Eine aktive kubische III-Nitridschicht mit 32 % interner Quanteneffizienz

Bei der Farbmischung werden zwei oder mehr Farben kombiniert: Rot und Grün ergeben Gelb, Blau und Rot ergeben Lila, Rot und Grün und Blau ergeben Weiß. Dieser Prozess der Farbmischung ist die Grundlage für die Zukunft der Festkörperbeleuchtung. Während weißes Licht derzeit durch Phosphor-Abwärtskonvertierung erreicht wird, weist die LED-Farbmischung tatsächlich eine höhere theoretische maximale Effizienz auf, die erforderlich ist, um die Energieeffizienzziele des DOE für 2035 zu erreichen.

Trotz der potenziellen Effizienz farbgemischter LED-Quellen gibt es eine große Herausforderung: Grün. Als „grüne Lücke“ bezeichnet man den Mangel an geeigneten grünen LEDs. Aktuelle grüne LEDs werden aus hochmodernem hexagonalem III-Nitrid hergestellt, erreichen jedoch nur ein Drittel der in der DOE-Roadmap 2035 festgelegten Effizienzziele.

In einer neuen Studie haben Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign einen möglichen Weg gefunden, die grüne Lücke zu schließen, und berichten von einer grün emittierenden aktiven kubischen III-Nitrid-Schicht mit einer internen Quanteneffizienz (IQE) von 32 %, was mehr als ist 6-mal höhere Effizienz als in der Literatur für herkömmliche kubische Aktivschichten angegeben.

„Das ultimative Ziel ist es, die Effizienz der heutigen weißen Leuchtdioden zu verdreifachen. Und um das zu erreichen, müssen wir die grüne Lücke im Spektrum schließen, was keine leichte Aufgabe ist. Man braucht Innovation. Und wir zeigen die Innovation aus den Materialien.“ Seite durch die Verwendung kubischer Nitride“, sagt Can Bayram, Professor für Elektrotechnik und Computertechnik, der diese Arbeit zusammen mit dem Doktoranden Jaekwon Lee leitete.

Die Ergebnisse davon Forschung wurden kürzlich veröffentlicht in Briefe zur Angewandten Physik als Heft-Titelartikel.

Heutzutage verwenden die effizientesten weißen LEDs blaue Leuchtdioden mit einer Seltenerd-Phosphorbeschichtung, die das blaue Licht in Gelb, Grün und/oder Rot umwandelt, was eine weiße Beleuchtung ermöglicht. Dieser Vorgang wird als Phosphor-Downconversion bezeichnet. Die Leuchtstoffe sind lumineszierende Materialien, die hochenergetische Photonen (wie blaues Licht) absorbieren und in Licht mit niedrigerer Energie/längerer Wellenlänge (wie grün, gelb bzw. rot) umwandeln können.

Dieser Prozess der Phosphor-Abwärtskonvertierung weist jedoch Einschränkungen auf. Der Abwärtskonvertierungsprozess ist von Natur aus ineffizient, da die hochenergetischen Photonen Energie (in Form von Wärme) verlieren müssen, um in Photonen anderer Energien umgewandelt zu werden. Derzeit erzeugen in SSL verwendete weiße LEDs siebenmal mehr Wärme als Lichtleistung. Darüber hinaus sind Leuchtstoffe chemisch instabil und verursachen erhebliche Kosten für Rohmaterial und Verpackung (ca. 20 %) für das LED-Gerät.

Trotz der Steigerung der Effizienz blauer LEDs in den letzten Jahren hat SSL mit Leuchtstoffen nur eine theoretische maximale Lichtausbeute von 255 Lumen/Watt (lm/W), wohingegen durch LED-Farbmischung eine theoretische maximale Lichtausbeute von 408 lm/W erreicht werden kann.

Bei vielen etablierten Ansätzen für grüne LEDs kommt es jedoch bei hohen Stromdichten zu einem „Effizienzabfall“. Das Erreichen einer hocheffizienten grünen Emission war mit herkömmlichem hexagonalem III-Nitrid selbst bei Erhöhung des Indiumgehalts – einem kostspieligen Element, das für die grüne Emission erforderlich ist – schwierig, was zu höheren Defektdichten und Effizienzeinbußen führt. Dies stellt eine grundlegende Herausforderung für die weit verbreitete Einführung von SSL dar.

„Wir haben einen Weg gefunden, einphasiges kubisches Galliumnitrid mit geringer Defektdichte und hoher Qualität zu synthetisieren, indem wir eine von der Bayram-Gruppe erfundene Aspect-Ratio-Phase-Trapping-Technik verwenden“, erklärt Lee. Beim Aspektverhältnis-Phaseneinfang werden Defekte sowie die unerwünschte hexagonale Phase in den Rillen „eingefangen“, so dass die Oberfläche der aktiven Schicht ein perfektes Material mit kubischer Phase ist. Die kubische und hexagonale Phase bezieht sich auf die Art und Weise, wie sich Atome in den Materialien organisieren.

Hier entwickelten die Forscher ein kubisches III-Nitrid-System, das hocheffiziente, droop-freie grüne LEDs mit einem IQE von 32 % und nur 16 % Indiumgehalt ermöglichen kann. Dies ist der höchste gemeldete IQE für kubische Bohrlöcher mit etwa 30 % weniger Indium als die Menge, die in einem herkömmlichen sechseckigen Bohrloch benötigt wird.

Bayram sagt, dass die grüne Lücke durch die Verwendung von kubischem III-Nitrid geschlossen werden kann, da die Vorteile dieser Materialien für SSL sowohl theoretisch als auch experimentell gut dokumentiert sind. Die tatsächliche Effizienz kubischer Geräte wurde durch die Qualität und Reinheit der kubischen Phase beeinträchtigt, aber die in dieser Forschung verwendete neuartige Phaseneinfangtechnik mit Aspektverhältnis ermöglicht hochwertiges, reines kubisches III-Nitrid.