Los LED ultravioleta profundos (DUV-LED) con emisiones inferiores a los 250nm son particularmente interesantes para aplicaciones relacionadas con la vigilancia de concentraciones de gases, la detección de iones pesados, las mediciones de nitratos en agua, las comunicaciones ópticas sin línea de visión e incluso para la gestión de carga en detectores de ondas gravitacionales. Recientemente, la posibilidad de utilizar estos LED UVC con fines germicidas ha despertado un gran interés ante la actual situación de pandemia global provocada por el COVID-19. Estudios recientes han demostrado que la luz UV de 222 nm tiene propiedades antimicrobianas similares a la luz UV germicida típica (254nm), y que incluso tiene la capacidad de acabar con el SARS-CoV-2 pero sin inducir daños en la piel, lo que les coloca en una posición prometedora ante la actual situación que estamos viviendo a nivel mundial. Sin embargo. la fabricación de estos dispositivos a longitudes inferiores a los 250 nm es todo un desafío.
Se ha comprobado que la eficacia de los LED-UV basados en AlGaN disminuyen drásticamente con la disminución de la longitud de onda de emisión. Hay varios factores que limitan la eficiencia cuántica externa (EQE), la eficiencia radiante (WPE) y la vida útil de los dispositivos. Aunque algunos factores pueden vincularse a limitaciones físicas fundamentales, hay una serie de contribuciones relacionadas con el crecimiento epitaxial y las tecnologías de fabricación de chips de los DUV-LED, que deben superarse.
En el marco del Joint Lab GaN Optoelectronics, el Ferdinand-Braun-Institut (FBH) y la Technische Universität Berlin (TUB) han desarrollado LEDs de 233 nm basados en AlGaN con una potencia de emisión y una vida útil hasta ahora inalcanzable. Para alcanzar este rendimiento, se optimizaron varios pasos en la cadena de fabricación de los LED, incluyendo el uso de sustratos de AlN/zafiro de baja densidad de defectos que crecen lateralmente de forma epitaxial, el desarrollo de contactos metálicos de baja resistividad basados en vanadio y, finalmente, el uso de paquetes de AlN de alta conductividad térmica.
En la Fig. 1 se presentan las características electro-ópticas de un LED UVC lejano montado en un flip-chip con una longitud de onda de emisión de un solo pico de 233 nm. Debido a las dificultades para obtener contactos metálicos de baja resistencia, la tensión de funcionamiento de los LED es de 13 V a 100 mA, lo que corresponde a una densidad de corriente nominal de 67 A/cm2. Los LEDs UVC lejanos presentan una potencia de emisión de 1,9 mW, a una corriente de 100 mA, lo que corresponde a una eficiencia radiante (WP del 0,14 % y la mayor eficiencia cuántica externa demostrada hasta la fecha del 0,36 %. La potencia de emisión de los LED de 233 nm está fuertemente influenciada por la temperatura del dispositivo. Se observa una disminución de casi el 74% en la potencia de emisión, medida a 100 mA, cuando se aumenta la temperatura del disipador de calor de 20 °C a 80 °C. En comparación, un LED de 310 nm muestra sólo una disminución del 35 % en la potencia de emisión, a 100 mA, para el mismo cambio en la temperatura del disipador de calor.
Se investigó el comportamiento de degradación de los LEDs de 233 nm a corrientes constantes de 20 y 100 mA. La evolución típica de la potencia óptica se muestra en la Fig. 2. Se observan dos modos de degradación diferentes: una rápida disminución de la potencia de emisión dependiente de la corriente dentro de las primeras 100 h de funcionamiento y una lenta disminución de la potencia de emisión más allá de las 100 h, que es casi independiente de la corriente. Para obtener un funcionamiento estable de los LED de 233 nm, se requiere un quemado. Con una duración de vida útil de 100 h, se puede lograr una vida útil estimada de L70 de ~380 h y una vida útil de L50 de más de 1500 h para los LED de 233 nm que funcionan a 100 mA y 20 ° C.
Puede acceder a todos los datos y resultados del estudio en el siguiente enlace:
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0015263
Créditos de imágenes: Ferdinand-Braun-Institut (FBH)
