LEDS

Se establecen las bases para el desarrollo de LEDs UV-C de alto rendimiento y gran longevidad.

Se establecen las bases para el desarrollo de LEDs UV-C de alto rendimiento y gran longevidad.

El nuevo proceso de fabricación propuesto por el Instituto Ferdinand Braun de Leibniz, se basa en la combinación del recocido a alta temperatura junto con interfaces AlN/zafiro modeladas, logrando aumentar la eficiencia de los LEDs UV-C (265 nm) en un factor de 1,4, logrando extender la vida útil en más de 10.000 horas. 

La situación actual de pandemia ocasionada por el COVID-19, ha hecho que las tecnologías de desinfección basadas en luz ultravioleta, se hayan convertido en una potente herramienta para la desactivación del virus.

Los diodos emisores de luz ultravioleta basados en AlGaN, están empezando a reemplazar las viejas tecnologías de lámparas de descarga en muchas aplicaciones, ya que, su longitud de onda de emisión permite inactivar eficazmente virus, bacterias y hongos, lo cual los hace adecuados para la desinfección de superficies, agua y aire.

Sin embargo, para la mejora constante del rendimiento de los LED UV, es necesario mejorar de forma continua el material que sirve de base para su desarrollo. Estos LEDs UV-C normalmente se elaboran mediante epitaxia metalorgánica en fase de vapor (MOVPE) en plantillas de AIN/zafiro para evitar costosos sustratos a granel de AlN. En concreto, es necesario hacer crecer una capa de nitruro de aluminio (AlN) con una superficie lisa, lo más libre de imperfecciones posibles, en sustratos de zafiro (Al2O3). 

Por lo cual, para mejorar la calidad del material de la capa de AlN, el Ferdinand Braun Institut de Leibniz (FBH), ha estado investigando un nuevo proceso basado en la combinación del recocido a altas temperaturas (HTA), junto con interfaces de AlN/zafiro modeladas.

Imagen 1: Proceso para combinar una interfaz de AlN/Al203 modelada y AIN recocido a alta temperatura

La secuencia que se muestra en la Imagen 1 resulto ser la solución más adecuada para poder combinar estos procesos. En primer lugar, el sustrato AlN/Al2O3 está modelado en crestas de 2 μm de ancho, las cuales están separadas por zanjas de 1,5 μm de ancho y 1,2 μm de profundidad. En segundo lugar, las paredes de las zanjas de Al2O3 se cubren con 0,3 µm de AlN para proteger el patrón durante el siguiente tratamiento a alta temperatura.

A continuación, la superficie modelada se recubre por completo con 5,0 µm de AlN hasta que se alcanza la fusión total por encima de las fosas y se tiene una superficie lisa. La temperatura durante el proceso de recocido, determina la calidad del material, en particular la densidad de dislocaciones de enhebrado (TDD-Threading Dislocation Density). Estas dislocaciones reducen la radiación UV generada dentro del LED, afectan negativamente a las propiedades eléctricas del dispositivo y acortan la vida útil del LED.

Imagen 2: La TDD en la capa de AlN disminuye al aumentar la temperatura de recocido. 

Los experimentos del FBH muestran que con el aumento de la temperatura de recocido se puede alcanzar una disminución de la TDD de 11 × 108 cm-2 a 4 × 108 cm-2 (Imagen 2). Además, la aplicación de un segundo HTA a la capa de AlN al final de la cadena del proceso (Imagen 1) reduce aún más el TDD. Las imágenes de microscopía electrónica (Imagen 3) revelan la eficacia con la que se reduce el número de dislocaciones mediante un único paso de recocido a 1.730 °C.

Imagen 3: (a) Dislocaciones que pueden evitarse mediante un paso intermedio de HTA. (b) indicador de la línea discontinua.

Con estas mejoras, la eficiencia de los LEDs UVC se incrementó en un factor de 1,4, logrando así una vida útil de más de 10000 horas.

Fuentes de las imágenes: FBH y Lumistrips

Para más información puedes visitar los siguientes enlaces:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pssa.201901022

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pssb.202100187

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