Färgblandning är processen att kombinera två eller flera färger:rött och grönt gör gult, blått och rött gör lila, rött och grönt och blått gör vitt. Denna process att blanda färger är grunden för framtiden för solid-state belysning. Även om vitt ljus för närvarande uppnås genom nedkonvertering av fosfor, har LED-färgblandning faktiskt en högre teoretisk maximal effektivitet, vilket behövs för att uppnå 2035 års DOE energieffektivitetsmål.
Trots den potentiella effektiviteten hos färgblandade LED-källor finns det en betydande utmaning:grönt. Det "gröna gapet" beskrivs som bristen på lämpliga gröna lysdioder. Nuvarande gröna lysdioder är gjorda av toppmodern hexagonal III-nitrid men når bara en tredjedel av effektivitetsmålen som anges i 2035 års DOE-färdplan.
I en ny studie har forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign hittat en potentiell väg att fylla det gröna gapet och rapporterar ett grönt-emitterande kubiskt III-nitrid aktivt lager med 32 % intern kvanteffektivitet (IQE), vilket är mer än 6 gånger högre effektivitet än vad som rapporteras i litteraturen för konventionella kubiska aktiva skikt.
"Det slutliga målet är att tredubbla effektiviteten hos dagens vita lysdioder. Och för att göra det måste vi fylla det gröna gapet i spektrumet, vilket inte är någon lätt uppgift. Du behöver innovation. Och vi visar innovationen från materialen sida genom att använda kubiska nitrider", säger elektro- och datateknikprofessor Can Bayram, som ledde detta arbete tillsammans med doktoranden Jaekwon Lee.
Resultaten av denna forskning publicerades nyligen i Applied Physics Letters som omslagsartikel.
Idag använder de mest effektiva vita lysdioderna blåa lysdioder med en sällsynt jordartsmetallfosforbeläggning som omvandlar det blå ljuset till gult, grönt och/eller rött vilket möjliggör vit belysning. Denna process kallas fosfornedkonvertering. Fosforerna är självlysande material som kan absorbera och omvandla högenergifotoner (som blått ljus) till lägre energi/ljus med längre våglängder (som grönt, gult respektive rött).
Denna process för nedkonvertering av fosfor har emellertid begränsningar. Nedkonverteringsprocessen är i sig ineffektiv eftersom högenergifotonerna måste förlora energi (i form av värme) för att omvandlas till fotoner av andra energier. För närvarande genererar vita lysdioder som används i SSL sju gånger mer värme än ljus. Dessutom är fosfor kemiskt instabila och tillför betydande råmaterial- och förpackningskostnader (med cirka 20 %) till LED-enheten.
Trots ökningen av blå LED-effektivitet de senaste åren har SSL som använder fosfor endast en teoretisk maximal ljusutbyte på 255 lumen/watt (lm/W), medan LED-färgblandning kan uppnå en teoretisk maximal ljusutbyte på 408 lm/W.
Men många etablerade metoder för gröna lysdioder plågas av "effektivitetssänkning" vid höga strömtätheter. Att uppnå högeffektiva gröna utsläpp har varit svårt med traditionell hexagonal III-nitrid även med ökning av indiumhalten – ett kostsamt element som krävs för grönt utsläpp – vilket leder till högre defektdensiteter och effektivitetsminskning. Detta utgör en grundläggande utmaning för den utbredda användningen av SSL.
"Vi hittade ett sätt att syntetisera enfas kubisk galliumnitrid med låg defektdensitet och hög kvalitet genom att använda en fasinfångningsteknik för bildförhållande som Bayram-gruppen har uppfunnit", förklarar Lee. Vid fasinfångning med bildförhållande, "fångas" defekter, såväl som den oönskade hexagonala fasen, inuti spåren så att ytan på det aktiva skiktet är ett perfekt kubiskt fasmaterial. Den kubiska och hexagonala fasen hänvisar till hur atomer i materialen organiserar sig.
Här utvecklade forskarna ett kubiskt III-nitridsystem som kan möjliggöra högeffektiva, sjunkfria gröna lysdioder med 32 % IQE och endast 16 % indiumhalt. Detta är den högsta rapporterade IQE för kubiska brunnar med ~30 % mindre indium än den mängd som behövs i en traditionell hexagonal brunn.
Bayram säger att det gröna gapet kan stängas genom att använda kubisk III-nitrid, eftersom fördelarna med dessa material för SSL är väldokumenterade både teoretiskt och experimentellt. Den faktiska effektiviteten hos kubiska enheter har hämmats av kvaliteten och renheten hos den kubiska fasen, men den nya fasinfångningstekniken för bildförhållande som används i denna forskning möjliggör högkvalitativ, ren kubisk III-nitrid.
Mer information: J. Lee et al, Grönemitterande kubisk GaN/In0.16Ga0.84N/GaN kvantbrunn med 32 % intern kvanteffektivitet vid rumstemperatur, Applied Physics Letters (2024). DOI:10.1063/5.0179477
Journalinformation: Tillämpade fysikbrev
Tillhandahålls av University of Illinois Grainger College of Engineering
