Nanowire UV LEDs on graphene

Et grunnleggende behov for alle mennesker er tilgang til ren luft og rent vann. Mange steder oppnår man dette ved å rense lufta og/eller vannet med ultrafiolette (UV) lyskilder som effektivt dreper bakterier. Det finnes i dag et internasjonalt initiativ gjennom Minamata-resolusjonen for å fase ut all bruk av kvikksølv innen 2020, noe som innbefatter kvikksølv-baserte UV-kilder. Dette betyr at det er et behov for ny og effektiv teknologi som kan ta over disse funksjonene, og en lovende kandidat er den ultrafiolette lysdioden (UV LED). Dagens UV LED-teknologi, spesielt i UVC delen av lysspekteret, har lav effektivitet og høye kostnader på grunn av material-relaterte utfordringer og bruken av dyre materialer som krever kompleks fabrikasjon. Ved å bruke et innovativt komponentdesign basert på nanostrukturerte LED-materialer i form av nanotråder, mener vi at LED-effektiviteten kan økes mens kostnaden går ned på grunn av mindre materialforbruk. I tillegg bruker vi grafén, et ett-atomlag tykt lag av karbonatomer, for å minske kompleksiteten i fabrikasjonsprosessen der grafénlaget både brukes som grosubstrat og transparent ledende elektrode. I prosjektet utviklet CrayoNano forskjellige UV LED prototyper basert på posisjonert vekst av AlGaN-nanotråder på grafén. I løpet av 2020 oppnådde vi en bølgelengde på 275 nm som er den optimale bølgelengden for desinfeksjon av vann. Videre har vi laget en standard prosessert 45 mil die integrert i en hermetisk forseglet SMD pakning. I 2021 fokuserte vi på ytterligere forbedringer av ytelse og levetid for vårt første UVC LED produkt. I forberedelsene til markedsinntreden av vår UVC LED har vi jobbet gjennom ulike partnerskap og kontrakter med grafénleverandører, prosesspartnere, pakningspartnere og distributører for å definere forsyningsmengder, prisavtaler og vilkår for leverandørstyring. Vi har også implementert en målrettet kommunikasjonsplan til OEMs i vannrensemarkedet, inkludert forretningsmøter og webinarer.

Our revolutionary approach to produce UVC LEDs, based on AlGaN nanowires-on-graphene, has the potential to eliminate the shortcomings of traditional thin-film-based design. The project was focused on solving and optimizing key material challenges, to reach UVC wavelengths and to optimize the efficiency. In the project we focused on both random and positioned AlGaN nanowires and reached the target wavelength of 275 nm. The results will have important benefits for the R&D of nanotechnology-based UVC LEDs but also for enabling devices in other application areas using a similar hybrid platform of semiconductor nanowires with 2D materials. Such devices are expected to enhance the flexibility, performance, energy output and price of semiconductor products, such as solar cells, other LEDs as well as lasers, power- and nano-electronics. Once we demonstrate the superior performance of our unique UVC LEDs, they will play a crucial role in the fast-growing disinfection markets globally.

In the proposed project CrayoNano AS will develop deep UV LEDs based on AlGaN nanowires (NWs) on graphene. The AlGaN NWs will be used as the UV emitting material, whereas graphene will be used both as a substrate for the NW growth and a UV transparent electrode. This may offer a breakthrough in the making of high-efficiency deep UV LEDs and allow disinfection and sterilization treatments on a much larger scale than is possible today. Existing deep UV (UVC) LEDs have a wall plug efficiency (WPE) of only 3-6%. Environmentally unfriendly mercury bulbs are therefore used instead in almost all UV applications. The UV LED market, and in particular deep UV LEDs, is immature with inefficient and very high prices compared to blue GaN LEDs and the potential for technological advancements are huge. This is mainly due to the very high cost of AlN substrate that is needed to achieve close lattice-match with AlGaN, and the lack of transparent electrodes for deep UV light. For the UV LED to be useful for sterilization and disinfection, it needs to emit in the deep UV range of 265 nm to 280 nm where it kills bacteria and other microbes by directly attacking their DNA at its peak absorption. However, a sudden drop in the performance (efficiency and lifetime) of standard thin film UV LEDs at an emission wavelength < 350 nm is of major concern for its use in such applications today. Today, the UVC market is therefore totally dominated by traditional mercury bulbs. This research project will therefore focus on solving and optimizing key material challenges in the active AlGaN nanowire UV emitters in order to reach deep UV wavelengths (<280 nm) and optimize the efficiency beyond state-of-the-art on the market today. This project will form the technical basis to develop and commercialize novel nanomaterials-based deep UV LEDs that could result in cheaper and more compact handheld devices for water and tool disinfection in especially medical applications.