiento no se conocen del todo.
Un nuevo desarrollo de Instituto Ferdinand Braun (FBH), junto con la Universidad Técnica de Berlin (TU Berlin), han logrado aumentar de forma significativa la vida útil de LEDs UV-C a más de 10.000 horas, obteniendo una comprensión física de los procesos de degradación involucrados. Para ello, han hecho uso de capas de base AlN de alta calidad cristalina.
Estudios anteriores sobre LED UV han atribuido la reducción de la potencia óptica durante el funcionamiento a la generación o activación de defectos de cristal en o alrededor de la región activa de la heteroestructura de semiconductores. Se supone que estos defectos actúan como centros de recombinación no radiativa para los portadores de carga y, por lo tanto, reducen la potencia óptica. Lo más probable es que un proceso de activación resulte de la separación del hidrógeno de tales defectos durante el funcionamiento.
Experimentos y simulaciones recientes sugieren que los portadores de alta energía de la recombinación Auger proporcionan la energía necesaria para eliminar un átomo de hidrógeno de un defecto. Dado que tanto la recombinación Auger como la recombinación radiativa aumentan con la densidad del portador, es difícil mejorar la vida útil y la potencia óptica en paralelo ajustando la distribución del portador en la región activa.
El enfoque del equipo de FBH fue reducir en general el número de defectos en el semiconductor y, por lo tanto, también aquellos que se pueden activar y contribuir a la degradación. Las dislocaciones helicoidales (Threading dislocations – TD) son los defectos más obvios en el semiconductor que se sabe que influyen en la eficiencia del dispositivo. La densidad de los TD, a su vez, está esencialmente dictada por la plantilla AlN/zafiro.
Los investigadores cultivaron LED UV-C con heteroestructuras idénticas en plantillas de AIN/Zafiro que proporcionan diferentes densidades de dislocación (TDD). Las tres plantillas utilizadas son: una capa epitaxial plana (TDD alto), una capa fabricada por sobrecrecimiento lateral epitaxial (ELO, TDD medio) y una capa pulverizada tratada por recocido a alta temperatura y ELO (SP-ELO-HTA, TDD bajo). Se realizó un experimento de esfuerzo a largo plazo en lotes de LED, que se operaron una corriente continua de 200 mA, correspondiente a una densidad de corriente de 60 A/cm2 y a una temperatura del disipador de calor de 20 °C
Los LED con el TDD más alto mostraron la potencia óptica más baja y la degradación más rápida En contraste, la densidad de dislocación más baja resultó en la mayor potencia óptica y la vida útil más larga de más de 10.000 horas. Es decir, los LED UV-C en plantillas con densidades de dislocación más bajas proporcionan una mayor potencia óptica y se degradan más lentamente durante 2000 h de funcionamiento.
El experimento demuestra, por tanto, una vida útil extrapolada de L70 de más de 10 000 h para la tecnología ELO recocido a alta temperatura. Además, los resultados sugieren que la degradación es causada por la activación inducida por la operación de defectos cuya densidad escala con la densidad de dislocación.
“En consecuencia, una reducción del TDD en la región activa es crítica para mejorar la vida útil y la potencia óptica en paralelo. Se necesitan nuevos conceptos innovadores para plantillas de AlN de TDD aún más bajos para mejorar aún más el rendimiento de los LED UVC”, señalan los investigadores en el estudio.
Fuente de imágenes: FBH
